全回转拖轮作业过程中特殊工况对轴系稳定性影响研究

摘 要：全回转拖轮具有良好的机动性、灵活性和回转性，是目前港口靠离泊作业的主要力量，但在实际作业过程中，操作稍有不慎，就会发生碰撞事故，加之船舶大型化带来的作业难度增加，导致其受到各种冲击载荷的频率增加。这些外力通过复杂的转换和传递，会影响船舶柴油机推进轴系的稳定性，而作为连接Z型导流管式螺旋桨和柴油机的综合体，其运行工况是否良好不仅关系着船舶动力系统的可靠性，更关乎货轮靠离泊作业的安全。

关键词：全回转拖轮；船舶碰撞；转速变化；冲击；振动

1.全回转拖轮推进装置特点

在船舶分类中，一般把协助大型船舶进出港口、靠离码头、港内（锚地）移泊的拖轮归类为“港口辅助船舶”，通称为“港作拖轮”。若按其配置的推进器类型进行分类，配备Z型传动推进器的港作拖轮称为全回转拖轮。

全回转拖轮为双机双桨，由相互独立的主机通过传动轴系带动各自的Z型传动推进器运转，分别称为左推进装置和右推进装置。其中主机多为中速机，传动轴系包括高弹性联轴器、传动轴承、万向联轴器及气胎离合器等元件组成。推进器主要包括旋转机、液压操纵装置等部分组成，螺旋桨可在水平面内360°旋转，可省略常规的舵。鉴于以上结构特点，港作拖轮具有：操纵系统简单、船舶旋回性能好、能够横向移动、船舶稳性好、舵效优等特点。

2.全回转拖轮推进轴系损伤机理研究

船舶轴系作为船舶主推进系统的重要组成部分，其主要功能是作为一种刚性介质，将船舶的柴油主机和螺旋桨连接起来，并将船舶柴油机产生的动力传递给螺旋桨，带动螺旋桨旋转，螺旋桨桨叶会不断把大量水向后推去。如何保证其安全、稳定的运行，很多学者都展开了相关研究，基本上都是从引起轴系破坏的因素入手，主要有四个方面。

一是扭转振动，扭转振动是在周期性激励下引起的交变运动，进而产生的交变应力。严重扭转振动会导致尾轴裂纹、断裂，扭转振动也一直是船舶动力装置设计中的关键问题。二是横向振动，在研究横向振动时，一般不考虑回旋效应引起的回旋振动，根据震动的方向，将横向振动分为横向振动和垂向震动。三是纵向振动，目前绝大多数货船的主动力装置都是柴油机通过轴系直接带动螺旋桨旋转，螺旋桨在不均匀的艉流场中受到轴向激励力。四是回旋振动，主要考虑螺旋桨的"陀螺力矩"作用。

3.作业过程中碰撞因素对轴系损伤

全回转拖轮在作业过程中，由于天气因素、驾驶员因素、设备因素，碰撞事故往往无法预测。尾轴属于长杆件构件，在冲击载荷作用下，容易产生变形，引起尾轴位移的变化。如果碰撞强度较大，还会导致船体总体刚度发生变化，进而对推进系统的轴系支撑刚度造成影响，从而改变船舶轴系的运动状态。如果碰撞强度较低，一般不会引起相关从业者的足够重视，而恰巧这类事故发生的概率很高，长期日积月累，也会导致全回转拖轮的船舶刚度发生变化，船体损伤又会导致艉轴发生碰摩，最终造成船体轴系损伤，一旦达到临界条件，将突然发生重大事故。

4.作业过程中转速变化对轴系损伤

作为全回转拖轮，由于港作拖轮作业的特殊性，根据引航员的指令，车速需要不断变化，存在短时间内加速、减速、长时间高速运转等状况，加之船舶大型化带来作业强度增加，轴系作为将主机功率传递到螺旋桨的中间介质，其所承受的扭矩将发生不均匀性，进一步加强轴系的扭转振动，降低其使用寿命。

5.轴系安全运行的合理化建议

5.1拖轮作业过程中碰撞事故分析及预防

随着港口货物吞吐量的持续增长，进出港船舶艘次也在增加，一定程度上导致航道拥挤。如果碰见大风天气，船舶容易偏离预定航道，尤其是大吨位的空载船舶，受风面积大，容易发生船位的偏转或者是横移，这些都对拖轮的安全作业构成一定威胁。此时船舶驾驶的操纵技术显得尤为重要，应仔细地观察船舶动态和周围海况，进行预判并采取相应措施，避免事故的发生。

5.2拖轮作业过程中合理操车

一是轮机管理人员与码头调度的及时沟通，了解码头作业情况，以及到港船舶动态，根据作业计划提前对主机进行暖缸。尤其是冬天，冷车启动后，转速变化不稳，对轴系损害较大。二是轮机管理人员与船舶驾驶台及时沟通，全面了解港外锚地风浪情况。当遇见大风浪天气时做好准备工作，调整主机油门，防止超负荷对轴系造成损害。全回转拖轮采用双机双桨，如果为了节省燃油成本，可以单车航行，但应尽量避免两主机一快一慢，防止出现轴系共振。

5.3加强轴系的监控和维护保养

轴系长时间遭受低强度碰撞，相关部件变形后会出现轴线不对中，轴颈与轴承间隙变小，轴承的润滑环境改变，反映在数据上会出现轴系运转温度升高、产生异响。这是要及时查找原因，避免小事故引发大故障。若果条件允许，建议引入轴系状态监测与故障诊断技术，目前主要有振动诊断技术、声学诊断技术、温度诊断技术和油膜电阻诊断技术四大类，其中振动信号检测和分析的方法对轴系比较适用，对早期微小机械故障检测非常有效，可以更大限度的节省维修成本，提高轴系使用寿命。

参考文献：

[1]李柏然.港作拖轮的性能要求和发展趋势[J].物流技术，2010，29（15）：135-136.

[2]郭启民.港作拖轮安全操作之我见[J].中国水运，2012，10（10）：5-6.

[3]周春良.船舶轴系振动研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2006.

作者简介：

吴鹏鹏，性别：男，民族：汉，籍贯：山东潍坊，出生年月：1988年1月，研究方向：船舶柴油機。