尹金辉 杨涛 李珍 王国壮
摘 要：船舶航行过程中往往需进行倒车操作，且偶有紧急倒车动作。船舶航行倒车啮合瞬间往往其螺旋桨正处于反向转动状态，其与陆上行驶的汽车倒车瞬时状态炯然不同，其倒车合排时，推进主机需克服巨大的轴系反转瞬间扭矩峰值，因此船舶倒车更易发生主机熄火现象。船舶航行过程中，如果出现倒车熄火，将易引起撞船、搁浅等重大事故安全隐患，应极力避免。本文将以某型拖船为例，分析倒车熄火原因，提出解决方案建议。
关键词：电子遥控；
倒车；
主机熄火；
原因分析；
解决方案
中图分类号：U664.12 文献标识码：A
Reason Analysis of M/E Stall Accident While Reverse
and Solution Proposal Based on A Tugboat
YIN Jinhui1， YANG Tao2， LI Zhen2， WANG Guozhuang2
（ 1. CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Company Ltd.， Guangzhou 510715; 2.Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）
Abstract：
The ships should be often operated with astern control during sailing， and emergency reversal operation occurs accidentally. For ships， the astern operation condition is quite different from automobile， because the ships propeller is often rotating while operating reversely. The main Engine （M/E） need overcome a big counter-torque peak at reverse engaging from shafting， so it happens easily that the M/E would stall while operating reversely. The potential safety hazards e.g. ship collision， stranding etc will exist if its M/E stalls at reverse operation when ship is sailing， which should be avoided as much as possible. This paper will analyze the cause of M/E stall during reverse operation by taking a type of tugboat as an example， and propose some solutions.
Key words：
Electronic Remote Control; Astern; M/E Stall; Cause Analysis; Solution
1 前言
船舶倒车操纵瞬间往往船舶仍具有一定航速，螺旋桨正处于正转状态，其与陆上行驶的汽车操纵瞬间状态炯然不同，为此要求船舶推进系统需具有更好的操纵性。如果船舶航行时出现倒车熄火或倒车动作异常迟缓等现象，均易引起船舶航行安全隐患。尤其是倒车熄火问题应极力避免，因其可能造成撞船、搁浅等重大安全事故。本文将以某型拖船为例，分析船舶航行倒车熄火原因，提出解决方案。
2 船舶概况
本拖船主要用于沿海港域内作业，采用双机双桨的推进系统，驾驶室遥控操纵；
主机为船用高速柴油机，通过弹性联轴节、减速齿轮箱、轴驱动定距螺旋桨。
（1）船舶主要参数
船长 ～21 m
系柱拖力 ～13 t
设计航速 12 kn
（2）主机
功率 ～500 kW
转速 2 100 r/min
出厂怠速 ～650 r/min
（3）齒轮箱
船用倒顺离合齿轮箱，其输入端经弹性联轴器与主机联接，减速比：4：1
（4）遥控系统
本船主推进遥控系统为电子控制模块，电子控制柴油/空气比率，主机、齿轮箱及其遥控系统成套供货。
3 故障情况
本型船共两艘，经系泊及航行试验检测其性能指标达到设计要求，均已交付船东使用，但使用不久两艘船均出现以下同样问题：
（1）当船舶前行航速接近 7.5 kn时，操作倒车主机容易出現熄火问题；
（2）当航速大于 9 kn时，紧急操作（把手柄迅速拉到底）主机容易出現熄火问题。
根据船东反馈情况，有关责任单位组织人员对实船进行操作试验。试验是在顺风顺水直线航行条件下，进行多种工况正车-倒车操作试验。试验发现，在正常航行时，主机能够达到额定转速，且在航速小于7.5 kn时进行手动快速倒车操作，主机运行正常没有发生熄火；
而当航速大于 7.5 kn时，进行手动快速倒车操作容易导致主机熄火，但按操作手册对主推进装置进行紧急倒车操作时，未出现主机熄火现象。试验过程中，主机滑油压力/温度、冷却水温度、排气温度及齿轮箱的滑油压力/温度和工作油压力等参数均正常。
试验方法：在相对平静的水域条件下，船舶直线航行航速稳定在7.5 kn后，操作手柄移动到空挡位置，并在空挡位置停留约10 s，待航速下降后再将手柄拨至后退档合排，同时把手柄往加速方向拉。在合排动作瞬间，主机转速降到300 r/min左右，主机负荷率达到70%，加速后主机转速回到怠速，主机未出现熄火；
将主机怠速由650 r/min提高到700 r/min，其试验结果相似。
4 故障原因分析
基于上述试验现象，分析判断可能是由于倒车动作瞬间，轴系倒车所产生的扭矩或功率超过主机发出的扭矩或功率所致，其可能原因为：
（1）轴系线不对中，轴与轴承间的摩擦力过大；
（2）螺旋桨叶变形，所产生的扭矩超过设计值；
（3）螺旋桨轴被渔网缠绕，轴系转动阻力过大；
（4）柴油机燃油供油不足，在倒车工况点主机的扭矩/功率达不到设定值；
（5）本船为拖船，其螺旋桨设计以满足推力/拖力要求为准，同功率下拖船的螺旋桨惯性矩通常比高速船的大，所以主机需克服更高的瞬间反转扭矩/功率峰值，要求更缓慢手动换向操作。如船员操纵不当，使桨在高速正向旋转状态下强力反转，主机需克服过高的瞬间反转扭矩/功率峰值而引起熄火；
（6）如螺旋桨过重，倒车合排瞬间螺旋桨的扭矩/功率超过主机能发出的扭矩/功率，导致主机掉速过大，引起熄火；
（7）控制程序与船舶特点不吻合，在系统执行倒车啮合时，该转速点的轴系瞬间反转力矩/功率超过主机发出的功率/扭矩而引起熄火。
5 故障原因排查方法
基于上述原因分析，需对其逐个排查，排查方法如下：
（1）轴系线不对中
检查轴系振动情况、轴承温度是否正常、轴系运行是否有异常响声。经查本船无异常，本条可以排除；
（2）螺旋桨桨叶变形
检查航行时推进水尾流情况、尾部船体振动是否异常、是否有异常响声、航速是否有较大变化。经查本船无异常，本条可以排除；
（3）螺旋桨轴被渔网缠绕
检查主机能否正车拉到额定转速、检查轴系冷却水压力是否有较大升高。经查本船无异常，本条可以排除；
（4）柴油机供油不足
检查供油管路是否正常、燃油濾器是否堵塞、油管路是否有过量积水、主机自身的供油系统是否正常、系泊状态进行倒车操作其工作是否正常。
本船全速航行时，主机油门信号100%，主机转速2139 r/min，转速在额定转速以上，负荷率为97%，输出功率完全满足螺旋桨所需功率，各项运行参数正常。没有异常报警故障，本条可以排除；
（5）船员操纵不当
核查船舶操作员是否经过培训，并有一定驾船经验；
参照主机遥控系统操作说明书，对比船员操作方法是否得当。经查本船操作员具有资格证书，通过视屏观察，其操作方法无异常，本条可以排除；
（6）螺旋桨与主机特性不匹配
检查船舶在设计航速航行工况主机滑油温度、冷却水温度、排气温度是否过高、柴油机气缸爆发压力是否超标、对比分析螺旋桨特性曲线与主机推进特性曲线吻合度。
经查螺旋桨特性曲线与主机厂家建议的螺旋桨功率特性曲线基本吻合；
在主机转速700 r/min时，螺旋桨的所需功率约为20 kW，而主机能发出的功率可达到约83 kW，主机能力约为螺旋桨所需功率的4倍，具有足够余量。其机桨匹配性可满足使用要求，本条可以排除；
（7）遥控系统工作程序
对主机控制系统使用说明书或工作原理进行研究，了解其对主机、齿轮箱的控制基本原理，掌握其实船设置、调试方法。经调研，本船遥控系统厂家对用户提出了如下要求：
① 应根据每艘船的特点，其控制倒车换向的时间和换向模式应在航行试验期间进行调试，在船舶操纵前应根据实际情况对该系统定义的C2和C3功能码中的内容作适当调整，否则可能会引起发动机熄火问题；
② C2功能码设置
C2功能码可以选择设定00、01、02三个不同的数字，其分别表示不同的延时控制程序：
00—表示齿轮箱啮合状态下延时，其延时时间由油门控制手柄的初始位置自动按比例确定。其控制程序为：油门位置降到怠速→齿轮箱保持前进或倒车啮合状态→控制系统按油门控制手柄的初始位置自动按比例延时结束→齿轮箱反向合排→油门移动到控制手柄所在位置；
01—表示空档延时，其延时时间由油门控制手柄的初始位置自动按比例确定。其控制程序为：油门位置降到怠速→齿轮箱脱排处于空档状态→控制系统按油门控制手柄的初始位置自动按比例延时结束→齿轮箱反向合排→油门移动到控制手柄所在位置；
02—表示固定空档延时，其延时时间由C3设定的参数确定。其控制程序为：油门位置降到怠速→齿轮箱脱排处于空档状态→控制系统在此点延时，其延时时间基于C3的参数按转速比例计算（与油门初始位置无关）→齿轮箱反向合排→油门移动到控制手柄所在位置。
③ C3功能码设置
如果实船选用上述的C2-02功能模式，则应用C3功能码设定延时时间。确定C3所需设定参数的方法为：
将油门手柄置于全速前进位置→保持此位置60 s以上，且船舶已达到最大航速 →快速将油门手柄拨到前进怠速或空档位置，同时用秒表开始计时→当主机转速到达怠速，且船舶航速降到2 kn以内，秒表计时结束，记录所测时间→将秒表记录时间预先设定到C3功能码中→通过航行试验核实各工况是否存在主机熄火问题。
厂家资料表明，该主机遥控的C3设定值为0～99s，出厂的设定值为4 s；
经上述排查，发现本船的遥控系统选择上述C2-02模式，而C3的设定值为出厂默认值4 s，未曾以试验方法进行重新修订，其程序控制延时时间过短，造成船舶航行倒车合排时的扭矩峰值过大，从而引起其主机倒车熄火。
6 解决方案
6.1 建议方案
（1） 方案一
① 改进紧急倒车操作方法
当船舶遇到紧急情况需要倒车急停，这时无论在任何航速，应立刻把操作手柄迅速往后拉到底，一个动作连贯操作，在紧急倒车操作时不应出现停顿，动作要迅速和连贯；
② 改进手动倒车操作方法
在船舶有足够的安全距离的情况下，进行倒车操作。船在前进状态下，将操作手柄拉到空挡，停留约8 s，再将操作手柄入倒车档接排。在操作倒车档时，应将操作手柄往加速方向拉，适当加速以增加进档时的扭力，并注意以下两点：
8 s停留空档时间是在初始前进稳定航速在7.5 kn的情况下，如初始前进稳定航速在7.5 kn以上，则应该相应增加停留时间，反之则相应减少停留时间。如初始前进稳定航速2 kn以内，则中间仅需停留1～2 s。
操作倒车进档前应尽量降低航速，避免接近航速极限值操作。应把操作手柄拉到空档停顿，使船在没有动力下降低航速，然后再操作倒车进档。如操作过快，会导致螺旋桨惯性大于主机进档扭力，主机容易出现熄火，所以应把操作手柄拉到空档，降低航速后再倒车进档。
该方案的手动操作程序复杂，需船员长时间练习才可掌握，且操作某个环节稍有不当亦易发生熄火问题，往往船东难以接受。
（2）方案二
选择C2-00模式。该方案是齿轮箱离合啮合状态下降速模式，即主机与轴系同步降速，直到按油门初始位置延时后自动换向。
（3） 方案三
选择C2-02 +按标准程序确定C3参数模式。按上述C3功能码设置方法确定延时参数，设置 C3功能码的延时时间。本船据此确定的C3参数为30，经调整后试验，船舶全速航行工况下紧急倒车时间为20～25 s，其手动操作和紧急操作主机倒车均未出现熄火现象。但用户认为，本船倒车动作反应时间过长，船舶亦存在操作安全隐患，船东亦不愿接受。
（4）方案四
选择C2-02 +按需要设定C3参数模式。基于实船试验所测得倒车反应时间参数，根据需要适当修正C3原设定的参数。其修正方法是：C3的参数减小，倒车反应时间变短；
反之倒车反应时间变长。需提醒注意的是，倒车反应时间不宜调整得过短，否则齿轮箱将承受较大的冲击力，并伴有熄火风险。本文推荐船舶倒车平均延时时间为10～15 s。
6.2 解决方案
本船船東要求全速航行工况下，其紧急倒车反应时间应不大于15 s。为此，本船选择上述方案四。
基于前期调试数据，将本船的C3参数减小，由30调整为25，其它参数按说明书要求作匹配性调整，参数修正后分别在无风和有风环境下进行了航行试验。
从航行试验记录的数据可知：倒车延时时间与拨动油门手柄的速度、航道水流方向及水面风力情况等因素有关。
7 结束语
事实表明，采船用电子式主推进遥控系统，可根据各船舶特点进行适应性调整，并经航行试验验证其合理性；
合理选择控制模式或调整遥控系统中程式的相关参数，可以改变主机合排延时时间，以获得合理而适用的自动控制程序，提高船舶操纵性，避免熄火故障发生；
调整前，应仔细阅读、理解遥控系统相关资料，掌握其正确的调整、设置方法，选择合理的合排延时时间，既能保证船舶安全驾驶，又可避免轴系换向对主机/齿轮箱产生过大反冲击力；
此外，紧急倒车时，其控制手柄的移动速度对主机合排延时时间具有较大影响，需操作员在实际使用中认真体会、掌握，但无论如何，控制系统应能保证紧急倒车操作不会出现主机熄火现象。
作者简介：尹金辉（1978-），男，高级工程师。主要从事轮机工程管理工作。
杨 涛（1965-），男，研究员。主要从事船舶轮机设计研发工作。
收稿日期：2023-02-06
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