SRP1515FP型全回转舵桨止回器缺陷分析及改进措施研究

马明轩

摘 要：文章主要简述SRP1515FP型全回转舵桨系统中止回器的设计目的、工作原理，并通过介绍某拖轮一次SRP1515FP型全回转舵桨止回器故障维修，分析SRP1515FP型全回转舵桨止回器设计方面存在的缺陷，进一步研究SRP1515FP型全回转止回器的改进措施，对SRP1515FP及同类型全回转舵桨止回器设计和改进有一定参考意义。

关键词：舵桨；止回器；全回转；拖轮

引言

作为全回转拖轮核心的设备之一，全回转舵桨是一种Z型推进装置，使船舶调头灵活，原地回转、倒车快、航行安全，重量轻、拆装方便、可省略常规的舵，改善驾驶员工作和生活条件，减少对环境的污染，是一种新颖、紧凑、高效率、销售价适应国内市场的节能、环保性推进装置。同时全回转舵桨有着严格的要求，螺旋桨在水流的作用下不能反转。否则会造成较大的启动负荷，甚至损坏舵桨及主机。因此，各种形式舵桨均会采取一定的措施来防止舵桨反转，其中SRP1515FP型全回转舵桨的止回器作为其中一种防反转形式，被广泛的应用在同类型全回转舵桨的系统中。但由于这种止回器设计方式存在一定缺陷，给使用者带来了很大的隐患和麻烦。我们在某拖轮SRP1515FP型全回转a舵桨止回器故障维修中积累了一些经验，并提出了几种改进办法，希望能给同类型舵桨的生产者和使用者提供一些参考。

1 SRP1515FP型全回转舵桨止回器运行原理介绍

SRP1515FP型全回转舵桨止回器是一个由多个楔块和保持架构成的，安装于舵桨装置上齿箱中间轴末端的，可起到正转通行，反转锁止的装置，如图1所示。

SRP1515FP型全回转舵桨止回器功能作用是防止螺旋桨在水流作用下反转，主要体现在以下三种情况：（1）在脱排状态下，以避免合排时的过大扭矩；（2）在合排状态和主机停车时，避免主机反向转动；（3）在一侧舵桨工作时，防止没有投入运行的另一侧舵桨，在船舶航行时反转。

SRP1515FP型全回转舵桨止回器工作原理：在高速运转时，楔块及保持架随内环一齐旋转，离心力FC促使楔块沿保持架逆时针转动，这样楔块和外环之间产生间隙，在这种状态下运行，止回器没有任何摩擦，使用寿命是无限长的；当内环的旋转速度下降到离心力不足以克服弹簧的弹力时，楔块在弹簧的作用下，顺时针旋转，并重新和外环接触，止回器进入自锁状态，防止轴系反向转动，如图2所示。

2 某拖轮SRP1515FP型全回转舵桨止回器故障维修概况

某日黄骅港煤炭港区某拖轮结束作业返回拖轮码头途中，发现右主机突然降速，右主机排烟管冒黑烟，该船轮机员立即停车检查，发现右舵桨手动盘车不动，初步判断该舵桨桨叶卡住异物，经潜水员水下探摸，确认右舵桨桨叶与导流罩间卡住废旧轮胎，如图3所示，水下清除无果后，最终拖轮进坞将轮胎清除，随后试车试航均未发现舵桨工作异常，舵桨系统各运行参数一切正常。

该拖轮恢复正常作业运行约10天后，舵桨滑油滤器压差高报警，轮机员在清洗滑油滤器时，发现滤器内有大量金属屑等杂质，最初怀疑金属屑是滑油系统中的运动副异常磨损产生。将此情况向设备厂家报告后，设备厂家安排服务工程师到船对系统进行拆检，先后检查了上齿箱伞齿和回转齿圈，均未发现异常。经讨论如对其他部位采取进一步检查，工程量较大且工作环境不允许。因此先对滑油取样进行化验分析金属屑化学成分进而确定磨损部位。化验报告显示滑油成分中无水，有较多金属颗粒及少量非金属颗粒，元素分析显示铁元素含量高于正常值，其他元素基本正常。

服务工程师结合舵桨缠摆事件和油样分析，推断止回器可能出现问题，滑油中的金属碎屑极有可能是止回器零部件碎裂产生的。经拆检发现，止回器已完全碎裂，楔块散落周围，保持架严重变形，局部有摩擦高温灼伤痕迹，并伴有大量金属屑在其中，如图4所示。由于出口管接头处带孔垫片的阻挡作用，大块金属无法通过，但仍有大量屑状金属随滑油进入系统，油样检测报告中显示的大量铁元素，即为止回器碎裂后产生的金属屑的主要成分。

根据故障根源，制定解决方案：首先需彻底清空系统内滑油，并更换全部滑油；其次需拆除三台液压马达，对锥体油腔进行清洁；然后要清除破损止回器，并更换新件，如图5所示；最后在检查其他部件正常后，试车试航。由于滑油全部换新必须在船坞内进行，且当时正值寒冬，气温低、滑油粘稠，滑油放空仅能靠重力自流，这进一步增加了维修的难度。这次故障自舵桨缠摆至最终恢复正常历时34天，先后进坞2次，其中止回器换新约4天，仅滑油放空时间就约40小时，消耗壳牌滑油13桶约合2600升，总维修费用约20万元，且未考虑拖轮脱产一个多月对生产带来的损失，可谓损失巨大。

3 SRP1515FP型全回转舵桨止回器设计缺陷分析

SRP1515FP型全回转舵桨止回器从设计原理上固然能起到一定程度防反转作用，但未能全面考虑到止回器一旦发生故障对整个系统造成的严重后果。止回器反向锁紧是由楔块机械摩擦产生的制动力矩实现。因此有制动力矩上限，一般情况下仅靠水流作用于螺旋桨产生的反转力矩，可由制动力矩抵消，而不至损坏止回器。但当有其他外力作用使反转力矩过大，超过制动力矩上限时，便会导致楔块产生形变甚至损坏保持架，而无任何保护措施。

造成止回器出现过大反转力矩有多种原因，但主要有两种途径：一种是有直接强大外力作用于螺旋桨使桨叶反转产生反转力矩，另一种是螺旋桨桨叶锁住情况下操舵的转舵力产生的反转力矩。第一种情况较为少见，而第二种情况多发于螺旋桨缠摆，在国内拖轮使用中较为常见。

由于SRP1515FP型全回转舵桨是德国制造，设计施工及产品运行试验多考虑欧洲海域工况，对我国国内海域特殊情况结合较少。欧洲国家港口及航运业起步早，发展程度高，尤其对港口水域管理环境治理方面更为严格，因此其港口水域状况较好，航道水深大，水中杂物少，更适宜舵桨工作环境。而我国国内港口及航运业起步晚，发展程度相对较低，尤其许多港口自然水文条件较差，同时为追求快速发展，港口水域管理方面较为不足，航道水深较小，水中杂物多，各种渔船等闲杂船只来往频繁，多年积攒的废旧缆绳、废旧轮胎、废旧皮筏艇等淤积水底，对螺旋桨的正常工作带来了极大的安全隐患，舵桨缠摆的概率也大大提高。

在国内拖轮使用中，驾驶员应对螺旋桨缠摆有不同的办法，有些驾驶员会采取将螺旋桨对吹的方法将缠绕的异物排除，这一方法在一些类型舵桨且缠摆不牢的情况中能起到作用，但并不适用于带止回器的SRP1515FP型全回转舵桨。因为SRP1515FP型全回转舵桨在转舵时，会带动螺旋桨发生轻微的转动，当转舵方向顺向桨叶正转时止回器不起到作用，桨叶正向旋转一定角度，但当转舵方向逆向桨叶反转时止回器会阻止反转，而桨叶又被卡住，从而无法转动，力矩便集中在止回器上，这一力矩随着舵角转舵增加而逐渐增大，当力矩超出止回器承载能力后，止回器便会受到损坏。

SRP1515FP型全回转舵桨的止回器处于整个装置的滑油循环系统中， 如图6所示，由滑油润滑和冷却，滑油入口承接于舵桨机带的滑油储存柜，出口连接到底部滑油循环腔，出口管路上未设置观察孔和过滤器，仅在管路接头处设有一孔径约2mm的垫片。因此一旦止回器发生损坏，产生的金属碎屑就会混合于滑油中流至底部滑油腔，从而污染整个滑油系统。一台舵桨设备滑油系统添加至正常液位油量约2600L，除上部滑油储存柜内由于滑油滤器的过滤不至被污染外，其余约2000L的滑油均会被污染，滑油中会出现大量金属碎屑，甚至有少量片状及颗粒状金属物，而底部滑油系统中浸没有多个滚动轴承、伞状传动齿轮等运动部件，一旦故障未被及时发现而长期存在其中继续使用，将会严重损坏设备机械部件，从而导致整台设备瘫痪，后果十分严重。

而且就算及时发现止回器损坏，也不仅是通过更换止回器就能解决问题的，被污染的滑油同样需要全部换新，而SRP1515FP型全回转舵桨的设计要求，如果要完全放干净舵桨系统内滑油，则需要将位于水下舵桨底部的放油旋塞打开，从底部放油，因此就要求船舶必须进坞才能彻底换油。如果不进船坞，采取从上部将滑油抽出的办法，一方面油管需从滑油储存柜进入，绕过过第一道横向传动轴，从立轴中心孔穿入，顺方向一直向下前进约4米多，再绕过第二道横向传动轴，再继续下伸近1米后，方可触及底部，过程十分繁琐和困难，一般只能伸到第二道横向传动轴前，再往下伸就需要专用的管子，精巧的配合和一定的运气了，一方面立轴的孔径非常小，要求吸管不能太粗，过软或过硬均不便于穿透，另一方面就算管子穿到底部，也不能将底部滑油抽净，势必会留存一部分在底下，而且由于受到管径的限制，要将整个系统中的滑油抽出需要相当长的时间和耐心。

因此，SRP1515FP型全回转舵桨止回器的设计虽然起到了螺旋桨止回的作用，但由于设计方面的不完善，极易由缠摆引发故障，且一旦发生故障，对滑油系统乃至整个设备都将造成巨大的损伤，而且维修起来也异常困难，造成的直接和间接损失，都将是巨大且无法弥补的。

4 SRP1515FP型全回转舵桨止回器改进措施

SRP1515FP型全回转舵桨止回器，作为其舵桨系统的典型特征之一，在一定程度上能起到防反转的作用，这与其他舵桨形式有明显区别，但止回器一旦出现故障，带来的损失也是巨大的。因此，为避免此问题发生，将损失将至最小，有必要采取合理的办法解决此问题。经过对系统结构及作用机理进行综合分析和讨论，提出以下三种解决方案供参考。

方案一：在原有系统上进行改进，为止回器建立独立的滑油循环系统，滑油不参与整个系统系统的循环，即使止回器损坏也不需更换全部滑油，只需将止回器换新，清洗局部管路即可，大大降低了维修工程量，减少了维修费用。此方法需配套增加小型滑油泵一台，滑油冷却器一只，滑油储存单元一个，配套管路数根。该方案初始安装费用略高，改动程度一般，会增大舵桨装置体积，总体方案可行性一般，适用于新造舵桨设备选用。方案二：在原有系统上进行改进，在止回器的滑油出口管路上，设置过滤及检测装置，一旦止回器发生损坏，一方面金属杂质不会随滑油流动进入系统，另一方面杂质使滤器堵塞触发检测装置报警，便于工作人员第一时间发现故障及时采取措施。此方法需配套细滤器一只，滑油压差报警器一个，主机报警板声光报警一只。该方案初始安装费用较低，改动程度较小，但不能避免止回器损坏，总体方案可行性较高，适用于在用舵桨设备改造选用。方案三：改变原有止回系统，取消止回器，并将离合器部分进行改进，取消原有气动离合器，采用液压离合器，一方面脱排状态下螺旋桨反转不会损坏任何部件，另一方面合排状态下靠摩擦片锁紧力起到止回作用。此方法需配套离合器一套，液压管系数只。该方案改造费用高，改动程度大，虽避免了止回器的损坏，但止回效果变差，总体方案可行性一般，适用于新造舵桨设备选用。

根据以上三种改进方案，经与该型舵桨厂家相关专家探讨，并组织相关专题交流会议。经过多方的努力，SRP1515FP型全回转舵桨生产总公司在一定程度上认可了该型止回器的不适用性，并采取上述方案三的办法，计划对同类型全回转止回系统进行了彻底的改造，同时更换了离合器结构，并进行了系统优化。目前该改进方案已在部分新造同类型全回转舵桨系统中建造实施。

参考文献

[1]齐冬.港口全回转拖轮应用及其舵桨装置研究[D].大连海事大学，2012.

[2]张权.SCHOTTEL 全回转1010 FP舵桨修理工艺要点[D].中国修船，2013，4.