新造港作拖輪主動力裝置的選型研究

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

拖輪是指用來拖動駁船和輪船的特種作業(yè)船舶。拖輪的特點是結(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)備和配套的動力裝置。拖輪的動力裝置主要包括主柴油機、發(fā)電柴油機組、齒輪箱及傳動軸系、推進(jìn)舵槳、輔助機械設(shè)備等。拖輪產(chǎn)生拖力的過程是主柴油機運轉(zhuǎn)發(fā)出功率，通過齒輪箱及軸系驅(qū)動螺旋槳推進(jìn)器產(chǎn)生推力，再通過拖拽設(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)運動。

1 主動力裝置

決定拖輪性能的是主柴油機、齒輪箱及軸系和推進(jìn)舵槳，統(tǒng)稱主動力裝置。尤其是對于港作拖輪，無論是采購成本還是運營消耗費用和日常維護(hù)管理投入工作量，主動力裝置都占主導(dǎo)地位，因此港作拖輪的主動力裝置是船舶的重中之重。對主動力裝置的基本要求包括以下3 項：①可靠性：是指主動力裝置在預(yù)定的運行條件下長期穩(wěn)定工作的能力，對船舶來說具有特別重要的意義，是船舶安全航行的基礎(chǔ)?？煽啃圆蛔銜绊懘暗陌踩\行，額外增加維修工作量，長時間停航修理，降低拖輪的經(jīng)濟效益；②機動靈活性：指改變船舶運動狀態(tài)的靈活性，主要取決于主動力裝置的機動性及可操作性。港作拖輪就是利用自身“個子小、力氣大、靈活機動”的特點為大型貨船服務(wù)，拖輪機動、靈活性好可以快速響應(yīng)駕駛員的每一個動作指令，為船舶安全靠港提供良好的保障；③節(jié)能環(huán)保：主柴油機和舵槳作為港作拖輪的主動力裝置，也是聯(lián)系最為緊密的兩套裝置，機槳匹配性的好壞關(guān)系到拖輪節(jié)能減排的程度，在保證動力的前提下，節(jié)能也是一個重要的指標(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、舵槳的選擇

船用主柴油機根據(jù)類型、功率的不同，適用于不同的工作場合。港作拖輪主要在港口協(xié)助貨船靠離泊作業(yè)，頂推萬噸巨輪，要求主柴油機功率足夠大，并且要滿足啟動和操作迅速、單位體積功率大、空間占比小等要求，同時考慮到貨船大型化、專業(yè)化的發(fā)展趨勢以及國內(nèi)搶險救助和可能開展的沿海拖帶作業(yè)任務(wù)的需求，確定直列四沖程、四氣閥中速筒形柴油機作為拖輪主柴油機的首選。為了滿足港作拖輪操作的機動性及靈活性，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。我國現(xiàn)有成型的船用柴油機及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）的可靠性與國際先進(jìn)機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)裝置時采用國際招標(biāo)，優(yōu)選全球范圍內(nèi)性價比最高的設(shè)備。

2.1 主機功率

隨著海運輸船舶大型化、專業(yè)化的發(fā)展趨勢，港口配套拖輪的功率也需要越來越大，在確定貨船所需拖輪的功率和艘數(shù)時，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功率。

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

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

表1 船舶噸位與拖輪功率的對應(yīng)關(guān)系

秦皇島港是具有百年經(jīng)營歷史、以能源運輸為主的綜合性國際貿(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)營港口裝卸、堆存、倉儲、運輸?shù)葮I(yè)務(wù)，以煤炭、礦石為主要經(jīng)營貨種，同時經(jīng)營油品、液體化工、其他雜貨、集裝箱等貨種，擁有多個10 萬噸級泊位，按照港航管理部門的拖輪配置指導(dǎo)意見，10 萬噸級船舶靠離泊需配備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）船用中速柴油機作為拖輪的主柴油機。機型為直列式、四氣閥、四沖程渦輪增壓中速柴油機，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），柴油機出廠前要做相關(guān)測試，車間試驗數(shù)據(jù)要測試主柴油機的額定轉(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，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)動而改變，也是拖輪主動力裝置選型優(yōu)化研究中的重點所在。目前港作拖輪一般選用機械推進(jìn)方式中全回轉(zhuǎn)Z 形舵槳。Z 形舵槳是通過上齒輪箱和下齒輪箱內(nèi)的傘形嚙合齒輪傳動裝置驅(qū)動螺旋槳運轉(zhuǎn)，上下齒輪箱之間采用立軸傳動，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動性能，兩臺旋回機配合使用可使船舶實現(xiàn)原地地回轉(zhuǎn)、橫向移動、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，型號為ZP-41A，該型號旋回機帶液壓滑差式離合器，主機怠速時螺旋槳轉(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、舵槳的選型優(yōu)勢

此次秦皇島港建造的拖輪采用新瀉6L28HX 型柴油機搭配新瀉ZP-41A 型舵槳，雙機雙槳型布局。主機與舵槳之間采用中間軸連接，主機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 主機選型優(yōu)勢

（1）新瀉6L28HX 型柴油機是新一代高增壓、長行程四沖程中速柴油機，該機型是環(huán)保節(jié)能型發(fā)動機，額定耗油率為191 g/（kW·h）。國內(nèi)同樣功率范圍的柴油機額定耗油率約為200 g/（kW·h），國外某知名品牌柴油機的耗油率為197 g/（kW·h）。按照額定耗油率計算，該船主機每運轉(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)時間統(tǒng)計，每條主力拖輪每年運轉(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。主機啟動方式為壓縮空氣分配器啟動，這種啟動方式是壓縮空氣直接進(jìn)入氣缸驅(qū)動活塞向下運動，啟動更加迅速可靠。主機調(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）隨著我國對環(huán)境保護(hù)的重視，船舶作為水上主要運輸工具也是主要的污染源，對柴油機尾氣排放的要求越來越高，控制排放已成為推進(jìn)船用柴油機優(yōu)化設(shè)計最重要的驅(qū)動力。新瀉6L28HX 機型柴油機通過調(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。通過增加缸套冷卻水電加熱系統(tǒng)，提高啟動性的同時控制柴油機低溫環(huán)境的尾氣污染物排放等，通過一系列改進(jìn)及優(yōu)化，該型柴油機排放完全滿足國內(nèi)最新GB 15097—2016《船舶發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）》的排放要求。

3.2 舵槳選型優(yōu)勢

（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，主、副摩擦片不直接接觸，是一種可變速比的傳動裝置，可以在主機怠速工況下實現(xiàn)螺旋槳50～150 r/min 的無級調(diào)節(jié)，實現(xiàn)航速的超微速無級調(diào)節(jié)。當(dāng)操作手柄越過滑差階段時，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可以通過離合器調(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，可以使用滑差式離合，避免螺旋槳對吹的功率損耗，從而更加節(jié)能，同時避免離合器脫開沖擊產(chǎn)生的振動。

（2）該型號舵槳的螺旋槳與艉軸采用無鍵連接方式，結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計滿足船檢申請“艉軸滑油狀態(tài)監(jiān)測”的條件。艉軸滑油狀態(tài)監(jiān)測是對艉管滑油定期取樣，送交由船級社認(rèn)可的專業(yè)機構(gòu)進(jìn)行各項指標(biāo)的測試分析，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)測后，船舶的艉軸檢驗周期由每5 年進(jìn)行一次延長為每15 年一次，節(jié)省維修時間和維修成本。

3.3 機槳配合優(yōu)勢

6L28HX 型柴油機和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：

（1）控制操作更加靈活可靠，船舶主機的加減速是依靠舵槳的操作手柄進(jìn)行控制，舵槳與主機之間采用數(shù)字信號通信，采用同一個公司的產(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型號相匹配，主機能完全滿足舵槳的各種工作特性，同時主機功率通過舵槳傳輸，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

港作拖輪具有“個子小、力氣大、靈活機動”的特點，是港口運營不可缺少的特種作業(yè)船只。港作拖輪的主動力裝置是成本占比最高的機械設(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，同時影響節(jié)能環(huán)保效益，因此，一套匹配性優(yōu)良的主動力裝置對于港作拖輪的選型制造至關(guān)重要。