張 黎， 管慶祥， 王海波， 王運(yùn)才

(大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 遼寧 大連 116011)

0 引 言

目前船舶市場普通船舶通常選用半懸掛平衡舵，舵承布置在位于舵機(jī)甲板上方的舵承座上。對(duì)于全懸掛舵，由于設(shè)計(jì)有舵套筒結(jié)構(gòu)，如果按照常規(guī)舵承設(shè)計(jì)，舵承座將影響舵套筒上方舵系部件的安裝，而且全懸掛舵舵桿的設(shè)計(jì)值相對(duì)較大，如果按照常規(guī)舵承設(shè)計(jì)，舵桿的長度及質(zhì)量也相對(duì)較大。為此，本文著重對(duì)全懸掛舵的舵承設(shè)計(jì)及與常規(guī)舵承的不同之處進(jìn)行研究，達(dá)到合理設(shè)計(jì)全懸掛舵舵承的目的。

1 常規(guī)及嵌入式舵承受力計(jì)算分析

以某大型集裝箱船的船型和舵型參數(shù)(見表1和表2)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合船級(jí)社規(guī)范[1]中帶舵套筒的全懸掛舵受力圖[1](見圖1)，對(duì)舵系受力進(jìn)行分析。

表1 某大型集裝箱船船型參數(shù)

表2 某大型集裝箱船舵型參數(shù)

圖1 全懸掛舵受力分布圖

Mb=MCR2-MCR1

(1)

(2)

(3)

(4)

B2=CR+B3

(5)

式(1)～式(5)中：MCR1為下舵鈕下方舵葉的彎曲力矩，N·m；MCR2為下舵鈕上方舵葉的彎曲力矩，N·m；Mb為舵桿的彎曲力矩，N·m；CR1為A1舵葉區(qū)域的舵力，N；CR2為A2舵葉區(qū)域的舵力，N；CR為舵葉的舵力，N；B2為舵桿下舵鈕處的作用力，N；B3為舵桿上舵鈕處的作用力，N。

由式(1)～式(5)可以看出：常規(guī)舵承位于舵機(jī)甲板上端和優(yōu)化后嵌入舵套筒中的型式，只有l(wèi)30數(shù)值發(fā)生變化，其他變量數(shù)值是一樣的，l30由常規(guī)舵承的8.154 m變?yōu)榍度胧蕉娉械?.941 5 m。通過式(1)～式(3)計(jì)算，兩種舵承設(shè)計(jì)型式的舵桿的彎曲應(yīng)力Mb是一樣的。通過式(4)和式(5)計(jì)算：常規(guī)舵承設(shè)計(jì)時(shí)B2=10 518 534 N，B3=2 500 808 N；優(yōu)化后的嵌入式舵承設(shè)計(jì)時(shí)B2=10 853 014 N，B3=2 835 288 N。

雖然舵承嵌入舵套筒中的型式較常規(guī)舵承設(shè)計(jì)型式在舵桿上下舵鈕處的作用力都有所增大，但是可以降低系統(tǒng)高度，減小舵桿長度及質(zhì)量。

2 嵌入式舵承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常規(guī)的舵承設(shè)計(jì)[2-3]是在舵機(jī)甲板上布置舵承座，再將舵承放置在舵承座上方用于承受整個(gè)舵系的重量，如圖2所示。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于舵承安裝時(shí)簡單方便。對(duì)于全懸掛舵，需要布置舵套筒使之與船體結(jié)構(gòu)相連，舵套筒上平面還需要布置相應(yīng)的注油孔和透氣孔用于舵套筒內(nèi)部油脂的注入。由于舵桿安裝時(shí)需要自上而下穿入舵套筒，對(duì)于全懸掛舵來說，舵桿下方的相對(duì)較大，這易導(dǎo)致舵套筒的內(nèi)徑相對(duì)較大。如果舵承布置在舵套筒上方，首先舵桿的長度將增加，其次舵桿與套筒之間的間隙也變大，且對(duì)于舵承座內(nèi)次環(huán)板來說，直徑需加大以保證其可焊接在舵套筒之上。舵套筒內(nèi)部還需考慮注入油脂，注入孔和透氣孔也布置于舵套筒上平面，舵承座的布置則很可能阻礙油脂的注入施工。綜合考慮上述各因素，可以將全懸掛舵舵承設(shè)計(jì)為嵌入舵套筒內(nèi)部的型式。

圖2 常規(guī)舵承示例

首先需設(shè)計(jì)舵承本體，使其外端和上端與舵套筒內(nèi)徑和上平面接觸，上端通過螺栓與舵套筒上平面固定，內(nèi)端布置豎直襯套和舵桿軸套進(jìn)行配合；其次需考慮舵承的密封作用，在舵承底部布置密封填料，使其與舵桿配合以保證海水無法從舵桿軸套和襯套中流入。密封填料的上下部分通過密封環(huán)座和壓蓋進(jìn)行固定，保證設(shè)計(jì)的合理性。對(duì)于舵套筒內(nèi)徑和上平面部分，需布置2個(gè)密封圈，保證海水不能進(jìn)入舵機(jī)甲板上方；然后需要在舵承本體上方布置水平襯套，確保在船舶運(yùn)行過程中舵桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)舵承能安全使用。舵承上方在高度方向上也需要固定，這就需要布置支撐環(huán)和卡箍，且這2個(gè)部件需要與舵桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)。嵌入式舵承如圖3所示。

圖3 嵌入式舵承示例

3 嵌入式舵承潤滑設(shè)計(jì)

由于舵承布置有水平和豎直襯套，舵桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有相對(duì)摩擦，這就需要對(duì)舵承進(jìn)行潤滑設(shè)計(jì)。對(duì)于常規(guī)舵承，由于舵承高度和位置的允許，水平和豎直襯套各自布置單獨(dú)的潤滑管路。對(duì)于嵌入式舵承，由于舵承本體大部分嵌入在舵套筒內(nèi)部，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以在舵承本體位于舵套筒上方的區(qū)域布置一套集成的油路，使之通向水平和豎直襯套，確保舵承的正常使用。

結(jié)合嵌入式舵承的設(shè)計(jì)，布置3個(gè)舵承潤滑點(diǎn)，通過油脂泵注入油脂時(shí)舵承正常運(yùn)行。同時(shí)，還需布置3個(gè)透氣孔，使舵承潤滑能形成回路。這些注油和透氣管路設(shè)計(jì)應(yīng)該均勻交叉分布，以確保舵承的均勻潤滑。嵌入式舵承的潤滑設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 嵌入式舵承潤滑設(shè)計(jì)示例

4 嵌入式舵承止推設(shè)計(jì)及計(jì)算校核

對(duì)于全懸掛舵的型式，舵套筒需要與船體結(jié)構(gòu)呆舵焊接，焊接不可避免地使舵套筒內(nèi)孔產(chǎn)生變形，進(jìn)而導(dǎo)致舵承與舵套筒在不同位置的安裝間隙各不相同。舵承與舵套筒上平面使用普通螺栓進(jìn)行連接，在船舶運(yùn)行中舵桿轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致舵承發(fā)生位移，產(chǎn)生摩擦響聲。為了有效解決這一問題，需要在舵承本體法蘭外端布置止推。

舵承承受整個(gè)舵系的重量，舵桿運(yùn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，舵承處產(chǎn)生徑向力，一般將止推均勻分布在舵承外側(cè)，確定止推的數(shù)量后，還需對(duì)舵承止推進(jìn)行計(jì)算校核。對(duì)于強(qiáng)度校核，可以采用有限元軟件進(jìn)行建模分析[4]，也可利用力學(xué)公式進(jìn)行簡化計(jì)算，本文采用后者進(jìn)行舵承止推的計(jì)算校核。

摩擦力矩為

(6)

式中：FR為徑向力，2 835 kN；DB為豎直襯套內(nèi)徑，804 mm；μ為襯套摩擦因數(shù),0.15。

摩擦力矩下的作用力為

(7)

每個(gè)止推的總受力為

(8)

式(7)和式(8)中：Lt為扭轉(zhuǎn)力臂長度，885 mm，位置如圖5所示；QS為止推數(shù)量,6個(gè)；ES為每個(gè)方向徑向力上的有效止推個(gè)數(shù),2個(gè)；FM為摩擦力矩下的作用力。

圖5 舵承止推總布置及Lt位置示例

焊縫的截面模數(shù)為

(9)

式中：L1為焊腿長度，415 mm，位置如圖6所示；L1Q為焊縫L1的數(shù)量,6個(gè)；a為焊縫尺寸，12 mm。

圖6 舵承止推結(jié)構(gòu)及焊腿長度位置示例

彎曲應(yīng)力為

(10)

剪切應(yīng)力為

(11)

等效應(yīng)力為

(12)

式(10)～式(12)中：TF為舵承法蘭的厚度，115 mm，位置如圖7所示；L2為舵套筒與舵機(jī)甲板的厚度差，20 mm，位置如圖7所示。

圖7 舵承止推布置及尺寸位置示例

經(jīng)過計(jì)算：MFC=170.95 kN·m；FM=32.19 kN；FS= 1 433.60 kN；Wy= 2 066 700 mm3；σb=53.76 N/mm2，τⅡ=47.98 N/mm2，σv=98.97 N/mm2。允許的等效應(yīng)力σw=115 N/mm2，σv<σw，說明舵承止推的設(shè)計(jì)滿足要求。

5 結(jié) 語

對(duì)全懸掛舵舵承的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，從受力方面對(duì)常規(guī)舵承和嵌入式舵承進(jìn)行分析，并根據(jù)全懸掛舵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行了嵌入式舵承的結(jié)構(gòu)和潤滑設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)滿足全懸掛舵舵承的設(shè)計(jì)。結(jié)合舵套筒實(shí)際焊接安裝的特點(diǎn)，對(duì)舵承利用止推進(jìn)行固定，并進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)度分析，通過分析，止推的等效應(yīng)力小于允許值，滿足設(shè)計(jì)要求。

全懸掛舵舵承設(shè)計(jì)作為全懸掛舵系整體設(shè)計(jì)的一部分，舵承與舵系其他部件設(shè)計(jì)相互關(guān)聯(lián)、相互制約，合理的舵承設(shè)計(jì)也將使全懸掛舵系整體設(shè)計(jì)更加合理。全懸掛舵舵承設(shè)計(jì)方法的研究，可為任何采用全懸掛舵船舶的舵承設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)方法參考。