基于螺旋桨轴径判断渔船的“大机小标”现象
2017-01-03李胜勇李超王永生谌志新
李胜勇，李超，王永生，谌志新*
(1.农业部渔业船舶检验局审图中心；2.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所：上海 200092)
基于螺旋桨轴径判断渔船的“大机小标”现象
李胜勇1，李超2，王永生2，谌志新2*
(1.农业部渔业船舶检验局审图中心；2.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所：上海 200092)
本研究旨在探索一种简便易行的方法，用于初步判断渔船是否存在“大机小标”现象，且能提前判别新造船螺旋桨轴径的选取是否私下改装从而增加主机功率的可能性。通过研究典型主机改装前后的标定功率、转速和规范对螺旋桨轴径要求的最小值之间的关系，以及螺旋桨轴径的实取裕量与轴系设计手册推荐裕量之间的关系，得出轴径的实际取值的合理性与“大机小标”之间存在一定关联性，从而提出通过测量螺旋桨轴径和实船额定转速初步判断“大机小标”的方法。对现存渔船可以先用此方法筛选，如有必要再进行实船的功率测量，可以大量节省检验成本。对于新造渔船，该方法可在审图阶段作为发现“大机小标”的重要判断指标，控制螺旋桨轴径裕量可以在一定程度上增加违法改装成本，从而减少“大机小标”现象，规范渔机市场,进一步完善渔船规则规范，使得国家的双控政策得以更好地实施。[中国渔业质量与标准，2016,6(6):27-31]
渔船主机；测量转速；螺旋桨轴径；大机小标；双控政策
“大机小标”是指柴油机铭牌上标定的额定功率小于柴油机实际额定功率[1]，造成渔船主机实际额定功率与对应的渔船功率指标不一致。一般通过柴油机厂的数据造假和渔民对柴油机进行私自改装两种途径使得产品证书的功率远小于实船柴油机功率。“大机小标”一方面降低了船上实际动力设备冗余度、消防或防污染设备的配备和船员应达到的资质，另一方面突破了本船的实际具有的双控功率指标，私自增大了捕捞强度，给生态环境造成更大的破坏，因此国家有关部门要求严厉打击渔船“大机小标”顽疾[2]，确保国家渔船控制制度和有关政策的顺利实施。农业部渔检局于2014年12月公布了渔船用柴油机型谱[3-4]，要求新造渔船主机须从颁布的柴油机型谱中选型。但是，通过对柴油机型谱实施以后建造的渔船现场抽查调研的结果显示，“大机小标”现象仍然十分严重，并没有很好的预防和控制措施。
渔船主机功率如何检测一直是个难题。目前比较成熟的实船测量柴油机额定功率都是通过间接测量柴油机在额定工况下的输出扭矩和转速来确定。测量方法通常有3种，一是测量燃油消耗率的曲线法，适于新装船不久的柴油机，而且要获得准确的测量实船实时燃油消耗量比较困难。二是扭矩仪测量法，测试精度高，但安装、测试复杂，测试精度受安装精度的影响大。三是电阻应变片法，该方法安装相对简单，台架实验较为准确，但实船环境复杂，老旧船的轴系表面通常锈蚀严重，难以打磨至要求的粗糙度，而且实船容易受到电磁场干扰而严重影响测量精度[6]。
目前对大机小标现象查处的主要方法一般只是通过现场对柴油机的实际的缸径、冲程、增压器、中冷器、喷油泵等配置与型谱申报材料进行一一核对。该方法直接有效，但对缸径冲程的核查需要拆缸，检查流程复杂、成本高，且需要核查人员对该柴油机的配置和台架实验都十分熟悉，国内相关专家十分匮乏。该方法检查周期长，一般只适用于抽查。
鉴于以上种种实船检验柴油机大机小标方法的弊端，本研究尝试从船舶螺旋桨轴径的选取的合理性入手，探索一种简便易行的判断方法。船舶轴系的螺旋桨轴径与船舶的安全性、建造成本以及轴功率的传递效率密切相关。相同材料的前提下，螺旋桨轴径越小越可能造成由于强度不足发生塑性变形，疲劳裂纹甚至断轴等事故[9]，所以船舶的建造规范只对轴径的选取规定了最小值。但轴径越大，加工和建造的成本越高，主机轴功率的传递效率也会降低，因此通常船东会尽力要求船厂和设计院尽量将轴径控制在略高于规范要求的最小值。如果某条船的螺旋桨轴的实际轴径远高于规范要求的最小值，是不合理的。
经国务院批准，国家自1987年开始对海洋捕捞业开始实行“双控”制度，其基本方法是对全国的渔船艘数及总马力指标进行总量控制。中国渔船数量巨大[7]，而验船师数量严重不足，有些甚至未经过专业培训[8]。实船主机额定功率测试成本高、难度大，每条渔船都做实船测量实验几乎不可能。本研究提出通过测量实船螺旋桨轴径和额定转速来初步判断有否明显的“大机小标”现象，操作简单，而且对验船师人员的技术水平要求不高，为有效查处问题船只，降低渔船安全隐患，以及为更好地落实双控政策提供技术支持。
1 研究方法
采用“归谬法”用主机的铭牌功率和转速等参数以及调研的参数，计算出判断典型“大机小标”的合理上限值，以此判定是否为“大机小标”，并用一组实船螺旋桨轴径数据来验证该方法有效性。
1.1 典型“大机小标”渔船螺旋桨轴最小值“增幅”的计算
调研发现，大部分“大机小标”的主机实际额定功率要比标定功率增大30%以上，可见至少达到30%的功率增幅，渔民才有利可图，并愿意为之铤而走险。改动增压器是增加主机功率惯用的方法，目前主流的增压器增压比已达5.2，并有望进一步提高[10]，而同种型号的柴油机采用增压器和中冷技术后，可以使额定功率增加30%～100%[11]。改装或者非法更换主机后，转速可能会增大或减小，也可能保持不变。若转速变化，验船师在转速测量读取环节就会发现实船主机转速与标定转速的差别较大，可认定主机参数与证书不符。本研究重点讨论在改装后额定转速保持不变的情况下，计算相对应的螺旋桨轴径“增幅”。
螺旋桨轴径的实际取值应不小于按式(1)计算所得的值[12-13]。
式(1)
式(1)中:d为规范要求的螺旋桨轴的最小直径，mm；C为不同轴的设计特性系数；F为推进装置型式系数，对于电力推进装置的中间轴，F=95；对于其他型式的柴油机推进装置和所有螺旋桨轴，F=100；Ne为轴传递的额定功率，等于主机额定功率，kW；ne为轴传递Ne时的转速，r/min；Rm为轴材料的抗拉强度，MPa。
规范规定，轴系材料使用碳钢和锰钢的抗拉强度应为400～600 N/mm2，根据具体材料的牌号取得，因此F、C、Rm三者都是常数，新的螺旋桨轴最小直径与主机额定功率、轴的额定转速直接相关，其中轴系额定转速可以通过实船测量容易获取。
假定某台渔船主机标定的额定功率为Ne1，标定转速为ni1、螺旋浆轴材料抗拉强度为σb1。非法改装后额定功率增加30%，设改装后的主机额定功率为Ne2，额定转速为ni2、螺旋浆轴材料抗拉强度为σb2。
即：Ne2=1.3Ne1，ni1=ni2，螺旋桨轴材料相同σb1=σb2。
将数据代入公式(1)可得： d2=1.091d1。可见若要达到30%主机功率的增幅，螺旋桨轴的最小直径取值d2比d1要增加9.1%，也就是说“大机小标”最小轴径“增幅”为9.1%。
1.2 根据船舶设计手册轴系设计经验值确定轴径实际取值的合理区间
螺旋桨轴径实际取值：D=d+△d
式(2)
式(2)中：D为螺旋桨轴径实际取值，mm；△d为螺旋桨轴径实际取值的推荐裕量，mm；d为规范规定的螺旋桨轴的最小直径计算值，mm。
在轴系设计时，设计手册对于螺旋桨轴径的推荐裕量应确保轴系运转磨损后能重新车磨修理，其取值范围一般为：当螺旋桨轴直径d≤150 mm时，△d为5 ～10 mm；当150
对比采用船舶轴系的可靠性分析法验证的典型算例：某船主机型号为5RAT38，额定功率为2 610 kW，额定转速为162 r/min，此例按公式(1)算得的最小直径d为324 mm，相应的可靠度为0.941 6，可靠度不足，通过可靠性分析后，实船设计螺旋桨轴直径为350 mm，其轴径取值裕量为3.4%[15]，在本研究提出的9.1%的界限值的范围内。
2 初步判断
对于新造船，在图纸送审阶段对图纸中轴径取值的合理性进行审核。由上文推导的绪论可知，轴径取值的相对偏差△d″ 不应超过合理取值的9.1%，以此为参考值判断大机小标。其计算方法为其轴系计算书中的螺旋桨轴径的实际取值D扣除推荐裕量△d、规范规定的最小值d、浮动裕量的差值与d的比值，即△d″=(D-△d-d-5)/d≤9.1%。若计算结果大于9.1%，则说明轴径的实际取值不合理，可以初步认定该船具有大机小标现象。基于扭转振动、冰区加强等原因，需要对轴系进行修正的不在此要求范围。
对于现存渔船，先测量实船主机的额定转速，若测得额定转速与标定转速偏差超过3%，则可以判定主机与标定转速不符，有非法改装主机的重大嫌疑。若测得额定转速与标定转速一致，再测量螺旋桨轴径，并按照主机的标定功率与标定转速以及轴系材料参数计算出规范要求的最小值d，将测得的螺旋桨轴径D扣除相应的推荐裕量△d、规范规定的最小值d、浮动裕量的差值与d的比值不超过9.1%。即若(D-△d-d-5)/d≤9.1%，则说明实船轴径的取值不合理，可以初步认定该船是大机小标。
实船主机额定转速与实船螺旋桨轴径的测量是非常容易实现，建议主管部门在年度检验等常规检验过程中增加这两项内容，如此可以初步筛选出大机小标的渔船。
3 实船验证
为验证上述方法，从农业部渔业船舶检验局审图中心审查的渔船中随机抽取了一组渔船的轴系数据作为实船验证样本(表1)。观察表1中8条渔船，比较实取螺旋桨轴径裕量的相对偏差值△d″随最小轴径d增加的变化，得出曲线图1。由图1可见，曲线变化的趋势是随着最小轴径的增加实取螺旋桨轴径裕量的相对偏差Δd"向螺旋桨轴径的合理取值d+Δd+5收窄。
表1中显示大部分的渔船螺旋桨轴径裕量的实际取值范围在10～20 mm，取值偏于保守，但仍属合理范围。第3条渔船(某灯光渔船)的实际选取裕量△d′达到了39.9 mm，扣除相应推荐裕量值10 mm和浮动裕量5mm，还比螺旋桨轴最小直径增加了16.6 %，相对偏差值明显高于本研究提出的参考值9.1 %。按照上述判断标准可初步判定该船是大机小标。该船上报至主管部门后，对第3条渔船(某灯光渔船)渔船进一步核查，发现其主机标定功率为262 kW， 转速为1 000 r/min，与其船网功率指标吻合，但实际准备安装的主机的功率为440 kW，转速1 350 r/min，主机功率增幅达到178 kW，是原主机功率67.9%，远超过农业部渔业船舶检验局颁布的柴油机型谱内选型功率浮动不超过5%[16]的规定，属于严重大机小标。两台主机为同一型号，但区别在于前者属于自然吸气型柴油机，后是是增压中冷型柴油机。
表1 8条渔船轴系设计相关技术参数
Tab.1 Propeller shaft technical parameter of 8 fishing vessel
参数Parameter50t渔政船6.5m型宽张网船某灯光渔船35m玻璃钢网船33.2m双甲板拖网渔船45m电力推进围渔船3000t渔业运输船7600dwt渔业运输船主机型号WPC175-18Z6170CZ-5AYC6CD355CYC6CL1200L-C20LB6250ZLC-3YJ282BZC6330ZLC-43DN8330ZC4Y标定功率/kW129x1台280x1台262x2台882x2台750x1台1200x1台2574x1台3666x1台额定转速/(r·min-1)21001200100010006501000580620齿轮箱减速比2.96003.42007.84003.96004.00005.04504.51304.9375轴材料35#锻钢35#锻钢35#锻钢35#锻钢35#锻钢35#锻钢35#锻钢35#锻钢轴抗拉强度530480520490500500480480中间轴最小直径59.888.72119.2144.28157.62172.54250.6294.5最小轴径d/mm68.5111.78150.1181.79198.6217.4315.7371.1中间轴实取值不设110不设160185190260310实取轴径D/mm80130190200220235325385实取裕量△d'/mm11.5018.2239.9018.2121.4017.609.3013.90相对偏差△d″2.2%7.3%16.6%1.8%3.2%1.2%-1.8%-1.6%
图1 渔船螺旋桨轴径实际裕量的相对偏差值△d″随螺旋桨轴最小直径d增加的变化趋势Fig.1 Variation tendency of the actual values relative allowance of propeller shaft diameter △d″ as propeller shaft minimum diameter increases
由该验证过程可以看出，不用实船去测试轴功率，仅仅通过对渔船螺旋桨轴径的实际取值的合理性进行评估，就可以发现某些大机小标现象。
4 结论
通过研究渔船主机标定功率与实选螺旋桨轴径的选取裕量的关系，分别对新造渔船和现存渔船提出判断“大机小标”的办法。把送审阶段的新造船，以及主机、轴系重大改造的现存渔船，凡是其螺旋桨轴径裕量大于9.1%的都列为重点检查对象，由此可大大提高“大机小标”治理工作的效率，降低核查成本。同时建议将本研究针对主机螺旋桨轴系的设定上限引入渔船建造规范，在船舶图纸送审阶段就筛选出轴径取值不合理的渔船，从而更好地打击大机小标现象。然而，由于样本船数量较少，渔船种类繁杂，船型尚未全部覆盖，回归曲线尚不稳定；作为初步判断“大机小标”的途径，未对需扭振计算、冰区加强的轴系进行分析，尚存一定的局限性。
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Phenomenon of actual engine power higher than rated power innameplate based on the propeller shaft diameter of fishing vessel
LI Shengyong1，LI Chao2，WANG Yongsheng2，CHEN Zhixin2*
(1. Register of Fishing Vessel Plan Approval Center; 2. Fishery Machinery and Instrument Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences: Shanghai 200092，China)
The purpose of this article was to explore a simple method for preliminarily judging the phenomenon that "actual power of fishing vessel engine was higher than rated power in nameplate", and preliminarily discovering the possibility whether a new ship's propeller shaft diameter foreshadowed increases the actual power of main engine by installing fake plate or remoulding engine. By means of studying the relationship of nominal power, rotational speed and the minimum allowable value of the propeller diameter in rules, and the relationship between actual allowance of propeller shaft diameter, the allowance recommended by the shaft design manual, it drew that there was certain correlation between the reasonableness of actual value of shaft diameter and the phenomenon of "actual power higher than the rated power", thereby proposed the method for preliminary judging "actual power higher than rated power" by measuring the propeller shaft diameter and rotational speed. The existing fishing vessels can be screened in this way, if necessary, we could based on facts by measuring engine actual shaft power further, therefore it would save so much inspecting costs. It played a part as well as new fishing vessels, which could discover the phenomenon of "actual power higher than rated power" at the stage of drawing approval. The control of the propeller shaft diameter margin can increase the costs of illegal remoulding very much, so that it would reduce the phenomenon of "actual power higher than rated power", and it would make the fishing machine market more formal, and it would make the implement of the dual-control policy effectively in China. [Chinese Fishery Quality and Standards, 2016, 6(6):27-31]
fishing vessel main engine; measurement speed; the propeller diameter of tube; diesel engine rated power than that in nameplate; the number of vessels and power control policy
CHEN Zhixin,chenzhixin@fmiri.ac.cn
2016-08-02；接收日期：2016-10-10
自动化捕捞关键装备研发与渔船技术法规体系构建(2016YJS-ZX0300)；渔业船舶技术法规体系研究 (2016YJS-ZX0304)
李胜勇(1980-)，男，工程师，研究方向为渔船图纸审查及渔船法规政策，lishengyong512@hotmail.com 通信作者：谌志新，研究员，研究方向为海洋渔业工程装备，chenzhixin@fmiri.ac.cn
S972.72
A
2095-1833(2016)06-0027-05
