徐德濤 夏玉濤 姜 偉

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

0 前言

舵系是船舶的重要安全系統(tǒng)之一，其主要作用是保證航向的穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)性。船用舵是小展弦比的平板或機(jī)翼型結(jié)構(gòu)，設(shè)置于船舶尾端。隨著舵葉的旋轉(zhuǎn)，舵葉上產(chǎn)生的水動(dòng)力的合力在垂直于船體中心線的方向上的分力相對(duì)于船體船中剖面形成轉(zhuǎn)船力矩。為保證船舶有足夠的機(jī)動(dòng)性，能夠及時(shí)規(guī)避可能發(fā)生的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，船舶應(yīng)該有足夠的舵面積，并且舵葉應(yīng)能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能夠完成從一舷旋轉(zhuǎn)至另一舷。

UI SC 246是針對(duì)舵系統(tǒng)的補(bǔ)充規(guī)范，2017年1月1日開(kāi)工建造的船舶，都需要滿足該規(guī)范的要求。自2015年開(kāi)始，該規(guī)范備受船東關(guān)注，許多在建船舶均提出需按照該規(guī)范要求在試航時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。本文針對(duì)該規(guī)范在應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法進(jìn)行探討，并針對(duì)新規(guī)范對(duì)于舵機(jī)選型及舵系設(shè)計(jì)的影響進(jìn)行分析。

1 UI SC 246的提出過(guò)程

原始提案由PTPM6801的M.Wharton提出，依據(jù)SOLAS Regulations II-1/29.3.2&29.4.2制定統(tǒng)一解釋，為在試航中不能達(dá)到最大吃水的船舶設(shè)置條件，來(lái)替代UR M42.15（i）中的相關(guān)要求。該法案于2011年6月27日獲得最終批準(zhǔn)。

2011年11月，IACS成員提出該方案中引用的ISO標(biāo)準(zhǔn)號(hào)書寫有錯(cuò)誤，對(duì)該方案進(jìn)行了修正，將方案中引用的標(biāo)準(zhǔn)號(hào) “ISO10919∶2005”修改為“ISO 19019∶2005”。

2015年，作為PTPM6801的跟進(jìn)任務(wù)，PTPM11801對(duì)PTPM6801提出的計(jì)算方法產(chǎn)生了質(zhì)疑，認(rèn)為其在計(jì)算舵/舵機(jī)性能時(shí)所需要輸入的數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中很難確定。在IACS一名會(huì)員的來(lái)信中也證明了這一觀點(diǎn)。PTPM11801項(xiàng)目組成員在原方案基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了一個(gè)簡(jiǎn)化公式，由于缺乏可用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以該簡(jiǎn)化推導(dǎo)的驗(yàn)證工作是采用兩艘船舶的實(shí)際試航數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）來(lái)完成的。該方案于2015年9月3日獲最終批準(zhǔn)，并于2017年1月1日正式實(shí)施。

2 規(guī)范的要求

2.1SOLAS要求

SOLAS II-1/29.3［1］對(duì)舵機(jī)性能提出了詳細(xì)的要求，其目的是為了保證船舶操縱性。船舶在試航過(guò)程中都需要進(jìn)行舵葉的回轉(zhuǎn)試驗(yàn)：在最大服務(wù)航速下，將舵葉從一舷的35°旋轉(zhuǎn)至另一舷的30°，船舶能夠在規(guī)定時(shí)間（28 s）內(nèi)完成該動(dòng)作，舵機(jī)就滿足規(guī)范要求。對(duì)于貨船來(lái)說(shuō)試航時(shí)并不載貨，在試航狀態(tài)下很難達(dá)到最大吃水，在壓載狀態(tài)下，舵葉又很難做到全浸沒(méi)。

2.2 UI SC 246要求

UI SC 246的題目是“Steering gear test with the vesselnotatthedeepestseagoingdraught”。其主要目的是針對(duì)SOLAS相關(guān)要求的補(bǔ)充說(shuō)明，也就是在非滿載狀態(tài)下（舵葉不能全浸沒(méi)）試航時(shí)舵機(jī)試驗(yàn)的要求。

UI SC 246的要求分兩種情況考慮：

1）如果舵葉在試航狀態(tài)下，其水下浸沒(méi)面積能夠達(dá)到95%或以上，認(rèn)為舵葉是全浸沒(méi)狀態(tài)，可以將試航數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)結(jié)果。船舶在試航時(shí)以最大航速前進(jìn)，舵機(jī)在只有一套泵組工作的狀態(tài)下，舵葉能夠在28 s內(nèi)從一舷的35°旋轉(zhuǎn)至另一舷30°，并且舵桿扭矩在舵機(jī)安全工作扭矩范圍內(nèi)，則認(rèn)為該舵機(jī)滿足規(guī)范要求。

2）如果舵葉在試航狀態(tài)下，其水下浸沒(méi)面積未達(dá)到95%，試航數(shù)據(jù)只能作為計(jì)算依據(jù)。通過(guò)UI SC 246中提供的換算公式，計(jì)算舵葉全浸沒(méi)狀態(tài)下的扭矩值。如果該計(jì)算結(jié)果在舵機(jī)安全工作扭矩范圍內(nèi)，則認(rèn)為該舵機(jī)滿足規(guī)范要求，見(jiàn)式（1）：

式中：α——換算因子；

QF——舵在滿載吃水及最大航速下的舵桿扭矩，kN·m；

QT——試航狀態(tài)下舵桿扭矩，kN·m；

AF——在滿載吃水下舵葉可活動(dòng)部分總面積，m2；

AT——在試航狀態(tài)下舵葉可活動(dòng)部分總面積，m2；

VF——滿載吃水下最大航速，kn；

VT——試航狀態(tài)下最大航速，kn

式（1）中需要用到試航狀態(tài)下的舵桿扭矩。該數(shù)據(jù)很難在試航狀態(tài)下測(cè)量。規(guī)范中提供了一個(gè)替代測(cè)量方法：用舵機(jī)泵組的工作油壓代替舵桿扭矩，見(jiàn)式（2）：

式中：pF——滿載狀態(tài)下舵機(jī)的安全工作油壓，MPa；

pT——試航狀態(tài)下測(cè)量的舵機(jī)油壓，MPa

舵機(jī)的工作原理是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)液壓?jiǎn)卧蛴透變?nèi)注入液壓油，進(jìn)而推動(dòng)舵柄或轉(zhuǎn)葉帶動(dòng)舵桿轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)舵機(jī)廠家的計(jì)算公式可以看出，舵機(jī)產(chǎn)生的扭矩與液壓?jiǎn)卧挠蛪撼示€性關(guān)系。根據(jù)力的相互作用原理，舵葉旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)抗水流產(chǎn)生的扭矩應(yīng)該等于此時(shí)舵機(jī)產(chǎn)生的扭矩。理論上講可以利用油壓代替舵桿扭矩進(jìn)行計(jì)算。

2.3 規(guī)范計(jì)算公式分析

在式（1）中有一個(gè)1.25的系數(shù)。UI SC 246的Technical background［2］可見(jiàn)這一系數(shù)的推導(dǎo)過(guò)程，見(jiàn)式（3）和式（4）。

首先，UI SC 246的 Technical background中 θ的定義為：

柱塞式舵機(jī)的舵角。擺缸式舵機(jī)和轉(zhuǎn)頁(yè)式舵機(jī)，此角度為0。

對(duì)柱塞式舵機(jī)而言，θF為全浸沒(méi)時(shí)出現(xiàn)最大扭矩的舵角，θT為試航時(shí)出現(xiàn)最大扭矩的舵角，θF與θT的取值范圍都為 0～35°。的最大值為=1.22。

上述式（3）式（4）是計(jì)算泵組油壓的數(shù)學(xué)模型。其計(jì)算過(guò)程非常繁瑣，涉及的參數(shù)也很廣泛，并不適合推廣應(yīng)用。所以，在UI SC 246的技術(shù)背景文件中，將其進(jìn)行了簡(jiǎn)化。見(jiàn)式（5）。

去除了繁瑣的計(jì)算過(guò)程，將系數(shù)歸納在1.22～1.25之間。為了使舵機(jī)能夠滿足極端工況下正常工作的效果，進(jìn)行保守簡(jiǎn)化，最終選擇在公式中采用上限1.25作為參數(shù)。

3 實(shí)船案例分析

3.1 實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在規(guī)范生效前，部分船東已要求船廠進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)。從實(shí)際的試驗(yàn)效果來(lái)看，能夠滿足要求的船舶非常少。

以上海船舶研究設(shè)計(jì)院的64 000 DWT散貨船為例：

根據(jù)CSR計(jì)算理論扭矩是768.7 kN·m，選用日系某品牌柱塞式舵機(jī)，其最大工作扭矩是1000kN·m，安全系數(shù)1.3左右。該舵機(jī)泵組的最大工作壓力是17.6 MPa，設(shè)計(jì)壓力為 22.1 MPa。

該船主尺度如下：

垂線間長(zhǎng)LPP194.50 m

規(guī)范船長(zhǎng)L192.035 m

船寬B32.26 m

型深H18.50 m

首吃水TF4.50 m

尾吃水TA7.60 m

舵機(jī)兩個(gè)泵組在試航狀態(tài)測(cè)得數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 試航中測(cè)得泵組壓力

通過(guò)上文的公式計(jì)算得出全浸沒(méi)狀態(tài)下的壓力數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 換算全浸沒(méi)狀態(tài)下壓力數(shù)據(jù)

對(duì)比兩組數(shù)據(jù)可以看出，如果按照常規(guī)試驗(yàn)方法，可以滿足要求，但是應(yīng)用UI SC 246后，完全無(wú)法滿足。

從理論扭矩計(jì)算來(lái)看，嚴(yán)格按照CSR要求進(jìn)行計(jì)算，并且計(jì)算過(guò)程中也更偏向于保守；從舵機(jī)選型上來(lái)看，保留30%的余量已在合理范圍內(nèi)?？紤]到前文提到的1.25倍系數(shù)較為保守，取消該系數(shù)后計(jì)算出舵葉全浸沒(méi)狀態(tài)下的壓力數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 取消1.25系數(shù)后計(jì)算全浸沒(méi)壓力值

從表3中的數(shù)據(jù)可知，1號(hào)泵組雖超過(guò)最大工作壓力17.6 MPa，仍在設(shè)計(jì)壓力22.1 MPa范圍內(nèi)，2號(hào)泵組已不能滿足要求。所以，即便放寬檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，2個(gè)泵組也僅有1臺(tái)能夠滿足規(guī)范要求。

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

3.2.1 泵組差異分析

從設(shè)備自身數(shù)據(jù)分析，1號(hào)泵組工作壓力穩(wěn)定，無(wú)論是從左至右還是從右至左，其工作壓力都穩(wěn)定在同一數(shù)據(jù)；2號(hào)泵組波動(dòng)很大，不僅兩組數(shù)據(jù)都大大高于1號(hào)泵組，甚至2次測(cè)得的數(shù)據(jù)也有很大差異，在15%以上。

在試航狀態(tài)下，不同海況對(duì)試驗(yàn)結(jié)果會(huì)造成很大影響，但是試驗(yàn)時(shí)間間隔不長(zhǎng)，試驗(yàn)環(huán)境不會(huì)有如此大的差異。所以對(duì)于2號(hào)泵組的狀況，用試驗(yàn)環(huán)境惡劣來(lái)解釋也并不合理。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)分析，可能造成上述因素有兩點(diǎn)：

1）2套泵組本身質(zhì)量有差異。

通常情況下，1套舵機(jī)選用的2套泵組應(yīng)為同一廠家同一批次的產(chǎn)品。泵組在出廠時(shí)一定會(huì)進(jìn)行必要檢測(cè)，所以如果出自同一廠家，其質(zhì)量不應(yīng)有如此大的差別。

2）安裝工藝有差異。

如果2套泵組出廠時(shí)質(zhì)量完全相同，那么造成測(cè)量數(shù)據(jù)差異較大的原因只能是安裝過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題。泵組靠驅(qū)動(dòng)液壓油對(duì)舵機(jī)進(jìn)行動(dòng)力輸出。在液壓管安裝過(guò)程中，如果焊接時(shí)操作不當(dāng)，將汗珠滲透至液壓管內(nèi)，造成管路焊接處管徑減小，也會(huì)造成泵組壓力輸出不穩(wěn)定。

3.2.2 舵機(jī)工作扭矩輸出分析

泵組的最大工作扭矩是1 000 kN·m，而理論計(jì)算扭矩僅768.7 kN·m，即使考慮到系統(tǒng)本身產(chǎn)生的額外摩擦力等因素，30%的余量也能夠滿足使用要求。通過(guò)UI SC 246計(jì)算得到的1號(hào)泵組壓力為24.75 MPa，按照1 000 kN·m時(shí)泵組壓力17.6 MPa換算，1號(hào)泵組的最大工作扭矩需要達(dá)到1 400 kN·m才能滿足轉(zhuǎn)舵需求。這一數(shù)據(jù)接近理論計(jì)算扭矩的2倍。

圖1是64 000 DWT散貨船設(shè)備廠家提供的柱塞式舵機(jī)最大扭矩曲線。從圖中可以看出，柱塞式舵機(jī)扭矩是隨著舵葉轉(zhuǎn)角增大而逐步增大。當(dāng)舵葉達(dá)到35°時(shí)，舵機(jī)扭矩輸出達(dá)到峰值。

圖1 64 000 DWT散貨船柱塞式舵機(jī)最大扭矩曲線

單純從水動(dòng)力方面考慮，舵葉在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，最大扭矩并不是出現(xiàn)在35°。以NACA線型為例，常規(guī)設(shè)計(jì)的展弦比一般在1.7～1.8，按照普蘭特公式推算，對(duì)應(yīng)理論上敞水狀態(tài)下的臨界攻角為20°～25°。即使考慮船舶在轉(zhuǎn)彎時(shí)水流方向?qū)Χ嫒~附加的影響，最大扭矩值也不會(huì)出現(xiàn)在35°。從理論上講，舵機(jī)只有在20°～25°的輸出扭矩能夠大于水動(dòng)力扭矩值，才能夠滿足規(guī)范要求（如圖2所示）。

圖2 柱塞式舵機(jī)輸出扭矩曲線與水動(dòng)力曲線

舵葉的水動(dòng)力扭矩峰值與線型、展舷比等因素有關(guān)。每一艘船的臨界攻角都不相同，所以無(wú)法在設(shè)計(jì)初期就預(yù)知其臨界攻角究竟在多少度?？紤]到舵系裝配時(shí)的誤差、風(fēng)浪對(duì)船體的影響、舵系系統(tǒng)在運(yùn)行中出現(xiàn)的摩擦等因素的影響，舵機(jī)選型時(shí)預(yù)留的裕度需要更大。

4 舵機(jī)分析

4.1 舵機(jī)類型

目前常用舵機(jī)主要分3種：柱塞式、擺缸式和轉(zhuǎn)葉式。

柱塞式舵機(jī)：通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)液壓泵組，將液壓油注入油缸推動(dòng)舵柄（如圖3所示）。其扭矩的變化主要是因?yàn)橛透醉敁芜^(guò)程中，舵柄與柱塞夾角變小，進(jìn)而使得力臂增加。所以柱塞式舵機(jī)的扭矩曲線峰值一般都出現(xiàn)在舵葉轉(zhuǎn)角最大的時(shí)候。

擺缸式舵機(jī)：與柱塞式舵機(jī)工作原理類似，但油缸缸體并不完全固定，可以圍繞固定軸擺動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)舵桿轉(zhuǎn)動(dòng)，一般應(yīng)用在較小的船舶上（如圖4所示）。

轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)：轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)是將液壓油注入油缸腔體，帶動(dòng)腔體內(nèi)的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)舵葉轉(zhuǎn)動(dòng)（如圖5所示）。

圖3 柱塞式舵機(jī)工作原理

圖4 擺缸式舵機(jī)示意圖

圖5 轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)示意圖

4.2 UI SC 246對(duì)于不同類型舵機(jī)的影響

在UI SC 246的技術(shù)背景文件中，有如下描述：θIs the rudder angle for Ram type steering gear.

For linked Cylinder and rotary vane steering gear this value=0

該參數(shù)是在推導(dǎo)換算公式時(shí)的重要依據(jù)之一。上文中提到的公式經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后，得到1.22～1.25的系數(shù)作為公式的安全系數(shù)。但是如果在推導(dǎo)公式中θ=0，那么安全系數(shù)應(yīng)為1。所以如果選取擺缸式或者轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)，那么在進(jìn)行舵機(jī)試驗(yàn)算換時(shí)，應(yīng)將1.25的系數(shù)取消。但是規(guī)范中并沒(méi)有對(duì)不同種類的舵機(jī)進(jìn)行差別化處理。雖然這樣安全性較高，可是從船舶建造的經(jīng)濟(jì)性來(lái)講并不合理。尤其是轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)，由于其工作原理有別于柱塞式，在工作過(guò)程中轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)的扭矩輸出是恒定的。如果也按照柱塞式舵機(jī)的方式進(jìn)行選型，會(huì)造成很大浪費(fèi)。

4.3 不同設(shè)備廠家間的選型差異

目前應(yīng)用最多的仍然是柱塞式舵機(jī)。柱塞式舵機(jī)有2套泵組和2個(gè)油缸，可以互為備用，所以船東認(rèn)為柱塞式舵機(jī)更加可靠，更傾向于選擇柱塞式舵機(jī)。

市場(chǎng)上生產(chǎn)柱塞式舵機(jī)的廠家也很多，有日系、歐系、國(guó)產(chǎn)3類。歐系設(shè)備性能可靠，但是價(jià)格較高。選配歐系設(shè)備的項(xiàng)目，一般裕度可以選擇在20%～30%。通過(guò)UI SC 246公式換算后，能夠滿足規(guī)范要求，沒(méi)有出現(xiàn)壓力超標(biāo)的問(wèn)題。究其原因，一是因?yàn)樵O(shè)備性能可靠，二是因?yàn)槠湓O(shè)備的扭矩計(jì)算方法與規(guī)范的思路相互匹配。日系設(shè)備從產(chǎn)地上分為3類，日本生產(chǎn)的原裝舵機(jī)如三菱，韓國(guó)代工產(chǎn)品如YOOWON，國(guó)產(chǎn)代工產(chǎn)品如武漢船用。日系舵機(jī)通常是日本船廠自身的配套產(chǎn)品，在日企建造船舶上表現(xiàn)良好，獲得了良好的口碑，進(jìn)而逐步推廣至中國(guó)市場(chǎng)。日系產(chǎn)品本身性價(jià)比高，在國(guó)內(nèi)代工生產(chǎn)后，其價(jià)格優(yōu)勢(shì)更為明顯，目前是市場(chǎng)上選用最多的舵機(jī)。

4.4 舵機(jī)選型建議

通過(guò)我們多型船舶實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，給出如下選型建議：

如果選取柱塞式舵機(jī)，應(yīng)放大余量以避免試航時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題。由于其扭矩輸出是上升曲線，所以建議至少將余量放寬到50%～60%。

轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)扭矩輸出恒定，不存在上升變化，可以按照常規(guī)方式選擇型號(hào)。但要注意規(guī)范公式中1.25系數(shù)對(duì)于最終計(jì)算數(shù)據(jù)的影響。

5 規(guī)范計(jì)算方法分析

UI SC246公式中所要計(jì)算是一種船舶極限工況，該工況是指船舶在最大吃水下以最大航速前進(jìn)，當(dāng)舵機(jī)液壓泵組有一組失效，僅在另外一組液壓泵組能夠正常工作的情況下，船舶能夠在28 s內(nèi)完成舵葉從一舷35°到另外一舷30°的操舵動(dòng)作。在船舶營(yíng)運(yùn)狀態(tài)，主機(jī)功率通常僅發(fā)揮百分之八十五，所以船舶基本不會(huì)在上述極限工況下航行。為滿足規(guī)范計(jì)算要求，在舵機(jī)選型時(shí)需要盡量選取較大的舵機(jī)扭矩，這樣在將試航數(shù)據(jù)換算后，才可能得到滿足規(guī)范要求的計(jì)算結(jié)果。選取扭矩較大的舵機(jī)，會(huì)增加建造采購(gòu)成本，同時(shí)船體自重、電力負(fù)荷等也會(huì)增大。為應(yīng)對(duì)極限工況而加大舵機(jī)扭矩儲(chǔ)備，設(shè)計(jì)師要仔細(xì)分析在試航中對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不利影響的各種因素，在測(cè)量數(shù)據(jù)前盡量選擇將船舶姿態(tài)調(diào)整到最佳，做到既滿足規(guī)范要求又節(jié)省成本的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5.1 試航數(shù)據(jù)記錄方法

在試航過(guò)程中，不同海況下會(huì)造成試驗(yàn)結(jié)果有偏差，準(zhǔn)確記錄試航試驗(yàn)數(shù)據(jù)是計(jì)算的關(guān)鍵。

首先是公式中的兩個(gè)基本參數(shù)：吃水和航速。吃水是換算舵葉浸沒(méi)面積的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，但是通常狀況下，通過(guò)首尾傳感器讀得的吃水并不十分準(zhǔn)確。由于波升效應(yīng)，實(shí)際舵葉浸沒(méi)面積往往是大于計(jì)算浸沒(méi)面積的。此外試航狀態(tài)時(shí)的風(fēng)速、波浪等因素，是影響航速的主要原因。在淺吃水狀態(tài)下，船舶往往可以跑得更快，如果試航航速比計(jì)算的最大航速大的話，對(duì)于平衡1.25系數(shù)也會(huì)非常有利。面積比值和航速比值看起來(lái)在這個(gè)公式中微乎其微，但是否能滿足規(guī)范要求，往往就在毫厘之間。

其次是泵組油壓數(shù)據(jù)記錄。由于海況復(fù)雜，波浪等因素對(duì)于轉(zhuǎn)舵時(shí)的影響也很明顯，在記錄油壓時(shí)，盡量選擇海況較好時(shí)進(jìn)行，并且盡量多進(jìn)行幾次試驗(yàn)，記錄幾組數(shù)據(jù)取平均值，更接近真實(shí)情況。

油壓是對(duì)扭矩的替代數(shù)據(jù)，理論上來(lái)說(shuō)是線性的。但是如果設(shè)備安裝時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，例如液壓油管被焊珠阻塞等，可能會(huì)造成油壓與扭矩不匹配。所以如果可以直接測(cè)量扭矩，試驗(yàn)結(jié)果可以更加準(zhǔn)確。

5.2 計(jì)算方法

目前已計(jì)算的船舶約七成不能夠嚴(yán)格滿足UI SC 246的要求。主要是由于這些項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段UI SC 246并未生效，仍然沿用之前的舵機(jī)選型方式。新造船項(xiàng)目雖然已經(jīng)開(kāi)始考慮UI SC 246要求，逐漸增大舵機(jī)扭矩余量，但是由于經(jīng)驗(yàn)不足及船廠成本控制等問(wèn)題，并不能保證試航結(jié)果一定能滿足要求。

針對(duì)上述問(wèn)題，可以采用如下解決方案：

5.2.1 舵扭矩?fù)Q算

通過(guò)試驗(yàn)記錄的吃水可以換算出舵葉在水中的浸沒(méi)面積AT。將AT代入式（1）可以計(jì)算出這一吃水狀態(tài)下舵扭矩QT。利用UI SC 246規(guī)范中扭矩與油壓線性等比關(guān)系，通過(guò)計(jì)算試航扭矩QT與舵系計(jì)算得到的全浸沒(méi)扭矩Q及試航狀態(tài)時(shí)的油壓pT，可以計(jì)算出舵葉全浸沒(méi)狀態(tài)下的油壓pF，見(jiàn)式（6）。

計(jì)算得到的壓力值pF如果在舵機(jī)的安全工作油壓范圍內(nèi)，則可以認(rèn)為滿足規(guī)范要求。這一計(jì)算方法以扭矩反推泵組油壓數(shù)值，合理地避開(kāi)了規(guī)范公式中關(guān)于1.25系數(shù)的要求。

5.2.2 采用詳細(xì)臨界攻角計(jì)算

在試航狀態(tài)下記錄泵組油壓最大時(shí)舵葉的角度θ1，該角度可以看作試航狀態(tài)下的臨界攻角，再通過(guò)普蘭特公式換算出全浸沒(méi)時(shí)的臨界攻角θ2，通過(guò)cosθ2/cosθ1代替公式中 1.25 系數(shù)，見(jiàn)式（7）。

原公式中1.25系數(shù)就是根據(jù)舵葉攻角數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化而來(lái)。由于取值略保守，所以造成計(jì)算結(jié)果偏大。將被簡(jiǎn)化步驟重新代入公式中，計(jì)算結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確。由于轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)、擺缸式舵機(jī)θ=0，所以該方法僅適用于柱塞式舵機(jī)。

5.2.3 取消1.25系數(shù)后計(jì)算

前面提到轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)、擺缸式舵機(jī)θ=0，所以對(duì)這2種舵機(jī)來(lái)說(shuō)整體的計(jì)算公式可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化如下，見(jiàn)式（8）。

如果采用的轉(zhuǎn)葉舵機(jī)或擺缸式舵機(jī)，建議與船級(jí)社商議將公式簡(jiǎn)化處理。

6 舵系設(shè)計(jì)建議

UI SC 246的生效，對(duì)于舵系設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響很大。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案并不涉及到如此惡劣的極限工況，對(duì)于舵機(jī)的要求也沒(méi)有如此嚴(yán)苛。規(guī)范中對(duì)于扭矩的安全系數(shù)是出于偏安全考慮，那么在利用泵組油壓進(jìn)行近似計(jì)算的時(shí)候還保留1.25的安全系數(shù)則有待商榷。在舵機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，泵組作為主要?jiǎng)恿卧?，已?jīng)保留了1.25的安全系數(shù)，也就是“設(shè)計(jì)壓力=1.25×最大工作壓力”，最大工作壓力對(duì)應(yīng)的是舵機(jī)最大扭矩。如果在計(jì)算過(guò)程中再增加1.25倍的系數(shù)，相當(dāng)于泵組的設(shè)計(jì)壓力至少要達(dá)到1.56倍的最大工作壓力，這直接導(dǎo)致了全浸沒(méi)狀態(tài)壓力換算后設(shè)計(jì)壓力無(wú)法滿足要求。

為了避免上述問(wèn)題，在舵系設(shè)計(jì)過(guò)程中推薦轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)。首先是其扭矩輸出恒定，并且不存在臨界攻角問(wèn)題，可以與船級(jí)社探討取消1.25系數(shù)。這樣在舵機(jī)選型、舵葉設(shè)計(jì)、扭矩計(jì)算方面都可以沿用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。

如果船東堅(jiān)持選擇柱塞式舵機(jī)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要盡量采用較大平衡比舵葉，在保證舵力的同時(shí)，盡可能的減小舵機(jī)扭矩。處理好升力和阻力的負(fù)面影響，為舵機(jī)選型留有足夠的裕度。

此外，在設(shè)計(jì)中還應(yīng)注意，如果設(shè)計(jì)的項(xiàng)目在試航狀態(tài)下舵葉無(wú)法達(dá)到全浸沒(méi)狀態(tài)，那么舵機(jī)一定要采用定量泵。UI SC 246的所有計(jì)算都是針對(duì)定量泵要求，并不適用于變量泵，并且明確要求采用變量泵舵機(jī)一定要進(jìn)行舵葉全浸沒(méi)試驗(yàn)。

7 結(jié)語(yǔ)

總體來(lái)看，UI SC 246主要是針對(duì)舵機(jī)性能方面提出的新的要求。為保證船舶航行的安全，在極限工況下能夠緊急規(guī)避危險(xiǎn)，是偏安全性的考慮。為了增加普遍適用性而刻意增大安全系數(shù)，導(dǎo)致規(guī)范公式的通用性并不是很強(qiáng)。規(guī)范推出至今，各大船級(jí)社也沒(méi)有給出較為合理性的解讀。

對(duì)于該規(guī)范，設(shè)計(jì)方、船東方、建造方、船級(jí)社各個(gè)方面都還在一個(gè)摸索試探的階段。希望經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的檢驗(yàn)，對(duì)于規(guī)范執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，IACS方面能夠做出更為合理的修正。