变矩浆原理及故障分析 - 图文

内容摘要

摘要：本文首先介绍了“育鲲”轮所用的可调螺距螺旋桨系统的组成和功能及其与定距桨

相比较的优缺点，并详细描述了调距桨液压系统的工作原理，然后分析了调距桨液压系统方面可能出现的故障并分析了可能的故障原因，希望能为“育鲲”轮上的轮机人员日后对调距桨的管理提供一些有价值的参考。

关键词：调距桨 优缺点 液压系统 故障分析

ABSTRACT: The passage firstly introduces the composition and function of the

controllable pitch propeller used in “yukun” ship, and its advantage and disadvantage compared with the fix pitch propeller. And particularly describes the working principle of the controllable pitch propeller’s hydraulic system . Then analyzes the possible trouble in hydraulic system and analyzes possible trouble reason, hope to be valuable to our daily management on the controllable pitch propeller for the engineers in “yukun” ship.

Keywords: controllable pitch propeller advantage and disadvantage

hydraulic system trouble shooting

目 录

前言................................................................................................................................................... 1 1. 调距桨装置的组成及功能 .......................................................................................................... 1

1.1调距桨部分 ......................................................................................................................... 1 1.2传动轴部分 ......................................................................................................................... 1 1.3调距机构 ............................................................................................................................. 2 1.4液压系统 ............................................................................................................................. 3 1.5操纵系统 ............................................................................................................................. 4 2. 调距桨装置的优缺点 .................................................................................................................. 5

2.1 调距桨装置的优点 ............................................................................................................ 5 2.2 调距桨装置的缺点 ............................................................................................................ 5 3. “育鲲”轮调距桨液压系统的工作原理 .................................................................................. 6 4. 调距桨装置液压系统的常见故障分析 ...................................................................................... 9

4.1 伺服油泵故障 .................................................................................................................... 9

4.1.1伺服油泵不能起动 ................................................................................................ 9 4.1.2伺服油泵启动后不能排油或启动后流量不足 .................................................. 10 4.1.3吸入压力太低 ...................................................................................................... 10 4.1.4排出压力太高 ...................................................................................................... 10 4.2 阀件故障 .......................................................................................................................... 10

4.2.1比例调节阀故障 .................................................................................................. 10 4.2.2伺服油压力调节阀故障 ...................................................................................... 10 4.3 密封件故障 ...................................................................................................................... 11

4.3.1配油器轴的密封件故障 ...................................................................................... 11 4.3.2回转式接头的密封件故障 .................................................................................. 11 4.3.3伺服液压油缸的密封件故障 .............................................................................. 11 4.4 异常振动和噪音 .............................................................................................................. 11 5. 结束语： .................................................................................................................................... 12 附图：图1 调距桨传动轴的组成图 图2 调距桨调距机构的组成图

图3 “育鲲”轮调距桨配油器实物图 图4 “育鲲”轮调距桨液压控制单元 图5 “育鲲”轮调距桨液压伺服系统原理图 图6 “育鲲”轮调距桨装置应急接头 图7 “育鲲”轮调距桨装置机械螺距指示器

“育鲲”轮调距桨液压系统原理及其液压

系统常见故障分析

前言

近年来随着我国航运业的快速发展，船舶在动力推进性能上有了极大的提高。船舶动力推进系统是船舶运动的心脏，其控制性能优劣直接影响船舶的航行速度、机动性、平稳性，而且对推进系统本身的工作效率、主机寿命等都产生严重影响。以螺旋桨为动力推进的船舶主要采用定距桨或调距桨驱动方式，所谓调距桨是指通过螺旋桨桨叶转动机构改变其螺距，以获得不同的推力。调距桨在船舶上的应用除作为主推进装置外，还用于船舶的侧推器。

“育鲲”轮是我国第一艘自行设计和建造的专用航海教学实习船，于2008年4月首次下水适航。该轮主机采用MAN B&W公司生产的型号为6S35MC的低速、二冲程、十字头式柴油机，设有轴带发电机、首侧推和减摇鳍等装置并采用了调距桨装置，“育鲲”轮调距桨的调距机构是以液压系统驱动为动力源。该轮的调距桨液压系统采用了两台伺服油泵，彼此间不相互干扰并设置了安全保护装置；由于调距桨液压系统的外负载变化较大，所以设置了卸荷回路，以减小系统的功率损失及油液发热；而在桨叶调到所需要的螺距时应能锁紧以“稳距”，故设置了锁紧回路；同时对调距桨的调距范围、时间、精度等都有一定的要求。

1. 调距桨装置的组成及功能

“育鲲”轮采用的液压式的调距桨装置，型号为：VBS980。该调距桨装置由调距桨部分、传动轴部分、调距机构、液压系统和操纵系统组成。

1.1调距桨部分

调距桨部分包括可转动的桨叶、桨毂和桨毂内部装设的转叶机构等。桨叶可以在一定的角度内旋转，因此，当螺旋桨的调距机构动作时就可以带动桨叶旋转，从而改变螺旋桨的螺距。桨毂是调距桨的主体部分，在它的外部安装桨叶的旋转机构，内部固定调距桨的变距机构。转叶机构是将往复运动转变为回转运动的机构，具有结构简单紧凑，传递扭矩能力大的优点。

1.2传动轴部分

调距桨的传动轴（如图1）一般由螺旋桨轴和配油轴两部分组成，两者用套筒联轴器相

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连。这种形式的传动轴和定距桨的传动轴不同，它是中空的，其中装有调距杆，中空的传动轴既可将主机输出的动力传递到螺旋桨，又可以在其内部安装输油管，作为进回油的通道。

图1 调距桨传动轴的组成图

1.3调距机构

调距机构（如图2）包括产生转动桨叶动力的伺服油缸、伺服活塞，分配压力油给伺服油缸的配油器，桨叶定位和桨叶位置的反馈装置及其附属设备等。它的主要作用是调距、稳距以及对螺距进行反馈和指示。调距是短暂的，稳距是长期的。

图2 调距桨调距机构的组成图

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调距机构安装在桨毂内部，它是安装在桨毂末端的一个整体部分。它能够将伺服活塞的往复运动转变为转叶机构的回转运动，再由转叶机构带动与其固定在一起的桨叶旋转，从而得到需要的螺距，与此同时多余的液压油被引入位于轴承下方的放残柜中，当油位达到高位时就会通过自动控制的油泵泵回伺服油缸。

调距机构中的配油器（如图3）是向螺旋桨配入调距压力油的主要装置，“育鲲”轮上的配油器是以全浮动形式安装在连接法兰上的，它是靠与船体连接的一个销子防止的其转动的，所有与配油环相连的管路必须用柔性接头，这样配油环可以跟随传动轴运动；在配油环的顶部还有一根直通泄油柜的泄放管，一旦配油环中液压油过多时，多余的液压油可以通过这跟管路流到泄放柜。从液压系统来的调距压力油依靠配油轴承的回转密封装置，经轴上开孔注入配油轴内孔的内油管或外油管进入桨毂相应油缸的一腔，同时另一腔的低压油从配油轴承的另一端通过被打开的锁止阀,完成调距所需要的高压进出油回路。

图3 “育鲲”轮调距桨配油器实物图

1.4液压系统

液压系统（如图4）主要由液压伺服油泵、控制阀、油箱和管路等组成，它的作用是为伺服油缸提供符合要求的液压油。

“育鲲”轮调距桨装置配有两台型号为E4V032L1 LRJE的液压伺服油泵，排量为42

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L/min。正常情况下一台处于工作状态，其排量满足调距与正倒车的要求，另一台处于备用状态。控制阀主要有比例调节阀、伺服油压调节阀和安全阀等，主要作用是对液压油的流动方向和压力进行控制。油箱作为存储整个系统工作时所需的液压油的容器，其上装有透气孔、油盘泄放孔、探测孔、系统油注入孔等。

图4 “育鲲”轮调距桨液压控制单元

1.5操纵系统

操纵系统主要由操纵台、控制和指示系统组成。它的作用是按预先确定的控制程序同时调节发动机的转速和调距桨的螺距，以获得所要求的工况。“育鲲”轮调距桨装置调节螺距采用三种操纵方式，包括：

（1）驾驶台和集控室的正常操作：首先确认调距桨油柜的油位及冷却水的供给情况是

否正常，然后起动调距桨伺服油泵，确认其工作油压正常后，这时通过操纵驾驶台或集控室内的螺距控制手柄便可获得需要的螺距。

（2）驾驶台的辅助操作：在推进控制系统（PCS）发生故障时，无法利用其起动或停

止主机，也无法实现其负荷控制功能的情况下，这时可以采用辅助控制方式操作调距桨。首先按下（PCS）控制面板上的按钮（BRIDGE CONTROL）将螺距控制

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置于遥控方式，然后按下驾驶台上的（PCS）控制面板上的（BACK UP CONTROL ON/OFF）按钮，这时利用驾驶台上的（PCS）控制面板上的手柄控制螺距即可。 （3）在泵站的手动操作：首先将泵站控制箱上的旋钮置于“LOCAL”位置，然后起

动伺服油泵，这时利用控制箱上的比例调节阀的推杆来改变螺距。

此外，在“育鲲”轮调距桨装置中还设有应急锁紧桨叶装置，利用它可在应急情况下（例如液压系统失灵），把桨叶固定在一定的正螺距值上，使调距桨变为定距桨。

2. 调距桨装置的优缺点 2.1 调距桨装置的优点

（1） 对船舶航行条件的适应性强。不论船舶在何种工况下，调距桨均能给予主机发出

全部功率的能力，因此船舶可以获得较高的航速或给出较大的推力。 （2） 动力装置的经济性好。

（3） 船舶的机动性好。1）螺距角正、负值转换的时间比主机换向的时间短，高速船

尤为明显。2）装有调距桨的船能给出比装有定距桨的船更大的反向推力。3）船舶可进行无级调速。

（4） 有利于主机向辅助设备提供动力。装有调距桨的船舶在航行时，主机可以保持恒

速运转状态，这对要求恒速运转的轴带交流发电机特别有利。

（5） 延长了发动机的寿命。采用调距桨装置可减少主机起、停次数，减少运动部件的

磨损和受热部件的热疲劳损坏，主机无需逆转，不用配备换向机构，使结构简化，减少了维护管理工作量。

（6） 便于实现遥控。螺距的调节一般在驾驶台由驾驶员就可直接操作。

2.2 调距桨装置的缺点

（1） 调距桨和轴系的构造复杂，造价较高。

（2） 桨毂中的转叶机构零件较多，而空间又小，可靠性不如定距桨。

（3） 由于调距桨的毂径比定距桨大，所以在相同的设计工况下调距桨比定距桨的效率

低3%左右。

（4） 调距桨桨叶根部由于受叶根法兰尺寸限制和布置固定螺栓的需要，使叶根剖面宽

度较小，为保证根部强度，叶根厚度相应增加，使桨叶根部容易产生空泡。

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3. “育鲲”轮调距桨液压系统的工作原理

图5 育鲲轮CPP液压伺服系统原理图

1-止回阀；2-伺服遥控箱；3-位置变送器；4-位置变送器；5-活塞杆；6-配油环；7-比例调节阀；8-伺服油压力调节阀；9-伺服活塞；10-滤器；11-伺服油缸；12-滤器；13-止回阀；14-液压油柜；15-液压冷却器；20-压力滤器；21-安全阀；22-双止回阀；23-液压锁；24-配油环泄放管；25-柔性接头；26-液压单元；

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27-输送泵；28-电动伺服油泵；29-滤器；30-泄放油柜＿置于配油环下；31-滤器（名义精度）；32-阀EP／ER用于紧急运行；A-伺服油-后退；B-伺服油-前进；C1-冷却水进口；C2-冷却水出口；S1-泄油柜透气； S2-输送泵进动力单元；S3-泄放口；S5-油盘泄放；S6-系统油进入／透气；S7-备用接口；S8-透气；S9-探测；EP-应急动力油；ER-应急回油；TI54-温度计0—120℃；PI55-压力表0-100bar；LAL49-液位报警；LSL52-液位低地位开关；LSH52-液位高位开关；LAH52-液位高位报警；PSL57-压力低开关；PAH53-压力高报警；PAL55-压力低报警；PAL59压力低报警；TAH54-温度高报警；M、MA、MB、MC、MF、MP、MT-测量点

（1）调距工况：当操纵台发出“前进”的调距指令时，螺距指令作用在比例微分调节器PD上，然后传给比例调节阀7。使电磁阀左位通电，比例调节阀7工作在左位，此时P口与Ｂ口、A口与T口分别接通。液压油柜14中的液压油经滤器29由伺服油泵28加压后，经止回阀13和压力滤器20、比例调节阀7的左位PB口后，分两路：一路经双止回阀22的右端P2进入，经A口输出并进入到伺服压力调节阀8的外控油口端Y，伺服油压力调节阀8的入口处Ａ与其外控油口Y的压力差在该阀弹簧的设定压力范围内，故伺服油压力调节阀不动作。另一路压力油经管路B、配油环中的液压锁23，再经配油轴34中的油道进入伺服活塞9的左侧。伺服活塞右侧的油在活塞的推压下，经配油轴6中的另一油道、管路A、比例调节阀7的左位AT口，液压冷却器15，滤器12回至液压油柜。伺服活塞在两侧压差的作用下向右移动，同时通过十字头滑块和曲柄机构驱动桨叶回转。

当操纵台发出“后退”的调距指令时，螺距指令传给比例调节阀7。使电磁阀右位通电，比例调节阀7工作在右位，此时P口与A口、B口与T口分别接通。液压油柜14中的液压油经滤器29由伺服油泵28加压后，经止回阀13和压力滤器20、比例调节阀7的右位PA口后，也分两路：一路经双止回阀22的右端P1进入，经A口输出并进入到伺服压力调节阀8的外控油口端Y，伺服油压力调节阀8的入口处Ａ与其外控油口Y的压力差在该阀弹簧的设定压力范围内，故伺服油压力调节阀不动作。另一路压力油经管路A、配油环中的液压锁23，再经配油轴34中的油道进入伺服活塞9的右侧。伺服活塞左侧的油在活塞的推压下，经配油轴6中的另一油道、管路B、比例调节阀7的左位BT口，液压冷却器15，滤器12回至液压油柜。伺服活塞在两侧压差的作用下向左移动，同时通过十字头滑块和曲柄机构驱动桨叶回转。

伺服活塞移动的同时，还通过活塞杆5和位置变送器3、将桨转叶的动作传给伺服遥控箱2，当达到要求的角度后，调距指令自动取消，电磁阀失电，比例电磁阀7回中位，液压锁23关闭。这一调节过程结束后另一个位置变送器4将活塞杆5的位置传至操纵台的桨叶

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角指示器，即螺距指示器，以显示螺距的大小。

（2）稳距工况：液压锁23关闭后，伺服活塞两侧的油都被液压锁中的止回阀封闭在伺服油缸中，靠油液的不可压缩性将桨叶固定在所要求的位置上。此时一台伺服油泵继续运转，比例调节阀阀芯处于中位，A、B口分别与T口相通，管路中的液压油经液压冷却器15、止回阀13和滤器12泄至液压油柜14。由于伺服油压力调节阀外控油口Y的压力（管路中液压油泄至油柜故外控口Y受低压）与该阀进口压力的差值超过了其调压弹簧的设定压力值所以该阀动作开启，这样从液压油柜14泵出的液压油经伺服油压力调节阀8和冷却器15、止回阀13和滤器12回油至油箱。

在该液压伺服系统中，比例调节阀7为“Y”型的三位四通电磁阀，通过其工作在左位或右位来控制液压油的分配，进而控制螺旋桨桨叶达到所需的螺距，而通过推进比例调节阀7末端的推杆可以手动控制螺旋桨的螺距。

伺服油压调节阀8的作用是调节系统的工作油压，当操纵台不进行螺距改变操作时，伺服油压调节阀8将比例调节阀7前的压力控制在20bar，当进行前进或倒退操作而需要改变螺距时，无论比例调节阀7将工作在左位还是右位，双止回阀22都会有油输出到伺服油压调节阀8的压力控制端，使该阀的设定压力随止回阀22输出端的压力升高而升高，设置该阀的目的是在系统不进行操作时将系统的工作油压控制在一个较低的值上，而在系统进行操作时系统的工作油压将会随着负荷增加而增加，这样做的优点是可以节省能量。

单向阀13使油液按指定的方向流动用于防止系统中的液压油倒流。

安全阀21是整个系统的安全阀件，作用是能够调整最大的系统压力，如果系统压力超过了该阀的调定值（设定值为70bar），油便会排入油箱。工作压力过低时由压力开关57发出报警信号。液压油柜油位过低由液位开关49发出报警信号。

液压锁23的作用是不但可以在系统工作时打开回油油路的单向阀，还可以在系统停止工作，比例调节阀7回中时锁闭油路，它的密封性远远好于换向阀，可以防止桨叶传来的反力使伺服活塞移动。

EP为应急动力油管路，ER为应急回油管路。当液压系统完全瘫痪时，为了防止船舶出现桨叶不定的情况而失去动力，这时需要进行应急操作。将配油器轴套上与伺服油管A和B的接头和软管拆下，并利用拆下的软管将快速接口的另一端联接到应急油路的EP和ER端。启动一台伺服油泵，设定需要的螺距，此时液压油经应急动力油管路EP直接进入配油环中的液压锁23、配油轴6中的油道进入伺服活塞再经配油轴中的另一油道、应急回油管路ER和滤器12泄至液压油柜。达到所需的螺距后关闭螺旋桨轴中的止回阀使桨叶固定在所要求

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的位置，停止伺服油泵，将变距桨转变为定距桨来使用以保证船舶的安全航行。

图6 “育鲲”轮调距桨装置应急接头

4. 调距桨装置液压系统的常见故障分析 4.1 伺服油泵故障

伺服油泵发生故障将会导致整个液压系统不能工作，使调距桨丧失调距功能。“育鲲”轮调距桨装置中的伺服油泵为三螺杆泵，其故障主要包括： 4.1.1伺服油泵不能起动

可能原因：

1）吸入管路没有开启或者吸入管路的压力降低的太快，此时要检查吸入管路的所有部分，用真空表在泵的进口处检查泵的吸入情况； 2）吸入管路漏气，此时要检查吸入管路的密封情况；

3）由于背压过高，伺服油泵不能够通过排出管路驱除空气，此时要检查排出阀是否开启或排出管路滤器是否堵塞。

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4.1.2伺服油泵启动后不能排油或启动后流量不足

可能原因：

1）调压阀设定的太低（排出压力也低）此时要对调压阀进行调整；

2）吸入管路堵塞，这通常会产生噪音这时需要检查吸入管路所有部件的滤器、阀件等。 4.1.3吸入压力太低

可能原因：

1）调压阀设定的太低，此时要对安全阀进行调整；

2）由于泄露使排出管路的背压太低，此时要检查排出管路包括接受器等部分； 3）阀芯在开启位置卡死，此时要根据相应泵的维修保养和使用说明对泵进行检查； 4）吸入管路堵塞，这通常会产生噪音此时需要检查吸入管路所有部件的滤器、阀件等。 4.1.4排出压力太高

可能原因：

1）调压阀设定的压力太高，此时需要调整调压阀的压力；

2）油液温度太低或者粘度太大，此时应降低设定压力直到使用温度达到要求； 3）排出管路的背压太高，此时需要对排出管路进行检查。

4.2 阀件故障

4.2.1比例调节阀故障

1）电磁阀通电，阀芯不换向；或电磁铁断电，阀芯不复位，造成不能有效的进行油液分配进而无法进行螺距的控制。可能原因是接线问题或电压太低，电磁铁推力不足； 2）阀芯卡住造成不能有效的控制桨角致使桨叶控制失效。这时应主要检查使用条件是否超过规定的指标，如压力、油温、过滤精度等。再检查复位弹簧是否折断或卡住，以及安装螺钉是否拧得太紧而引起阀体变形，这时应拆检并仔细清洗；

3）长期使用后，执行机构出现运动速度变慢，造成调距时间延长，调距性能下降。主要是因为推杆因长期撞击，磨损变短或衔铁与推杆触点磨损使阀芯行程不足，引起油腔开口变小，通过流量减小，这时应更换推杆或电磁阀。

4.2.2伺服油压力调节阀故障

主要是调压失灵致使可调变距桨液压系统内的工作油压无法进行调节，液压油不能驱动伺服活塞进而失去调距的功能。调压失灵的原因除阀芯因种种原因造成卡紧外还包括：

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1）主阀芯上的阻尼孔堵塞，油压传递不到主阀上腔和导阀腔，导致失去对主阀的压力调节作用；

2）调压弹簧变形或压缩行程不够，阀的内泄漏过大等使压力达不到额定值；

3）锥阀座上的阻尼孔堵塞，在任何压力下都不打开溢流，主阀上腔无法泄压始终关闭。这时需要降低液压油的污染，加强液压油净化处理并更换不符合要求的弹簧。

4.3 密封件故障

4.3.1配油器轴的密封件故障

配油器轴的密封件因配油轴与艉轴两端连接,长期的旋转磨擦易使轴上产生毛刺与凹痕,如不能有效保证配油器二腔之间的密封,就会产生泄漏串油,造成操作油压与回油的压差减小,变距动作迟钝,噪声增大,如果串油严重会造成无法变距。因此采用相关技术手段,对配油轴易磨损部位进行处理,提高其表面的硬度和光洁度,对保证配油轴的密封性具有重要意义。 4.3.2回转式接头的密封件故障

回转式接头因密封件失效或安装不当导致油液泄漏，不能够输送液压油至执行机构。液压油的泄漏会使螺旋桨桨叶转动迟缓，泄漏严重时会导致传动失效。因此在安装过程中要注意安装要求，提高安装精度；定期检查密封情况，必要时更换密封件。 4.3.3伺服液压油缸的密封件故障

伺服液压油缸的密封件因长期往复运动而导致磨损或因密封件老化而引起泄漏，无法将液压能转换成机械能，失去调距及稳距的作用进而导致整个液压系统失效。因此要定期化验油液成分，加强对液压油质量的检查并加强液压油的净化处理以防加速密封件的磨损，对于已经磨损或老化的密封件要在艉轴特检时进行更换。

4.4 异常振动和噪音

液流噪声：系统内空气的压缩、膨胀或在流经节流口时产生噪声，引起振动；系统内局部低压产生气穴，或吸入滤器堵塞使泵吸入不良、油温过低等产生噪声。

液压阀噪声：释放阀的敲击、油路锁闭阀或液动换向阀因调整不当而动作过快产生敲击。 泵机组异常振动或噪声：地脚螺栓松动、泵与电机对中不良、联轴节损坏、轴承或泵内部件损坏。

针对于“育鲲”轮的调距桨装置，由于长期使用，机械螺距指示器（如图7）的滚轮处没有进行良好的润滑致使其在工作过程中产生噪音，经注油润滑后噪音消失。因此，要对需

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要润滑的部件定期进行润滑。

图7 “育鲲”轮调距桨装置机械螺距指示器

5. 结束语：

本文主要介绍了“育鲲”轮调距桨装置的组成及优缺点，重点分析了调距桨液压伺服系统的工作原理，并对其相关部件可能发生的故障及产生的影响进行了的总结。液压系统作为调距桨调距机构的动力源，是本轮推进装置正常运转的重要保障。只有在充分掌握调距桨液压伺服系统原理的基础上，才能在该装置出现故障时迅速解决问，保证船舶的正常航行。

对于论文中的相关内容仅仅是通过平常向轮机员老师的请教、阅读调距桨的说明书以及查阅了相关的资料总结得出的，论文中尚有很多不成熟的见解和分析，同时也存在着很多缺陷，望老师批评和指正。

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【参考文献】

[1] 费千.船舶辅机.大连:大连海事大学出版社.2007.

[2] 陈海泉.船舶液压设备原理及维修技术.大连:大连海事大学出版社.2009. [3]“育鲲“轮可调螺距螺旋桨说明书.武昌造船厂.2004.

[4] 许乐平、詹玉龙.船舶动力装置技术管理. 大连:大连海事大学出版社.2006.

[5] 罗璠、梁前超.船用调距桨液压系统修理工艺改进性研究.武汉:海军工程大学.2009

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[5] 罗璠、梁前超.船用调距桨液压系统修理工艺改进性研究.武汉:海军工程大学.2009

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1f77.html