船舶螺旋桨防缠绕螺旋切割刀的设计

摘要：为解决螺旋桨尾轴被海中悬浮物缠绕的问题，运用刀具设计的基本原理和方法，创新性的提出了缠绕物多刀片螺旋切割刀的设计方案，在舟山近海的航行试验中，所设计的多刀片螺旋切割刀能够较好的完成海中柔性悬浮物的切割任务，试验表明：该设计方案可行。

关键词：螺旋桨；防缠绕；螺旋切割刀

中图分类号：u662 文献标识码：a 文章编号：1006-7973（2016）06-0056-02

船舶在航行中，船体底部经常会接触到网具、绳索等海中悬浮物，这些悬浮物在船体线型的作用下，随着水流迅速流向船舶尾部，并缠绕在尾轴靠近螺旋桨的轴段上。

浙江舟山拥有各类船舶1300余艘，这些船舶在不同的海区航行，特别是渔船在起放网具时、受风浪流等影响，网具被压人船底附近，经常发生船舶螺旋桨尾轴段缠绕事故，该事故的出现，轻则影响航速，重则螺旋桨阻力增加、甚至阻转，造成船舶停航事故，严重影响了船舶的航行安全和正常的生产作业。

目前的处理方法：停机停航，派潜水员下海用刀切割缠绕物，或用其它船舶将故障船舶拖至岸边或港口，搁浅进行拖拉办法去掉缠绕物。除此之外，还没有更好的办法，这给渔民的生产、生命安全带来了极大的隐患，因此，螺旋桨尾轴段防缠绕问题急待解决。

1.国内外渔船螺旋桨尾轴防缠绕研究现状

1.1国内船舶螺旋桨缠绕异物预防方法及所面临的问题

1.1.1利用涡轮喷射水流技术防止缠绕的方法

在船舶的尾部，利用涡轮喷射水流原理，采用强力喷水的方法驱赶异物靠近螺旋桨，同时发出电子警报信号，通知船舶驾驶人员，经过综合分析船舶通过异物区时的方位与风、浪、流以及船舶自身特点，摸索出一套有效的安全通过异物区域的船舶驾驶工艺和技术。

面临的问题：此方法可以一定程度预防海上异物对船舶螺旋桨尾轴的缠绕，但是，该方案的实现所需成本极高，而且由于该装置技术复杂程度很高，无法向渔民推广使用，对于海上大面积缠绕物来说，此方法效果很差。

1.1.2保护套筒防止缠绕的方法

舟山当地渔民在长期的海上航行中摸索出了许多行之有效的土方法。在考察舟山某造船厂时，发现当地的渔民在尾轴处安装了一个保护套筒，即将螺旋桨尾轴外露部分完全罩住，使发生缠绕的关键部位得到了保护，从而减少了海上异物缠绕螺旋桨事故发生的可能性，这是一个从实践中总结出的预防方法。面临的问题：一旦螺旋桨尾轴轴承断裂、研死或螺旋桨发生故障，需要修理，船只能上岸，将密封罩取下后才能修理，这就使得修理比较麻烦，同时修理成本增高。该装置只起到一定的缠绕异物的预防作用，一旦套筒外圈被异物缠绕，无任何排除措施。

1.2国外螺旋桨缠绕异物的排除技术

1.2.1液压传动的不锈钢伸缩刀片防止缠绕：

即将传动轴设计为空心轴，在里面安装一个有液压传动的不锈钢伸缩刀片，刀口露在尾轴处，一旦有缠绕物发生缠绕时，由液压带动刀片来回往复运动，从而来实现切割缠绕物的目的，该项技术国外正在研发中，还未见产品出现。

面临的问题：①尾轴强度因轴的空心而大幅度下降；②空心轴内的液压装置由于受到空间的限制，制造成本极高；③空心轴内的液压装置由于进水而快速失效；④螺旋桨及尾轴结构需重新设计，主要零部件互换性遭到极大破坏；⑤该装置实现成本极高。

1.2.2机械手（简易机器人）防止缠绕：

通过对船舶螺旋桨缠绕异物情况的分析，可以在船舶尾部安装一个螺旋桨缠绕异物排除的机械手（简易机器人），使船舶螺旋桨缠绕发生时，可以施放机械手（简易机器人），施行拖带导引或自动切割缠绕物等办法解决，该装置使用后可以缩回，以免影响船舶正常航行。

面临的问题：该方法在实施过程中会破坏船体，实施起来技术难度极大，国外此技术还处于研发状态，而国内对水下机器人的研究也正处于萌芽状态，还未见对船舶防缠绕技术在各类工程科学类刊物上发表。

1.2.3单刀片回转切割刀防止缠绕的方法

美国一家公司2006年研制了一种在螺旋桨尾轴外露部分安装回转切割刀，利用尾轴旋转驱动刀片，刀片周向回转使缠绕异物被横向切断，从而有效解决了缠绕异物缠绕螺旋桨事故发生。该方法很好的解决了刀片的周向驱动问题，其使用简单，成本低，便于推广。如图1是美国一家公司的装置。

面临的问题：该装置虽然进行了水下试验，但目前困扰该装置推广的主要问题是：①该装置无预防缠绕的功能；②在试验中，海上异物轴向缠绕刀片时，刀片无法工作，同时使缠绕问题变得更加严重。

2.新研制的防缠绕装置的创新点及设计内容

2.1新研制防缠绕装置的创新点

经过技术攻关设计了一种多刀片螺旋回转切割刀，该切割刀由于采用了多刀片螺旋设计，很好的解决了前面各种方法面临的问题，且制造成本低，操作、安装简单，极易在各种船舶上推广使用，如图2所示。

2.2新型多刀片螺旋回转切割刀的设计内容

2.2.1多刀片螺旋回转切割刀的安装部位

多刀片螺旋回转切割刀的设计汲取了美国单刀片回转切割刀的长处，同时结合舟山渔民的保护套筒这一土办法，创造性的提出了多刀片螺旋布置于切割刀外圆柱表面，从而很好的解决了刀片轴向切割运动这一难题，具体安装部位如图3。

2.2.2多刀片螺旋回转切割刀的工作原理

螺旋桨尾轴的周向回转带动切割刀套筒做周向回转运动，由于多刀片在刀具套筒外圆柱表面呈螺旋状分布，刀具套筒的周向回转运动分解为刀片的轴向切割异物的运动和切向预防异物缠绕的运动，使海中的异物不易缠绕上螺旋桨尾轴，起到预防海中异物缠绕的作用，同时当有大型异物缠绕上螺旋桨尾轴时，螺旋型的多刀片组能够及时切割掉已经缠绕的异物，从而起到排除缠绕异物的作用。这样，该螺旋回转切割刀同时具有预防和排除海中缠绕异物的作用，并且不需提供单独动力源，该切割刀的动力仅仅借助于螺旋桨尾轴自身的回转运动即可。在该切割刀设计中，还在刀具套筒外圆柱表面设计了螺旋导屑槽，使被切割碎的异物能及时排除掉。

2.3刀具材料的选取

2.3.1硬度和耐磨性

刀具将浸在在海水中工作，既要承受海水的摩擦阻力，又要切割柔软的悬浮物，其硬度应大于hrc62，并同时具有一定的耐磨性。

2.3.2强度和韧性

在切割悬浮物过程中，刀具将承受较大的压力、冲击，为减少刀刃的崩损，刀具材料应具有足够的强度和韧性，其抗弯强度应大于300kg/mm2。

2.3.3工艺性和经济性

为了便于制造，刀具材料应有良好的锻造、热处理及磨削加工性能，这应在制造和选用时应综合考虑经济性。

2.3.4耐腐蚀性及其防护

由于所设计的刀具将工作在腐蚀性较大的海水中，刀具材料要求有较高的耐腐蚀性，因此采用了高速钢刀具基体涂覆一层耐腐蚀性高的tic的方法。

经过综合性能比较，刀具材料选用：20cani4表面涂层tic，以加强其耐腐蚀性。