某拖船倒車熄火故障原因分析及解決方案

尹金輝 楊濤 李珍 王國壯

摘? ? 要：船舶航行過程中往往需進行倒車操作，且偶有緊急倒車動作。船舶航行倒車嚙合瞬間往往其螺旋槳正處于反向轉動狀態，其與陸上行駛的汽車倒車瞬時狀態炯然不同，其倒車合排時，推進主機需克服巨大的軸系反轉瞬間扭矩峰值，因此船舶倒車更易發生主機熄火現象。船舶航行過程中，如果出現倒車熄火，將易引起撞船、擱淺等重大事故安全隱患，應極力避免。本文將以某型拖船為例，分析倒車熄火原因，提出解決方案建議。

關鍵詞：電子遙控；倒車；主機熄火；原因分析；解決方案

中圖分類號：U664.12 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Reason Analysis of M/E Stall Accident While Reverse

and Solution Proposal Based on A Tugboat

YIN Jinhui1， YANG Tao2， LI Zhen2， WANG Guozhuang2

（ 1. CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Company Ltd.， Guangzhou 510715;? 2.Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： The ships should be often operated with astern control during sailing， and emergency reversal operation occurs accidentally. For ships， the astern operation condition is quite different from automobile， because the ships propeller is often rotating while operating reversely. The main Engine （M/E） need overcome a big counter-torque peak at reverse engaging from shafting， so it happens easily that the M/E would stall while operating reversely. The potential safety hazards e.g. ship collision， stranding etc will exist if its M/E stalls at reverse operation when ship is sailing， which should be avoided as much as possible. This paper will analyze the cause of M/E stall during reverse operation by taking a type of tugboat as an example， and propose some solutions.

Key words： Electronic Remote Control;? Astern; M/E Stall;? Cause Analysis;? Solution

1? ? ?前言

船舶倒車操縱瞬間往往船舶仍具有一定航速，螺旋槳正處于正轉狀態，其與陸上行駛的汽車操縱瞬間狀態炯然不同，為此要求船舶推進系統需具有更好的操縱性。如果船舶航行時出現倒車熄火或倒車動作異常遲緩等現象，均易引起船舶航行安全隱患。尤其是倒車熄火問題應極力避免，因其可能造成撞船、擱淺等重大安全事故。本文將以某型拖船為例，分析船舶航行倒車熄火原因，提出解決方案。

2? ? 船舶概況

本拖船主要用于沿海港域內作業，采用雙機雙槳的推進系統，駕駛室遙控操縱；主機為船用高速柴油機，通過彈性聯軸節、減速齒輪箱、軸驅動定距螺旋槳。

（1）船舶主要參數

船長 ? ? ? ? ? ?～21 m

系柱拖力? ? ? ? ～13 t

設計航速? ? ? ? 12 kn

（2）主機

功率? ? ? ? ? ? ? ? ?～500 kW

轉速? ? ? ? ? ? ? ? ?2 100 r/min

出廠怠速? ? ? ? ～650 r/min

（3）齒輪箱

船用倒順離合齒輪箱，其輸入端經彈性聯軸器與主機聯接，減速比：4：1

（4）遙控系統

本船主推進遙控系統為電子控制模塊，電子控制柴油/空氣比率，主機、齒輪箱及其遙控系統成套供貨。

3? ? 故障情況

本型船共兩艘，經系泊及航行試驗檢測其性能指標達到設計要求，均已交付船東使用，但使用不久兩艘船均出現以下同樣問題：

（1）當船舶前行航速接近 7.5 kn時，操作倒車主機容易出現熄火問題；

（2）當航速大于 9 kn時，緊急操作（把手柄迅速拉到底）主機容易出現熄火問題。

根據船東反饋情況，有關責任單位組織人員對實船進行操作試驗。試驗是在順風順水直線航行條件下，進行多種工況正車-倒車操作試驗。試驗發現，在正常航行時，主機能夠達到額定轉速，且在航速小于7.5 kn時進行手動快速倒車操作，主機運行正常沒有發生熄火；而當航速大于 7.5 kn時，進行手動快速倒車操作容易導致主機熄火，但按操作手冊對主推進裝置進行緊急倒車操作時，未出現主機熄火現象。試驗過程中，主機滑油壓力/溫度、冷卻水溫度、排氣溫度及齒輪箱的滑油壓力/溫度和工作油壓力等參數均正常。

試驗方法：在相對平靜的水域條件下，船舶直線航行航速穩定在7.5 kn后，操作手柄移動到空擋位置，并在空擋位置停留約10 s，待航速下降后再將手柄撥至后退檔合排，同時把手柄往加速方向拉。在合排動作瞬間，主機轉速降到300 r/min左右，主機負荷率達到70%，加速后主機轉速回到怠速，主機未出現熄火；將主機怠速由650 r/min提高到700 r/min，其試驗結果相似。

4? ? 故障原因分析

基于上述試驗現象，分析判斷可能是由于倒車動作瞬間，軸系倒車所產生的扭矩或功率超過主機發出的扭矩或功率所致，其可能原因為：

（1）軸系線不對中，軸與軸承間的摩擦力過大；

（2）螺旋槳葉變形，所產生的扭矩超過設計值；

（3）螺旋槳軸被漁網纏繞，軸系轉動阻力過大；

（4）柴油機燃油供油不足，在倒車工況點主機的扭矩/功率達不到設定值；

（5）本船為拖船，其螺旋槳設計以滿足推力/拖力要求為準，同功率下拖船的螺旋槳慣性矩通常比高速船的大，所以主機需克服更高的瞬間反轉扭矩/功率峰值，要求更緩慢手動換向操作。如船員操縱不當，使槳在高速正向旋轉狀態下強力反轉，主機需克服過高的瞬間反轉扭矩/功率峰值而引起熄火；

（6）如螺旋槳過重，倒車合排瞬間螺旋槳的扭矩/功率超過主機能發出的扭矩/功率，導致主機掉速過大，引起熄火；

（7）控制程序與船舶特點不吻合，在系統執行倒車嚙合時，該轉速點的軸系瞬間反轉力矩/功率超過主機發出的功率/扭矩而引起熄火。

5? ? 故障原因排查方法

基于上述原因分析，需對其逐個排查，排查方法如下：

（1）軸系線不對中

檢查軸系振動情況、軸承溫度是否正常、軸系運行是否有異常響聲。經查本船無異常，本條可以排除；

（2）螺旋槳槳葉變形

檢查航行時推進水尾流情況、尾部船體振動是否異常、是否有異常響聲、航速是否有較大變化。經查本船無異常，本條可以排除；

（3）螺旋槳軸被漁網纏繞

檢查主機能否正車拉到額定轉速、檢查軸系冷卻水壓力是否有較大升高。經查本船無異常，本條可以排除；

（4）柴油機供油不足

檢查供油管路是否正常、燃油濾器是否堵塞、油管路是否有過量積水、主機自身的供油系統是否正常、系泊狀態進行倒車操作其工作是否正常。

本船全速航行時，主機油門信號100%，主機轉速2139 r/min，轉速在額定轉速以上，負荷率為97%，輸出功率完全滿足螺旋槳所需功率，各項運行參數正常。沒有異常報警故障，本條可以排除；

（5）船員操縱不當

核查船舶操作員是否經過培訓，并有一定駕船經驗；參照主機遙控系統操作說明書，對比船員操作方法是否得當。經查本船操作員具有資格證書，通過視屏觀察，其操作方法無異常，本條可以排除；

（6）螺旋槳與主機特性不匹配

檢查船舶在設計航速航行工況主機滑油溫度、冷卻水溫度、排氣溫度是否過高、柴油機氣缸爆發壓力是否超標、對比分析螺旋槳特性曲線與主機推進特性曲線吻合度。

經查螺旋槳特性曲線與主機廠家建議的螺旋槳功率特性曲線基本吻合；在主機轉速700 r/min時，螺旋槳的所需功率約為20 kW，而主機能發出的功率可達到約83 kW，主機能力約為螺旋槳所需功率的4倍，具有足夠余量。其機槳匹配性可滿足使用要求，本條可以排除；

（7）遙控系統工作程序

對主機控制系統使用說明書或工作原理進行研究，了解其對主機、齒輪箱的控制基本原理，掌握其實船設置、調試方法。經調研，本船遙控系統廠家對用戶提出了如下要求：

① 應根據每艘船的特點，其控制倒車換向的時間和換向模式應在航行試驗期間進行調試，在船舶操縱前應根據實際情況對該系統定義的C2和C3功能碼中的內容作適當調整，否則可能會引起發動機熄火問題；

② C2功能碼設置

C2功能碼可以選擇設定00、01、02三個不同的數字，其分別表示不同的延時控制程序：

00—表示齒輪箱嚙合狀態下延時，其延時時間由油門控制手柄的初始位置自動按比例確定。其控制程序為：油門位置降到怠速→齒輪箱保持前進或倒車嚙合狀態→控制系統按油門控制手柄的初始位置自動按比例延時結束→齒輪箱反向合排→油門移動到控制手柄所在位置；

01—表示空檔延時，其延時時間由油門控制手柄的初始位置自動按比例確定。其控制程序為：油門位置降到怠速→齒輪箱脫排處于空檔狀態→控制系統按油門控制手柄的初始位置自動按比例延時結束→齒輪箱反向合排→油門移動到控制手柄所在位置；

02—表示固定空檔延時，其延時時間由C3設定的參數確定。其控制程序為：油門位置降到怠速→齒輪箱脫排處于空檔狀態→控制系統在此點延時，其延時時間基于C3的參數按轉速比例計算（與油門初始位置無關）→齒輪箱反向合排→油門移動到控制手柄所在位置。

③ C3功能碼設置

如果實船選用上述的C2-02功能模式，則應用C3功能碼設定延時時間。確定C3所需設定參數的方法為：

將油門手柄置于全速前進位置→保持此位置60 s以上，且船舶已達到最大航速 →快速將油門手柄撥到前進怠速或空檔位置，同時用秒表開始計時→當主機轉速到達怠速，且船舶航速降到2 kn以內，秒表計時結束，記錄所測時間→將秒表記錄時間預先設定到C3功能碼中→通過航行試驗核實各工況是否存在主機熄火問題。

廠家資料表明，該主機遙控的C3設定值為0～99s，出廠的設定值為4 s；

經上述排查，發現本船的遙控系統選擇上述C2-02模式，而C3的設定值為出廠默認值4 s，未曾以試驗方法進行重新修訂，其程序控制延時時間過短，造成船舶航行倒車合排時的扭矩峰值過大，從而引起其主機倒車熄火。

6? ? ?解決方案

6.1? ?建議方案

（1） 方案一

① 改進緊急倒車操作方法

當船舶遇到緊急情況需要倒車急停，這時無論在任何航速，應立刻把操作手柄迅速往后拉到底，一個動作連貫操作，在緊急倒車操作時不應出現停頓，動作要迅速和連貫；

②? 改進手動倒車操作方法

在船舶有足夠的安全距離的情況下，進行倒車操作。船在前進狀態下，將操作手柄拉到空擋，停留約8 s，再將操作手柄入倒車檔接排。在操作倒車檔時，應將操作手柄往加速方向拉，適當加速以增加進檔時的扭力，并注意以下兩點：

8 s停留空檔時間是在初始前進穩定航速在7.5 kn的情況下，如初始前進穩定航速在7.5 kn以上，則應該相應增加停留時間，反之則相應減少停留時間。如初始前進穩定航速2 kn以內，則中間僅需停留1～2 s。

操作倒車進檔前應盡量降低航速，避免接近航速極限值操作。應把操作手柄拉到空檔停頓，使船在沒有動力下降低航速，然后再操作倒車進檔。如操作過快，會導致螺旋槳慣性大于主機進檔扭力，主機容易出現熄火，所以應把操作手柄拉到空檔，降低航速后再倒車進檔。

該方案的手動操作程序復雜，需船員長時間練習才可掌握，且操作某個環節稍有不當亦易發生熄火問題，往往船東難以接受。

（2）方案二

選擇C2-00模式。該方案是齒輪箱離合嚙合狀態下降速模式，即主機與軸系同步降速，直到按油門初始位置延時后自動換向。

（3） 方案三

選擇C2-02 +按標準程序確定C3參數模式。按上述C3功能碼設置方法確定延時參數，設置 C3功能碼的延時時間。本船據此確定的C3參數為30，經調整后試驗，船舶全速航行工況下緊急倒車時間為20～25 s，其手動操作和緊急操作主機倒車均未出現熄火現象。但用戶認為，本船倒車動作反應時間過長，船舶亦存在操作安全隱患，船東亦不愿接受。

（4）方案四

選擇C2-02 +按需要設定C3參數模式。基于實船試驗所測得倒車反應時間參數，根據需要適當修正C3原設定的參數。其修正方法是：C3的參數減小，倒車反應時間變短；反之倒車反應時間變長。需提醒注意的是，倒車反應時間不宜調整得過短，否則齒輪箱將承受較大的沖擊力，并伴有熄火風險。本文推薦船舶倒車平均延時時間為10～15 s。

6.2? ?解決方案

本船船東要求全速航行工況下，其緊急倒車反應時間應不大于15 s。為此，本船選擇上述方案四。

基于前期調試數據，將本船的C3參數減小，由30調整為25，其它參數按說明書要求作匹配性調整，參數修正后分別在無風和有風環境下進行了航行試驗。

從航行試驗記錄的數據可知：倒車延時時間與撥動油門手柄的速度、航道水流方向及水面風力情況等因素有關。

7? ? 結束語

事實表明，采船用電子式主推進遙控系統，可根據各船舶特點進行適應性調整，并經航行試驗驗證其合理性；合理選擇控制模式或調整遙控系統中程式的相關參數，可以改變主機合排延時時間，以獲得合理而適用的自動控制程序，提高船舶操縱性，避免熄火故障發生；調整前，應仔細閱讀、理解遙控系統相關資料，掌握其正確的調整、設置方法，選擇合理的合排延時時間，既能保證船舶安全駕駛，又可避免軸系換向對主機/齒輪箱產生過大反沖擊力；此外，緊急倒車時，其控制手柄的移動速度對主機合排延時時間具有較大影響，需操作員在實際使用中認真體會、掌握，但無論如何，控制系統應能保證緊急倒車操作不會出現主機熄火現象。

作者簡介：尹金輝（1978-），男，高級工程師。主要從事輪機工程管理工作。

楊? 濤（1965-），男，研究員。主要從事船舶輪機設計研發工作。

收稿日期：2023-02-06