漁船掛槳防滲漏油技術改進研究

袁士春，樊 菲，鄭建麗，袁丙方，李勝勇

(1 江蘇漁船檢驗局，江蘇 南通 226006；2 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092 )

至2019年底，中國登記的海洋機動漁船22.0萬艘，其中船長12 m以下的小型機動漁船14.6萬艘[1]；登記的內河機動漁船24.8萬艘，其中船長12 m以下的小型機動漁船22.4萬艘[1]。根據2019年檢驗數據統計，江蘇省內河漁船約5萬艘，掛槳數量近10萬只，主要為農用掛槳[2-4]。數量龐大的農用掛槳因其經濟適用、操作簡單、維修方便等[5-7]優點，考慮到漁民的生計因素[8-9]，短時間難以淘汰。

農用掛槳漁船的推進裝置由柴油機、傳動裝置(即農用掛槳)和螺旋槳組成。農用掛槳一般由上箱部、下箱部和中間軸管組成[4]。每艘數量掛槳數量1～4只不等(少數達到6只[3])。江蘇內河掛槳漁船油污染專項調研發現，平均每只農用掛槳每年滲漏約5 kg潤滑油[3](部分掛槳甚至多達到10～15 kg)。據估算，2019年江蘇內河農用掛槳漁船排到水域的污油約500 t[2-3]。這些內河漁船掛槳主要是基于蘇州-73型農船掛槳圖紙[4]制造。在船舶的防污染研究論文[9-16]中，少有對掛槳本身提出合理性改造。

含油廢水的危害主要有：漁獲物因含油污水的污染，帶有油腥味[17-18]，品質差；水面浮油導致水中植物、魚類死亡，油類及其分解物造成水生生物畸變[19]；市飲水源因油類污染增加凈化成本，含油污水流入土壤中導致植物根系新陳代謝速度逐漸降低甚至死亡，對人類健康構成很大威脅[20]。

在前期研究[2-3,21]的基礎上，介紹農用掛槳的滲漏油位置及處理措施，提出掛槳的上箱部上蓋板透氣裝置的最新實用改進方法，詳細闡述8.8 kW農用掛槳下箱部的尾軸橡膠密封與端蓋處設置迷宮密封保護裝置的措施。江蘇省掛槳漁船主要使用8.8 kW農用掛槳和14.7 kW農用掛槳，二者傳動結構類似，上箱部蓋板相同，14.7 kW農用掛槳可參考該改進。

1 掛槳滲漏油部位及處理措施

掛槳滲漏油部位集中在上箱部和下箱部，上箱部滲漏油部位[2-3,21]主要有：(1)動力輸入軸的左右端蓋密封墊片處、上蓋板密封墊片處；(2)皮帶輪端軸軸封的端蓋處；(3)齒輪箱起換向作用的搖臂桿端部；(4)上箱部上蓋板的透氣孔處；(5)皮帶輪處端蓋部件等鑄造缺陷。下箱部漏油部位[2,21]主要有：(1)端部蓋板的密封墊處；(2)尾軸軸封端蓋處。掛槳滲漏油原因及處理措施具體見表1，其中對上箱部上蓋板透氣孔進行改造和增加尾軸封保護裝置是最主要的改進措施。

表1 漁船掛槳的滲漏油部位、原因分析及處理措施Tab.1 The location,reason and countermeasure for oil leakage in oar-hungs of fishing boats

此外，還存在漁民使用或維修過程中的措施不當導致的泄露等[12]，需要提高漁民的防污染意識和加強技術指導等[6,12-16]。

2 主要改進措施

2.1 掛槳上箱部透氣孔的改造

2.1.1 漏油原因分析

農用掛槳齒輪箱上箱部的透氣孔(兼注油孔)設置在上蓋板處，平時用帶有氣孔的螺栓擰入，加潤滑油時擰出螺栓。加油時因透氣孔徑太小，漏斗需遮住孔眼，難以分清潤滑油的油位，常出現加油過滿后溢出導致污染水域。在潤滑油油位較高時，因掛槳高速運轉時油摩擦受熱膨脹導致輪箱內部的溫度和壓力上升，從而導致潤滑油從上箱部的透氣口溢出，如圖1所示，由于上箱部安裝在甲板之上，溢出的油污容易直接流入水域。

圖1 掛槳運轉中潤滑油從透氣孔溢出Fig.1 Lubricating oil leakage from upper gear case during oar-hung running

2.1.2 具體改進措施

針對掛槳上箱部的透氣孔在使用過程中存在的滲漏油問題，李勝勇等[3]提出：透氣孔和透氣螺栓由經改進的上箱部透氣裝置(由上蓋板、連接管、自制擋油蓋、鋼絲球和自制帽組成，在連接管的側壁中部開有透氣孔)代替。雖然該改造方法經試驗效果良好，但存在自制帽生銹難以擰開等問題，后采用六角形蓋和油漆解決生銹和難以擰開問題，依然存在連接管中部側面開孔減少了潤滑油膨脹空間、因維修等搬運時易導致潤滑油漏泄、風雨時可能進水、采購時費用較高等問題，不利于推廣使用。

改進的小型裝載機油箱蓋(以下簡稱油箱蓋)如圖2所示，其螺紋內徑44 mm，下表面中部有梅花孔，可從頂部下表面外側透氣，具有良好的透氣和防止淋雨功能，代替原自制帽、連接管的中部側面開孔，還可增加膨脹空間，價格為自制帽[3]的1/4，整個透氣系統的采購價格減少一半。為此，采用小型裝載機油箱蓋(以下簡稱油箱蓋)作為透氣蓋代替原自制帽是合理的選擇。

如圖2 所示，在上蓋板中部開梅花孔代替原改進時自制的擋油蓋，減少透氣部件的復雜性。上蓋板與油箱蓋通過連接管相連，掛槳運轉時，潤滑油因摩擦受熱膨脹，油霧從上蓋板的梅花孔經過帶有鋼絲球的連接管(外徑46 mm、高度50 mm)具有足夠的膨脹空間和冷卻作用，大部分油氣經冷卻凝結形成油滴回到箱體中，少量含油氣體再經油箱蓋頂部中間的梅花孔從蓋頂下表面外側透氣孔排出到大氣。實船安裝如圖3所示。

圖2 最新改進的掛槳上箱體蓋板及透氣帽Fig.2 Latest improved breather cap and cover for upper gear case of oar-hungs

圖3 掛槳上箱部透氣帽實船應用Fig.3 Breather cap for upper gear case of oar-hungs in use on ship

另外，加油時擰開蓋子并取下鋼絲球，因孔徑較大方便看清油位且不易灑出，如果油加較多也便于用虹吸方法等將多余油回收。因維修等搬運掛槳時可采取相同直徑的密封塑料蓋擰緊等措施，不用擔心漏油問題。

2.2 掛槳的尾軸端迷宮密封保護設置

2.2.1 漏油原因分析

江蘇的8.8 kW農用掛槳基本采用蘇州73 型農用掛槳圖紙，根據農用掛槳下箱部裝配圖，結合實際掛槳的下箱部端蓋結構，介紹一種經試驗驗證有效防止漁網等異物纏繞導致尾軸封損壞的迷宮密封裝置。

如圖4所示，原始設計的8.8 kW掛槳尾軸橡膠密封由厚各10 mm的2道橡膠油封和厚5 mm的1道橡膠水封組成接觸式密封，油封和水封(以下簡稱尾軸封)的外徑均為62 mm。尾軸基本直徑30 mm，軸套外徑44 mm、長36 mm。掛槳下箱部尾軸輸出端的端蓋孔徑46 mm。尾軸封與軸套和端蓋徑向緊配合，水封與端蓋軸向緊配合，形成軸向和徑向密封。

圖4 8.8 kW掛槳下箱體尾軸輸出端示意圖Fig.4 Tail-shaft entanglement for lower gear case of 8.8 kW oar-hungs

在正常運轉條件下，2道橡膠油封和1道橡膠水封可保證水不能進入下箱部、潤滑油也不會滲漏入水域。但尾軸長期運轉，尾軸封會逐漸磨損和老化，軸套也因磨損使厚度減薄，導致密封性能被破壞，出現螺旋槳運轉時在槳的推力作用下使水滲入下箱部，如下箱部與上箱部聯通的，油可從上箱部蓋板的透氣孔中不斷冒出；如停止運轉時，則油花緩慢從下箱部附近的水體不斷冒出。

如圖5所示，當螺旋槳處纏繞到水草、漁網、塑料垃圾甚至鐵絲等異物時，將增加尾軸受力過大，加速軸與尾軸封的磨損，導致柴油機噪音增大、轉速降低甚至停機，這時需要停機處理纏繞物。下箱部端蓋孔徑46 mm、軸套外徑44 mm，裝配后的徑向間隙達1 mm，如纏繞較小的漁網等異物(網線直徑一般在0.30 mm左右)，在螺旋槳的旋轉力作用下，容易通過間隙進入端蓋內到達水封處，尾軸封因受力而損壞導致潤滑油滲漏入水體。缺乏潤滑油的有效潤滑，高速旋轉的齒輪和軸承形成干摩擦而損壞。在捕撈密集區，纏繞漁網或水草等異物時有發生。據調研，平均每只掛槳每年因纏繞漁網等導致損壞的達到1次左右，嚴重的地方平均2～3個月遇上一次。纏繞異物導致尾軸封破壞后漏油是掛槳油污染的主要原因，對掛槳密封進行小成本改造是一項經濟有效地解決措施，即在原軸和傳動系統不變的前提下，在水封外側與端蓋處設法設置迷宮密封，用于阻擋異物進入到下箱部內部。

圖5 掛槳下箱體尾軸輸出端纏繞異物Fig.5 Tail-shaft entanglement for lower gear case of oar-hungs

2.2.2 密封改造

軸承的密封既可以防止灰塵、水或其他異物侵入軸承內部，還可以減少潤滑劑的泄漏[22]。迷宮密封具有結構簡單、使用方便、性價比高、工作可靠等優點[23]。在非接觸式密封中，迷宮密封在航天領域、航海領域、民用領域等流體機械中廣泛應用[22-26]。在選擇軸承密封裝置時，根據軸承工況和環境，既可以使用單一的密封結構，也可以采用組合形式[22]。

8.8 kW農用掛槳下箱部裝配圖的尾軸封端蓋軸孔處厚度約15 mm、端蓋與螺旋槳間隙為約6～9 mm，而當前實際端蓋軸孔處厚8 mm，油封至端蓋外緣的距離與原軸套的長度相當(即36 mm)，槳轂與端蓋的實際間隙達13～16 mm，為增設迷宮裝置留有空間。如圖6所示，在圖4的基礎上，通過在原尾軸封的外部增設內擋板和外擋板，并與軸套、軸和水封及端蓋等形成迷宮，對尾軸橡膠封裝置進行保護，將原單一的接觸式密封改變為接觸式密封和非接觸式迷宮密封的組合密封。

(1)內擋板的設置

如圖6所示，軸套原直徑44 mm不變，長度由36 mm向箱體內減少到29 mm。在原水封外側新增一道厚5 mm橡膠水封用于保護原尾軸封，尾軸封的軸向長度合計30 mm，較軸套長1 mm。在新增的水封外側再增設一塊厚約2.75 mm、內孔徑30.20～30.30 mm、外徑62 mm的鋼質內擋板(與軸、軸套不直接接觸)。內擋板與軸形成0.10～0.15 mm的徑向間隙。內擋板主要用于直接阻擋如網線等較小異物入侵，使水封不直接受力，達到直接保護尾軸封的目的。新增的水封和內擋板厚度合計約7.75 mm，因此原端蓋已不能容納改裝后的尾軸封裝置，需要根據新增橡膠水封和內墊塊的增加厚度重新澆鑄和加工。

圖6 8.8 kW掛槳下箱體尾軸輸出端改造示意圖Fig.6 Tail-shaft entanglement for lower gear case of 8.8 kW oar-hungs

(2)外擋板的設置

如圖6所示，為防止內擋板與較大異物直接接觸而損壞，在尾軸的椎體部位設置外徑為44 mm、內徑約29.9 mm、厚度8 mm的鋼質外擋板(厚度根據實際可適當減薄，裝配時與軸過盈配合)，與內擋板保留1～2 mm的間隙，防止二者直接接觸產生摩擦。油封、水封、內擋板直至外擋板外緣(高出端蓋外緣1～2 mm)距離大約43 mm，與原油封至端蓋的軸向長度36 mm相比，長度增加了近7 mm，即槳轂與外擋板7的間隙由改造前13～16 mm減少到6～9 mm的原始設計間隙，不影響螺旋槳的安裝與運轉。

(3)迷宮的組成與作用

設置的迷宮由軸、軸套、新增水封、端蓋、內擋板及外擋板組成，為4個連通的腔室迷宮：(1)外擋板與端蓋形成6～7 mm軸向間隙和1 mm徑向間隙的腔室1；(2)外擋板與內擋板形成1～2 mm軸向間隙和軸與端蓋形成8 mm徑向間隙組成的腔室2；(3)內擋板與軸之間形成約2.75 mm軸向間隙和0.10～0.15 mm徑向間隙的腔室3；(4)縮短的軸套與內擋板形成1 mm軸向間隙和新增水封與軸形成7 mm徑向間隙的腔室4。腔室1與腔室2防止直徑超過1 mm以上的異物進入腔室，腔室3主要是防止直徑超過0.2 mm的異物進入腔室，腔室4對進入小于0.2 mm的異物再次曲折。異物即使能與新增水封接觸，但因其直徑過小且經過4個腔室的曲折后對橡膠軸承破壞能力基本喪失。設計的迷宮密封裝置在尾軸封損壞(如長期使用導致的老化和磨損等)導致滲漏油時還可減緩滲漏油速度，為返港維修爭取時間。

由上述分析，較大異物可被外擋板阻擋，較小異物有內擋板阻擋，更小異物進入由4個相互連通的腔室組成的迷宮后失去破壞能力。除遇到特殊情況，在迷宮裝置的保護下，異物基本無法對尾軸橡膠密封形成實質性損壞。

與8.8 kW相比，14.7 kW農用掛槳圖紙的結構形式完全相同，在結構尺寸上，軸套的長度與8.8 kW的掛槳相同，軸向間隙基本不變；尾軸直徑35 mm(較8.8 kW掛槳增加5 mm)，軸套外徑44 mm不變，增加的水封內徑和內擋板的孔徑改為35 mm、外擋板內徑約34.9 mm，其他徑向尺寸不變。因此徑向間隙因尾軸直徑增大而相應減小，改進方法與8.8 kW的掛槳相同。

3 改進后的應用驗證

3.1 推廣試驗方案

掛槳經過初步改進運行試驗取得成功后，分別在江蘇興化和洪澤兩地對60只掛槳進行防油污試驗性改造推廣。30艘興化漁船均為單機單槳、功率8.8 kW的刺網漁船，其中玻璃鋼25艘、鋼質5艘。20艘洪澤掛槳漁船均為鋼質，其中雙機雙槳的刺網漁船13艘、三機三槳及以上的拖網漁船7艘，其中1艘掛槳多達6只。考慮到推廣面和可比性，一艘漁船掛槳改造數量不超過2臺。船齡、船長范圍及改造槳、掛槳型號等見表2。

表2 試驗樣船分布情況Tab.2 Distribution of the test sample boats

3.2 驗證方法及結果

洪澤20艘漁船上的20臺14.7 kW和10臺8.8 kW的兩種掛槳機按照本研究方案改造，興化30艘的30臺8.8 kW的掛槳機除透氣裝置采用李勝勇等[3]的方法改造外，其他改造相同。改造后的漁船進行正常的捕撈作業，記錄首次開機時間，試驗期間觀察并記錄發生滲漏油位置和螺旋槳纏繞頻次及軸封裝置是否損壞漏油等信息。經過為期9個月左右的實船驗證試驗[21]，對比技術改進前后滲漏油情況，以驗證上述技術改進對解決漁船掛槳滲漏油問題的有效性。

試驗觀察階段，洪澤20艘漁船因休漁期影響，實際平均運行了90 d；30臺掛槳的上、下箱體無明顯滲漏油現象；30臺掛槳共發生水草纏繞螺旋槳現象92次[21]，平均每臺在試驗期內發生纏繞水草現象3次。興化30艘漁船平均運行了254 d，僅2艘船的掛槳的皮帶輪處端部因鑄造缺陷滲油，其他漁船掛槳無明顯滲漏油現象；30臺掛槳共發生水草纏繞螺旋槳現象27次[21]，平均每臺在試驗期內發生纏繞水草現象1次。對比技術改進前，螺旋槳被纏繞的頻率為2～10次/d，改進效果明顯。同時，通過此優化設計后，當螺旋槳不慎被水草或繩索等雜物纏繞時，通過倒車即可使螺旋槳輕松卸去雜物，且不會破壞軸封進而避免了滲漏油問題的產生。漁船掛槳改造前后滲漏油情況對比如表3所示。

表3 漁船掛槳改造前后滲漏油情況對比Tab.3 Comparison of oil leakage in the oar-hungs before and after improvement

試驗數據采集后，繼續觀測改造60只槳的運行情況。洪澤的20艘漁船30只掛槳因江蘇省捕撈政策調整，于2020年10月1日起退出捕撈，退出前平均每臺共運行約180 d，未發現明顯的滲漏油現象。興化的30艘漁船經2年的運行，防油滲漏效果依然良好。

3.3 改造費用及推廣情況

本研究的掛槳改造材料費用、改造施工費分別約為新掛槳價格的22%、11%，即改造原有槳大約需要33%的新掛槳費用。如新生產槳時即采用相關技術，扣除原零部件的費用和批量加工等因素，則新的槳生產成本增加約10%。本改造技術的成本與實現的防油污染能力的提高而言，基本實現以小技術革新推動水域生態環境建設的目的。上述技術改進措施及李勝勇等[3]的吸油氈集油盤已進一步推廣應用至江蘇省的常熟、興化的另外180艘內河掛槳漁船的掛槳改造，為江蘇有效降低河流湖泊的漁船油污染邁出堅實的一步。

4 建議

由于有關船舶防污染標準[27]、漁船檢驗技術規則[28-30]未納入掛槳尾軸密封保護等內容，建議有關部門制定相關防污染標準或檢驗規則時，將透氣口、尾軸封保護裝置等技術要求等納入其中，便于改善掛槳漁船油污染對環境的影響。江蘇尚存約3.1萬艘掛槳漁船，約5萬只掛槳機，掛槳防污染改造大約需要2 000萬元經費，如改造完成每年可減少近300 t污油泄漏，建議財政部門加大對掛槳漁船防污染技術改進的政策支持。

5 結論

針對漁船掛槳機漏油問題，在漁船掛槳機滲漏油處，設置了上箱體上蓋板透氣孔、下箱體尾軸輸出端迷宮軸封保護裝置；在上箱體搖臂處增設O型墊圈；以及用角接觸軸承代替原球軸承，氟橡膠軸封代替原丁腈橡膠軸封等防滲漏油的技術改進措施。經試驗驗證，使用效果顯著，值得進一步推廣應用。

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