基于船舶转矩测试的某小型运输船机桨匹配分析

袁 帅，姬朋辉，史祥东，丛孟营

(潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061)

目前市场上一些小型船舶，其设计和建造过程不规范、水平普遍不高，如果船机桨匹配不当就会导致航速不达标或运营成本高等问题，且难以使用理论计算来进行准确的分析。市场中旧船更换主机也存在同样的问题：旧船在使用多年后，技术图纸不全，船体老旧，杂物、污底较多，难以使用理论计算来进行准确的船机桨匹配。

针对此种情况，根据多年的船机桨匹配经验，本文提出了基于船舶转矩测试来分析船舶的船机桨匹配情况，并实际应用于某港口运输船，取得了良好的匹配分析结果。本方法通过测试船舶在运营时，主机的输出转矩和转速获取主机实际工作数据，结合主机性能参数、螺旋桨数据综合分析船机桨匹配情况，提出优化建议。另外，可详细准确的调研客户使用习惯，也为船用主机厂开发主机提供参考。

1 船舶转矩测试

1.1 测试原理

船舶在航行作业时，主机转矩通过传动轴传递给螺旋桨，轴在传递过程中产生扭转变形，通过测试轴的变形量，结合轴特性(轴材料、轴内外径)，计算出转矩然后换算成主机输出转矩。同时通过光感转速传感器采集主机转速，以此计算发动机输出功率。

1.2 测试过程

轴的变形量是通过应变片测量的，因此首先需要确定应变片在传动轴的位置，并使用游标卡尺测量该处轴直径。然后对该处进行仔细打磨，确保应变片黏贴处光滑、干净(无油污、锈蚀、麻点等)。主机转速通过光感转速传感器测量，传感器应在合适位置固定安装，一方面要确保在测试过程中不会产生摇晃、移动，另一方面要确保可以接收到反光片反射的信号，一般要求传感器与反光片的距离在15 cm以内。

应变数据信号无线传输至测试电脑，转速信号需通过数据线传输至测试电脑中。在电脑端通过对测试轴特性的设置，可实时显示出主机转速、主机输出转矩、功率等数据，以此可确定主机工作状态，分析船机桨匹配情况，为后续的优化工作提供基础数据。轴转矩测试示意图见图1。

图1 轴转矩测试示意图

1.3 某港口运输船转矩测试

本次测试船型为小型港口运输船，作业范围为港口码头到在附近海域停靠的大型船舶之间，以运输少量乘客、船员供给品为主，船舶吃水变化较小。测试船舶如图2所示，船舶基本信息见表1。

图2 测试船舶

表1 船舶基本信息

船舶平时停靠在码头附近，在接到运输任务后，需快速到达目的地进行人员或货物的运输。此类船舶以短途运输为主，停靠港操作频繁，对航速、操纵性、机动性以及加速性要求较高。为详细了解船舶运行工况，获取主机工作信息、评估船机桨匹配状态，对本船进行了转矩测试。

测试前需将船舶吃水调整至设计吃水(或本船营运常用吃水)处，并将船舶行驶至营运海域，待准备工作完成后开始进行测试。为详细收集主机在各常用转速下的运行情况，在船员的配合下，对主机进行逐步加载测试。具体实施步骤如下：主机转速从怠速开始，以每100 r/min递增至该主机油门最大或额定转速处，每个转速保持5～8 min；在航速稳定后记录主机转速、油温、水温及航速、海况等信息。

本次测试过程中，天气晴朗，海域内来往船只较多，测试船舶遭受海浪较多且随机性较大。测试中，在主机达到额定转速时，船舶航速15.2 kn，此时船员告知油门尚未加到最大，因此继续加大油门至最大后，左右主机转速约2 170 r/min，船舶航速16.2 kn。保存数据，测试工作结束。

2 数据分析及优化建议

2.1 转矩测试数据分析

测试数据显示，主机能够比较顺利的拉升至额定转速，在2 100 r/min时输出转矩约955 N·m、输出功率约212 kW，相比该转速下主机理论推进值240 kW，留有12.8%功率储备。在油门最大时，主机最大转速为2 172 r/min，基本上与本型号主机的超负荷转速2 167 r/min相等，此时输出转矩约1 039 N·m、输出功率约238 kW，接近主机额定功率。时刻—转速—转距数据见表2。

表2 时刻—转速—转矩数据

结合本主机性能数据和测试数据，绘制出主机功率转速曲线，如图3所示。通过实测数据可以看出，本船主机的实际推进曲线位于理论推进曲线下方，且随着主机转速的增高，趋势愈加明显。在额定转速下，主机理论推进功率为240 kW，实际推进功率212 kW，留有11.7%储备；在超负荷转速下，主机理论推进功率为264 kW，实际推进功率为238 kW，留有10.8%储备。由此可得本船螺旋桨匹配偏轻[1]，可能出现主机油耗较高、无法发挥主机超负荷性能等问题。

图3 功率转速曲线

2.2 优化建议

在后续调研中了解到，本船在实际运营中主机常用转速在1 500～1 800 r/min，主机运行在2 000 r/min以上的时间较少。综合考虑主机性能、客户使用习惯，建议更换螺旋桨，采用螺距更大的螺旋桨；根据测试结果，推荐螺旋桨螺距增大到0.7 m。如此可使主机实际推进曲线向上移动、使主机性能得到充分发挥，从而减小主机油耗，提高船舶航速，增加船舶运营竞争力。

3 优化效果

本船更换螺旋桨后，新桨与旧桨直径、盘面比保持一致，仅将螺距增加至0.7 m。主机最大转速可达到2 160 r/min，船舶航速为17.1 kn，相比旧桨航速增加了0.9 kn；在常用转速区，相比旧桨，在主机同转速条件下，船舶航速增加了0.8～1.0 kn，极大的增加了本船运营竞争力，取得了良好的市场效果。