新造港作拖輪主動(dòng)力裝置的選型研究

賈志超

（河北港口集團(tuán)秦皇島港股份有限公司，河北秦皇島 066000）

0 引言

拖輪是指用來(lái)拖動(dòng)駁船和輪船的特種作業(yè)船舶。拖輪的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)牢固、穩(wěn)定性好、船身小、牽引力大、操縱性能良好。按照使用地區(qū)的不同，拖輪可分為遠(yuǎn)洋拖輪、內(nèi)河拖輪、沿海拖輪、港作拖輪、海洋救援拖輪等種類。拖輪根據(jù)不同的用途需要配備專業(yè)的拖拽設(shè)備和配套的動(dòng)力裝置。拖輪的動(dòng)力裝置主要包括主柴油機(jī)、發(fā)電柴油機(jī)組、齒輪箱及傳動(dòng)軸系、推進(jìn)舵槳、輔助機(jī)械設(shè)備等。拖輪產(chǎn)生拖力的過(guò)程是主柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)出功率，通過(guò)齒輪箱及軸系驅(qū)動(dòng)螺旋槳推進(jìn)器產(chǎn)生推力，再通過(guò)拖拽設(shè)備上的纜繩將力傳遞給被拖船只，使被拖船只按照既定的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。

1 主動(dòng)力裝置

決定拖輪性能的是主柴油機(jī)、齒輪箱及軸系和推進(jìn)舵槳，統(tǒng)稱主動(dòng)力裝置。尤其是對(duì)于港作拖輪，無(wú)論是采購(gòu)成本還是運(yùn)營(yíng)消耗費(fèi)用和日常維護(hù)管理投入工作量，主動(dòng)力裝置都占主導(dǎo)地位，因此港作拖輪的主動(dòng)力裝置是船舶的重中之重。對(duì)主動(dòng)力裝置的基本要求包括以下3 項(xiàng)：①可靠性：是指主動(dòng)力裝置在預(yù)定的運(yùn)行條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的能力，對(duì)船舶來(lái)說(shuō)具有特別重要的意義，是船舶安全航行的基礎(chǔ)。可靠性不足會(huì)影響船舶的安全運(yùn)行，額外增加維修工作量，長(zhǎng)時(shí)間停航修理，降低拖輪的經(jīng)濟(jì)效益；②機(jī)動(dòng)靈活性：指改變船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的靈活性，主要取決于主動(dòng)力裝置的機(jī)動(dòng)性及可操作性。港作拖輪就是利用自身“個(gè)子小、力氣大、靈活機(jī)動(dòng)”的特點(diǎn)為大型貨船服務(wù)，拖輪機(jī)動(dòng)、靈活性好可以快速響應(yīng)駕駛員的每一個(gè)動(dòng)作指令，為船舶安全靠港提供良好的保障；③節(jié)能環(huán)保：主柴油機(jī)和舵槳作為港作拖輪的主動(dòng)力裝置，也是聯(lián)系最為緊密的兩套裝置，機(jī)槳匹配性的好壞關(guān)系到拖輪節(jié)能減排的程度，在保證動(dòng)力的前提下，節(jié)能也是一個(gè)重要的指標(biāo)，節(jié)能意味著同樣的功率下消耗少、排放少、熱效率高、廢氣污染小。

2 主機(jī)、舵槳的選擇

船用主柴油機(jī)根據(jù)類型、功率的不同，適用于不同的工作場(chǎng)合。港作拖輪主要在港口協(xié)助貨船靠離泊作業(yè)，頂推萬(wàn)噸巨輪，要求主柴油機(jī)功率足夠大，并且要滿足啟動(dòng)和操作迅速、單位體積功率大、空間占比小等要求，同時(shí)考慮到貨船大型化、專業(yè)化的發(fā)展趨勢(shì)以及國(guó)內(nèi)搶險(xiǎn)救助和可能開(kāi)展的沿海拖帶作業(yè)任務(wù)的需求，確定直列四沖程、四氣閥中速筒形柴油機(jī)作為拖輪主柴油機(jī)的首選。為了滿足港作拖輪操作的機(jī)動(dòng)性及靈活性，舵槳選用舵和槳組合一體的全回轉(zhuǎn)Z 形推進(jìn)器，操作控制系統(tǒng)為雙手柄控制。我國(guó)現(xiàn)有成型的船用柴油機(jī)及Z 形全回轉(zhuǎn)舵槳在主要技術(shù)指標(biāo)方面，如燃油消耗率、強(qiáng)度載荷以及某些重要的配套部件（噴油元件、耐磨損零件、密封元件等）的可靠性與國(guó)際先進(jìn)機(jī)型相比還存在一定的差距。因此秦皇島港股份有限公司建造的拖輪在選擇主推進(jìn)裝置時(shí)采用國(guó)際招標(biāo)，優(yōu)選全球范圍內(nèi)性價(jià)比最高的設(shè)備。

2.1 主機(jī)功率

隨著海運(yùn)輸船舶大型化、專業(yè)化的發(fā)展趨勢(shì)，港口配套拖輪的功率也需要越來(lái)越大，在確定貨船所需拖輪的功率和艘數(shù)時(shí)，應(yīng)充分考慮影響靠泊的各種因素，可使用下述方法初步選擇拖輪主柴油機(jī)功率。

協(xié)助船舶靠離泊位時(shí)所需最大拖輪功率的計(jì)算依據(jù)為克服推船入泊時(shí)的水阻力和克服推船入泊時(shí)的橫風(fēng)流影響兩項(xiàng)，及拖輪所應(yīng)提供的總推力。計(jì)算公式：

式中：ρw為海水密度，ρa(bǔ)為空氣密度，Cwy是橫向水動(dòng)力系數(shù)，Cay是橫向水風(fēng)力系數(shù)，L 為船舶兩柱間長(zhǎng)（m），Ba為水線以上船體側(cè)面積（m2），d 是船舶吃水深度，va是相對(duì)風(fēng)速，vc是橫向流開(kāi)，vc是橫向流速。根據(jù)計(jì)算式可以簡(jiǎn)單計(jì)算出船舶噸位與所需拖輪功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系（表1）。

表1 船舶噸位與拖輪功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

秦皇島港是具有百年經(jīng)營(yíng)歷史、以能源運(yùn)輸為主的綜合性國(guó)際貿(mào)易港口，為當(dāng)今世界最大的煤炭輸出港和干散貨港。主要經(jīng)營(yíng)港口裝卸、堆存、倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)葮I(yè)務(wù)，以煤炭、礦石為主要經(jīng)營(yíng)貨種，同時(shí)經(jīng)營(yíng)油品、液體化工、其他雜貨、集裝箱等貨種，擁有多個(gè)10 萬(wàn)噸級(jí)泊位，按照港航管理部門(mén)的拖輪配置指導(dǎo)意見(jiàn)，10 萬(wàn)噸級(jí)船舶靠離泊需配備3 艘拖輪協(xié)助，拖輪功率不低于3000 kW。因此初步選定功率為2×1840 kW（5000 馬力）船用中速柴油機(jī)作為拖輪的主柴油機(jī)。機(jī)型為直列式、四氣閥、四沖程渦輪增壓中速柴油機(jī)，額定轉(zhuǎn)速750 r/min，缸徑280 mm，活塞沖程370 mm，最高爆發(fā)壓力14.7 MPa，額定燃油消耗率191 g/（kW·h），柴油機(jī)出廠前要做相關(guān)測(cè)試，車間試驗(yàn)數(shù)據(jù)要測(cè)試主柴油機(jī)的額定轉(zhuǎn)速、最高爆發(fā)壓力、油耗率及耗油量等關(guān)鍵參數(shù)和轉(zhuǎn)速或負(fù)荷的變量關(guān)系。

2.2 舵槳的選型

拖輪的舵槳又稱旋回機(jī)，是港作拖輪拖力輸出核心（頂托大船進(jìn)行作業(yè)）的系統(tǒng)支撐，拖輪依靠螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力，推力的方向可以隨舵的轉(zhuǎn)動(dòng)而改變，也是拖輪主動(dòng)力裝置選型優(yōu)化研究中的重點(diǎn)所在。目前港作拖輪一般選用機(jī)械推進(jìn)方式中全回轉(zhuǎn)Z 形舵槳。Z 形舵槳是通過(guò)上齒輪箱和下齒輪箱內(nèi)的傘形嚙合齒輪傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)，上下齒輪箱之間采用立軸傳動(dòng)，螺旋槳在導(dǎo)流管內(nèi)旋轉(zhuǎn)，可隨導(dǎo)流管進(jìn)行360°的回旋，從而改變螺旋槳的推力方向。這種推進(jìn)系統(tǒng)大大提高了拖輪的機(jī)動(dòng)性能，兩臺(tái)旋回機(jī)配合使用可使船舶實(shí)現(xiàn)原地地回轉(zhuǎn)、橫向移動(dòng)、快速進(jìn)退及微速航行，能隨位置的變化任意改變推力的方向。秦皇島港建造的拖輪采用日本某公司的Z 形推進(jìn)裝置，型號(hào)為ZP-41A，該型號(hào)旋回機(jī)帶液壓滑差式離合器，主機(jī)怠速時(shí)螺旋槳轉(zhuǎn)速可以在50～150 r/min 靈活調(diào)整，減速比為2.881，定距槳4 葉槳，螺旋槳直徑2500 mm，螺距2220 mm，額定推力65 t，圖1 為全回轉(zhuǎn)舵槳結(jié)構(gòu)示意。

圖1 全回轉(zhuǎn)舵槳結(jié)構(gòu)示意

3 主機(jī)、舵槳的選型優(yōu)勢(shì)

此次秦皇島港建造的拖輪采用新瀉6L28HX 型柴油機(jī)搭配新瀉ZP-41A 型舵槳，雙機(jī)雙槳型布局。主機(jī)與舵槳之間采用中間軸連接，主機(jī)飛輪輸出端采用蓋斯林格彈性聯(lián)軸器連接中間軸，舵槳輸入端采用滑差式離合器連接。

3.1 主機(jī)選型優(yōu)勢(shì)

（1）新瀉6L28HX 型柴油機(jī)是新一代高增壓、長(zhǎng)行程四沖程中速柴油機(jī)，該機(jī)型是環(huán)保節(jié)能型發(fā)動(dòng)機(jī)，額定耗油率為191 g/（kW·h）。國(guó)內(nèi)同樣功率范圍的柴油機(jī)額定耗油率約為200 g/（kW·h），國(guó)外某知名品牌柴油機(jī)的耗油率為197 g/（kW·h）。按照額定耗油率計(jì)算，該船主機(jī)每運(yùn)轉(zhuǎn)1 h 節(jié)省燃油22.08 kg，按照秦皇島港股份有限公司拖輪作業(yè)時(shí)間統(tǒng)計(jì)，每條主力拖輪每年運(yùn)轉(zhuǎn)3000 h，節(jié)省燃油66 240 kg，拖輪的使用年限約為30 年，該型船舶在全壽命周期內(nèi)約節(jié)省燃油1986 t。主機(jī)啟動(dòng)方式為壓縮空氣分配器啟動(dòng)，這種啟動(dòng)方式是壓縮空氣直接進(jìn)入氣缸驅(qū)動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，啟動(dòng)更加迅速可靠。主機(jī)調(diào)速方式采用全制式液壓調(diào)速器，轉(zhuǎn)速根據(jù)需求響應(yīng)快速穩(wěn)定。

（2）隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，船舶作為水上主要運(yùn)輸工具也是主要的污染源，對(duì)柴油機(jī)尾氣排放的要求越來(lái)越高，控制排放已成為推進(jìn)船用柴油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)最重要的驅(qū)動(dòng)力。新瀉6L28HX 機(jī)型柴油機(jī)通過(guò)調(diào)整噴油提前角改善燃燒環(huán)境，可降低廢氣氮氧化物排放。通過(guò)增加缸套冷卻水電加熱系統(tǒng)，提高啟動(dòng)性的同時(shí)控制柴油機(jī)低溫環(huán)境的尾氣污染物排放等，通過(guò)一系列改進(jìn)及優(yōu)化，該型柴油機(jī)排放完全滿足國(guó)內(nèi)最新GB 15097—2016《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第一、二階段）》的排放要求。

3.2 舵槳選型優(yōu)勢(shì)

（1）ZP-41A 型全回轉(zhuǎn)舵槳采用滑差式離合器，滑差式離合器依靠摩擦副間的油性黏膜傳遞力矩，在處于滑差時(shí)，主、副摩擦片不直接接觸，是一種可變速比的傳動(dòng)裝置，可以在主機(jī)怠速工況下實(shí)現(xiàn)螺旋槳50～150 r/min 的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)航速的超微速無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。當(dāng)操作手柄越過(guò)滑差階段時(shí)，離合器完全和排，螺旋槳按一定的減速比旋轉(zhuǎn)，輸出穩(wěn)定的功率。船舶采用滑差式離合器舵槳，在需要小功率輸出時(shí)可以通過(guò)離合器調(diào)控螺旋槳轉(zhuǎn)速輸入，相比其他形式操縱更加靈活、穩(wěn)定，尤其是在需要小功率輸出時(shí)，可以使用滑差式離合，避免螺旋槳對(duì)吹的功率損耗，從而更加節(jié)能，同時(shí)避免離合器脫開(kāi)沖擊產(chǎn)生的振動(dòng)。

（2）該型號(hào)舵槳的螺旋槳與艉軸采用無(wú)鍵連接方式，結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)滿足船檢申請(qǐng)“艉軸滑油狀態(tài)監(jiān)測(cè)”的條件。艉軸滑油狀態(tài)監(jiān)測(cè)是對(duì)艉管滑油定期取樣，送交由船級(jí)社認(rèn)可的專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試分析，確定滑油狀態(tài)，判斷艉軸各部件的磨損程度，在不拆解艉軸的情況下對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行循環(huán)監(jiān)控。辦理艉軸滑油狀態(tài)監(jiān)測(cè)后，船舶的艉軸檢驗(yàn)周期由每5 年進(jìn)行一次延長(zhǎng)為每15 年一次，節(jié)省維修時(shí)間和維修成本。

3.3 機(jī)槳配合優(yōu)勢(shì)

6L28HX 型柴油機(jī)和ZP41 型舵槳都是日本新瀉公司生產(chǎn)，在選型上采用同一公司產(chǎn)品具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）控制操作更加靈活可靠，船舶主機(jī)的加減速是依靠舵槳的操作手柄進(jìn)行控制，舵槳與主機(jī)之間采用數(shù)字信號(hào)通信，采用同一個(gè)公司的產(chǎn)品控制通信接口更加安全可靠，控制操作更加流暢。

（2）舵槳類型、功率輸出曲線與主機(jī)型號(hào)相匹配，主機(jī)能完全滿足舵槳的各種工作特性，同時(shí)主機(jī)功率通過(guò)舵槳傳輸，可以選擇最好的特性匹配，推進(jìn)效率更高，達(dá)到拖力和船速的最大平衡。

4 結(jié)語(yǔ)

港作拖輪具有“個(gè)子小、力氣大、靈活機(jī)動(dòng)”的特點(diǎn)，是港口運(yùn)營(yíng)不可缺少的特種作業(yè)船只。港作拖輪的主動(dòng)力裝置是成本占比最高的機(jī)械設(shè)備，其性能不僅影響拖輪的使用壽命，而且決定港作拖輪的工作效率與利用率，同時(shí)影響節(jié)能環(huán)保效益，因此，一套匹配性優(yōu)良的主動(dòng)力裝置對(duì)于港作拖輪的選型制造至關(guān)重要。