亢宗楠 陳冬平 付旭東 陳承燃

摘要：本文通過分析某5500DWT化學(xué)品油船舵系失效的原因，闡述了類似帶有掛舵臂船舶的舵系液壓螺栓壓入量和膨脹壓力的計(jì)算，供同行們參考。

關(guān)鍵詞：化學(xué)品油船；舵液壓螺母；故障；分析

中圖分類號(hào)：U672.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Maintenance Analysis of 5 500 DWT Chemical Tanker Rudder Failure

KANG Zongnan1,CHEN Dongping2, FU Xudong2, CHEN Chengran2

( 1. Guangxin Shipbuilding&Heavy Industry Co.,Ltd, Zhongshan 528437; 2. Guangzhou WenchongShipyard Co., Ltd., Guangzhou 510725 )

Abstract: Described by the example of 5 500 DWT chemical tanker rudder failure,expounds the calculationof rudder hydraulic bolts push-up length and expansion pressure,so that with counterparts to learn

Key words: Chemical tanker;Rudder hydraulic bolt;Fault; Analysis

1引言

船舶舵系的可靠性是安全航行的基本前提，舵系故障的存在是極大的安全隱患，問題嚴(yán)重時(shí)，不僅影響正常的航行，對(duì)船員的人身安全造成危害，甚至有可能發(fā)生重大的海難。因此，舵系的安全可靠性對(duì)于船舶而言十分重要。

GMG02是我司委外建造的5 500 DWT化學(xué)品油船，其舵系采用掛舵臂結(jié)構(gòu)形式，舵桿和舵銷由液壓螺母固定，見圖1。

2故障現(xiàn)象及分析

5 500 DWT化學(xué)品油船試航中發(fā)現(xiàn)在駕控臺(tái)舵角顯示0時(shí)，船舶明顯往左行駛，當(dāng)舵角打到右舷220，船舶才能按照直線行駛，為了明確問題的所在，必須將問題一項(xiàng)項(xiàng)排除。駕控臺(tái)操舵時(shí)，舵機(jī)艙顯示的角度與之相同，故可排除電氣反饋裝置不同步的問題，舵桿與舵柄之間為鍵連接，在擺舵的同時(shí)舵桿也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，說明舵桿與舵柄之間沒有位移。為了進(jìn)一步確認(rèn)問題所在，調(diào)整船舶壓載，將舵葉顯露出來，發(fā)現(xiàn)當(dāng)船舶駕控臺(tái)和舵機(jī)房顯示0位時(shí)，舵葉偏向右舷大概220，因此問題出在舵葉上。根據(jù)船舶出廠報(bào)告，舵桿液壓螺母的壓裝數(shù)據(jù)如表1所列。

圖1 舵系結(jié)構(gòu)圖紙

表1原始的舵桿液壓螺母壓裝數(shù)據(jù)

從表格看出，壓入量為1 mm的時(shí)候，膨脹壓力卻沒有建立，顯示為0Mpa，故初步認(rèn)為是施工時(shí)起始位置的選取出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致壓入量不夠,造成錐面出現(xiàn)位移。

3舵桿軸承處產(chǎn)生的扭矩

船舶在航行時(shí)，由于螺旋槳的推力，在舵葉處會(huì)產(chǎn)生巨大的扭矩，使船舶改變航道。舵葉所產(chǎn)生的扭矩按下式計(jì)算：

式中： ，F(xiàn)正=336 913 N；F倒=104 390 N

； ；

hm舵葉平均高度，—展舷比計(jì)算得出4.4 m；

舵葉面積之和A=10.419 m2；

k2—系數(shù)查表得正車1:1，倒車0.9；

k3—導(dǎo)流罩后舵葉k3=1.15；

Vd—設(shè)計(jì)航速，正車Vd正13 kn，倒車Vd倒8 kn

A1、A2為舵葉缺口下部和上部的面積，

A1=6.832 m2，A2=4.082 5 m2；

A2 f / A1 f—舵桿缺口上部和下部的面積；

A2 f=0.337 5 m2，A1 f=2.074 m2；

，；

b1、b2—A1、A2部分的平均寬度（m）

a1、a2—正車時(shí)取0.33，倒車取0.66；

代人式中，得出：

正車最大扭矩為T正=73 952 Nm

倒車最大扭矩為T倒=108 461 Nm

通過上述計(jì)算，當(dāng)船舶全速滿舵航行時(shí)，通過舵桿舵葉輸出巨大的扭矩，無鍵連接的舵桿舵葉，在此巨大的扭矩作用下，要靠錐面的摩擦力來防止滑動(dòng)、移位，對(duì)錐面貼合狀態(tài)及安裝工藝勢(shì)必提出嚴(yán)格的要求，對(duì)于軸向的推入壓力、徑向的膨脹壓力以及錐面貼合后的推進(jìn)量均需十分科學(xué)與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算。

4液壓螺母壓入量和壓力計(jì)算

由于缺乏設(shè)計(jì)院提供的有效數(shù)據(jù)，舵桿液壓螺母的壓入量和膨脹壓力，需要根據(jù)船舶規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。

4.1液壓裝配徑向壓力計(jì)算

根據(jù)規(guī)范要求，壓入力不小按下面兩個(gè)式計(jì)算：

=55.5 N / mm2

=48.5 N / mm2

式中：—舵桿設(shè)計(jì)屈服扭矩，；

dm—舵桿大端直徑與小端直徑之和的一半；

l —錐體長(zhǎng)度；

Mb —錐體舵承處所受的彎矩，Mb=115 521；

Dt —舵桿直徑，Dt=220 mm；

Kr —材料系數(shù)，kr=1.146；

μ0 —取值0.15；

最大壓入力根據(jù)以下公式計(jì)算：

式中：ReH—舵桿屈服強(qiáng)度，；

da-舵桿連接體的外徑（如不規(guī)則，取最小邊的兩倍）；

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，徑向壓力范圍為：

4.2液壓裝配法錐體軸向推力計(jì)算

根據(jù)規(guī)范要求，軸向推力不小于按下式計(jì)算之值：

=858.6 kN

活塞面積S=19 792 mm2，得出軸向壓力P=43.3 MPa。

最大允許的軸向推力按下式計(jì)算：

=1 439.4 kN

活塞面積S=19792mm2，得出軸向壓力P=72.7 MPa

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，軸向推力范圍為：

4.3液壓裝配法錐體壓入長(zhǎng)度計(jì)算

根據(jù)規(guī)范要求壓入長(zhǎng)度不小于按下式計(jì)算之值：

=2.11 mm

式中：Rtm—摩擦系數(shù)，一般取0.01，

c—錐體錐角，取1:15；

E—材料彈性模量系數(shù)，查設(shè)計(jì)手冊(cè)E=2.06 x105 N/mm2。

最大允許的壓入長(zhǎng)度按下式計(jì)算：

=2.93 mm

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果液壓螺母的壓入長(zhǎng)度為2.11mm<△l2<2.93mm之間，安全起見，推薦壓入量取2.6 mm。

4結(jié)論

根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，船舶在下水前舵桿液壓螺母的壓入量明顯不夠，最終造成船舶在試航的時(shí)候舵葉與舵桿產(chǎn)生位移，達(dá)不到應(yīng)有的舵效。

將舵桿液壓螺母重新壓裝，數(shù)據(jù)見表2（初始?jí)毫Π凑战o定壓力的10%給出）。

表2修正后的舵桿液壓螺母壓裝數(shù)據(jù)

出塢后，經(jīng)過航海試驗(yàn)，證實(shí)重新壓裝舵桿螺母后，沒有發(fā)生舵桿和舵葉的偏移，能夠保證船舶的正常航行。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[S], 2009.

[2]MSC. PATRAN & MSC.NASTRAN使用指南[M]. 北京: BUAA, 2002.

作者簡(jiǎn)介：亢宗楠（1983-），男，輪機(jī)工程師。主要從事船舶軸舵系方面的安裝工作。

陳東平（1982-），男，輪機(jī)工程師。主要從事船舶軸舵系方面的設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2013-10-09