郭學(xué)峰 薛莉莉

（1.中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司設(shè)計(jì)研究院 大連116600； 2.大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司 大連116005）

引 言

舵系是實(shí)現(xiàn)船舶操縱性能的最主要設(shè)備，其性能關(guān)系到船舶的航行安全性、經(jīng)濟(jì)性和快速性。［1］各國(guó)船級(jí)社入籍規(guī)范中要求舵柄與舵桿連接方式可以采用有鍵錐形連接方式或液壓錐形連接方式。目前國(guó)內(nèi)主要的船廠建造的船舶舵柄與舵桿一般采用液壓錐形連接方式，即舵桿與舵柄連接為無(wú)鍵錐體連接，錐體長(zhǎng)度一般不小于1.5倍舵柄處舵桿直徑，且錐形部分應(yīng)無(wú)階梯地過(guò)渡到舵桿的圓柱部分，錐度為舵桿直徑1 : 8～1 : 10，舵桿端部的液壓螺母裝有可靠的止動(dòng)裝置（止動(dòng)板），采用液壓壓裝來(lái)保證舵桿和舵柄的過(guò)盈配合并傳遞舵機(jī)扭矩到舵葉，從而實(shí)現(xiàn)船舶航行操作的作業(yè)要求。

隨著近年來(lái)國(guó)內(nèi)主要船廠船舶建造的噸位逐漸增加，船舶大型化越來(lái)越明顯，同時(shí)隨著北極附近水域的開(kāi)通，大型船舶航行舵葉受到海上浮冰的撞擊，導(dǎo)致舵桿直徑和舵柄內(nèi)徑尺寸及外形尺寸也越來(lái)越大，舵柄和舵桿傳遞的扭矩和舵力越來(lái)越大，兩者的配合過(guò)盈量也增大，相應(yīng)需要更高的壓入量及壓力值。但若液壓的壓入量及壓力值過(guò)高從而使手動(dòng)泵的使用受到限制，同時(shí)壓力過(guò)大也可能存在船舶使用過(guò)程中會(huì)造成液壓油泄壓的風(fēng)險(xiǎn)，舵桿與舵柄發(fā)生潛在滑移的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)在加大。近年來(lái)，在船舶實(shí)際營(yíng)運(yùn)過(guò)程中也有多起因舵桿與舵柄發(fā)生滑移的事故，而使船廠被船東起訴到國(guó)際海事法院的事件，給國(guó)內(nèi)的一些船廠造成聲譽(yù)影響與經(jīng)濟(jì)損失。

本文創(chuàng)新性地將有鍵錐形連接方式和液壓錐形連接方式的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，針對(duì)性地介紹舵柄與舵桿之間采用有鍵液壓錐形連接方式，同時(shí)對(duì)舵柄與舵桿液壓錐形連接方式和有鍵錐形連接方式進(jìn)行對(duì)比分析，闡述液壓錐形連接方式潛在的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)及有鍵液壓連接方式的計(jì)算方法，以及有鍵液壓連接方式對(duì)建造及成本的影響等。希望能為進(jìn)行今后類(lèi)似設(shè)計(jì)及國(guó)內(nèi)的船廠施工提供一些參考，較好地適應(yīng)今后船舶大型化的發(fā)展形勢(shì)。

1 舵柄與舵桿液壓錐形連接方式和有鍵錐形連接方式對(duì)比分析

1.1 舵桿和舵柄液壓錐形連接方式

舵柄與舵桿錐形裝配面（錐度為舵桿直徑1 : 8～1 : 10）采用過(guò)盈配合，通過(guò)舵桿端部液壓螺母使用液壓泵強(qiáng)力將液壓油壓入，需要保證兩端液壓件的密封性。舵柄內(nèi)孔錐面上開(kāi)油槽，舵柄上開(kāi)與油槽對(duì)應(yīng)的油孔，通入液壓油擴(kuò)張舵柄內(nèi)孔，便于舵柄壓入舵桿，待卸去液壓油，舵柄收縮產(chǎn)生預(yù)緊力緊固在舵桿錐體上。舵桿的上端部使用液壓螺母及止動(dòng)裝置來(lái)保證舵柄與舵桿的過(guò)盈配合，達(dá)到恒定的傳遞舵機(jī)的扭矩及舵力的要求。［1-2］

舵桿和舵柄液壓錐形連接方式具有以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

（1）不需要在舵柄內(nèi)孔及舵桿上端開(kāi)鍵槽、配平鍵裝配，從而使舵桿因開(kāi)鍵槽四周局部應(yīng)力集中現(xiàn)象得到消除并改善舵桿的受力情況；

（2）不需要鍵連接，使舵柄內(nèi)孔和舵桿上端機(jī)加工更簡(jiǎn)單，拆裝維修更方便；

（3）液壓壓裝是無(wú)鍵過(guò)盈配合，當(dāng)船舶舵葉遇到碰底、碰撞外物等不可抗拒反力矩時(shí)，會(huì)使舵柄與舵桿過(guò)盈配合面發(fā)生滑移，以避免舵桿扭曲及舵機(jī)損壞，降低損壞程度且便于修復(fù)。

1.2 舵柄與舵桿有鍵錐形連接方式

舵柄與舵桿錐形裝配面（錐度為舵桿直徑1 : 8～1 : 10）采用間隙配合，采用舵柄圓錐體連接結(jié)構(gòu)處開(kāi)平鍵槽，鍵沿著舵桿的錐體母線安裝；同時(shí)舵柄內(nèi)孔開(kāi)鍵槽，鍵的材料比舵桿或舵柄（鑄鋼件）的材料強(qiáng)度高，主要依靠它進(jìn)行舵機(jī)扭矩和力的傳遞。舵桿的上端部使用液壓螺母及止動(dòng)裝置來(lái)保證舵柄與舵桿的過(guò)盈配合，達(dá)到恒定的傳遞舵機(jī)的扭矩及舵力的要求。

舵桿和舵柄有鍵錐形連接方式具有以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

（1）使用平鍵傳遞舵機(jī)扭矩和舵力，可以大大提高技術(shù)安全性，即使發(fā)生意外情況（如突然的外力作用于舵葉和舵桿），也不會(huì)造成舵桿和舵柄之間發(fā)生滑移的事故；

（2）該方式可降低舵柄的高度，從而減輕舵柄質(zhì)量，具有一定的成本優(yōu)勢(shì)；

（3）不需要較大液壓的壓裝力，僅需要液壓螺母進(jìn)行舵桿的上壓裝，從而大大降低液壓系統(tǒng)泄露的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)以上兩者的優(yōu)點(diǎn)對(duì)比分析可以看出：液壓錐形連接方式的優(yōu)點(diǎn)正是有鍵錐形連接方式的缺點(diǎn)，反之亦然。如何有效整合兩者的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，更好地規(guī)避船舶設(shè)計(jì)、建造和交付后可能發(fā)生的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)以及相應(yīng)的賠償風(fēng)險(xiǎn)，將成為下一步技術(shù)研究及應(yīng)用的重點(diǎn)。

2 舵柄與舵桿液壓錐形連接方式技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析

近年來(lái)舵桿和舵柄液壓錐形連接方式被廣泛使用，典型的舵桿和舵柄液壓錐形連接方式見(jiàn)圖1。

圖1 舵桿與舵柄液壓錐形連接圖

它是利用舵桿鍛鋼件與舵柄鑄鋼件的錐形表面之間形成的摩擦力，使用手動(dòng)液壓泵施加較高壓力液壓油進(jìn)行壓裝，從而保證舵柄和舵桿的扭矩和力的傳遞。液壓螺母裝配也采用液壓裝配連接，保證舵柄與舵桿之間的液壓壓力值維持恒定值。

此種連接方式雖施工簡(jiǎn)便，但存在一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。如某船廠制造的載重量為18萬(wàn)t的散貨船，在出廠5個(gè)月后收到船東書(shū)面反饋報(bào)告舵機(jī)操作異常，即當(dāng)船員發(fā)出操舵指令發(fā)出后，船航行方向卻不作隨動(dòng)相應(yīng)變化；又如當(dāng)舵角打到0°正向航行時(shí)，船舶實(shí)際航行情況卻為向左舷轉(zhuǎn)向，而船舶要保持正前方行駛，必須操作舵機(jī)向右舷打舵角。經(jīng)船員仔細(xì)檢查后，發(fā)現(xiàn)舵桿與舵柄壓裝后打印在其表面上的對(duì)中鋼印標(biāo)記發(fā)生位移，并且位移的角度值約等于實(shí)際操舵時(shí)船舶航行的角度偏差，據(jù)此情況分析判斷應(yīng)該是舵桿與舵柄發(fā)生滑動(dòng)位移。后期查驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是由于船舶在某港口進(jìn)行靠港作業(yè)時(shí)，曾發(fā)生意外并導(dǎo)致遭受較大撞擊，直接導(dǎo)致舵桿與舵柄發(fā)生滑動(dòng)位移。

此外，若是航行在北極附近或波羅的海等海面有浮冰的船舶，也時(shí)常會(huì)遇到大塊浮冰對(duì)舵葉的撞擊。如某艘航行于波羅的海附近港口的14 000 TEU裝箱量集裝箱船，因海面季節(jié)性有大塊浮冰漂浮，船舶正常航行中浮冰會(huì)不時(shí)撞擊舵葉，雖然該船結(jié)構(gòu)和舵葉的強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿(mǎn)足入級(jí)船級(jí)社的冰區(qū)加強(qiáng)1AS-FS的要求，但因新船舵桿與舵柄的連接設(shè)計(jì)采用液壓錐形連接方式，偶爾會(huì)發(fā)生跑舵現(xiàn)象，導(dǎo)致該船后期不得不額外配備高壓液壓軟管（舵機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)與舵柄的連接由鋼管連接改為液壓軟管連接），以便船舶在海上發(fā)生舵葉跑偏的緊急情況下，船員可自行手動(dòng)脫開(kāi)舵柄與舵機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)的連接，起吊舵桿并修正舵葉跑偏。

針對(duì)舵柄與舵桿采用液壓錐形連接方式存在的潛在技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)外的主要商船運(yùn)營(yíng)商也提出有鍵液壓錐形連接方式，并要求船廠及設(shè)計(jì)公司在報(bào)價(jià)、規(guī)格書(shū)階段給與考慮。

3 舵柄與舵桿有鍵液壓連接方式介紹

根據(jù)上面的舵桿和舵柄液壓錐形連接方式優(yōu)劣勢(shì)的技術(shù)分析，我們創(chuàng)新性地將舵柄與舵桿有鍵錐形連接方式同有鍵液壓連接方式相結(jié)合，提出舵柄與舵桿采用有鍵液壓錐形連接方式。

典型的舵桿和舵柄有鍵液壓連接方式見(jiàn)圖2。

圖2 舵桿和舵柄有鍵液壓連接方式

舵柄與舵桿錐形裝配面（錐度為舵桿直徑1 : 8～1 : 12）采用過(guò)盈配合，舵柄內(nèi)孔錐面上開(kāi)油槽，舵柄上開(kāi)與油槽對(duì)應(yīng)的油孔，通過(guò)注入液壓油來(lái)擴(kuò)張舵柄內(nèi)孔，便于舵柄壓入舵桿。舵桿的上端部使用液壓螺母及止動(dòng)裝置來(lái)保證舵柄與舵桿的過(guò)盈配合。

鍵的外形尺寸根據(jù)其受剪面和受擠壓的側(cè)面情況確定，對(duì)于傳遞大扭矩的錐體連接可以對(duì)稱(chēng)設(shè)置兩個(gè)平鍵，因?yàn)殒I與鍵槽不可能制作得絕對(duì)精準(zhǔn)，因此在計(jì)算時(shí)只考慮一個(gè)平鍵起作用。

該創(chuàng)新連接方式的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）液壓壓裝的方式可方便地拆卸舵柄與舵桿，降低了船員的后期維修操作工作強(qiáng)度；

（2）為避免舵葉受到突然的外力作用而對(duì)舵桿的平鍵及鍵槽和舵柄造成損傷，建議使用雙鍵來(lái)傳遞舵機(jī)扭矩，增加保險(xiǎn)系數(shù)；

（3）使用雙鍵配合，可較好避免船舶受到外力作用發(fā)生舵桿和舵柄滑移的意外情況，不會(huì)造成舵桿和舵柄之間發(fā)生滑移事故；

（4）該方式能減輕舵柄質(zhì)量，具有較好的制作成本優(yōu)勢(shì)；

（5）降低船舶使用后期可能發(fā)生的舵桿和舵柄之間液壓油壓力泄放導(dǎo)致降低帶來(lái)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高船員使用設(shè)備的信心。

應(yīng)該多開(kāi)通去這里的航班。美國(guó)北加利福尼亞沿海紫海膽泛濫成災(zāi)，摧毀了那里的巨藻林，而巨藻林的消失則意味著生態(tài)系統(tǒng)的崩潰，許多人的生計(jì)因此受到威脅。看來(lái)中國(guó)游客還不夠多，才有了這后果。

4 舵柄與舵桿有鍵液壓連接方式計(jì)算方法

舵柄與舵桿采用有鍵液壓連接方式的計(jì)算方法不同于液壓錐形連接方式和有鍵錐形連接方式的計(jì)算方法［3-4］，目前大多數(shù)船級(jí)社規(guī)范并沒(méi)有給出明確方法，下面的計(jì)算參考了BV船級(jí)社要求［5］，實(shí)船計(jì)算書(shū)已提交BV船級(jí)社并得到認(rèn)可，且在實(shí)船上獲得應(yīng)用。

4.1 舵柄與舵桿連接使用的平鍵尺寸計(jì)算

有鍵液壓連接方式舵桿和舵柄之間的連接應(yīng)設(shè)有兩個(gè)相同的平鍵，需要校核平鍵外形尺寸。有鍵液壓錐形連接方式中的鍵與鍵槽設(shè)計(jì)沒(méi)有特別要求，與有鍵錐形連接方式中的要求相同：

4.1.1 平鍵的厚度a（mm）

a≥0.10×舵桿直徑（mm）

4.1.2 平鍵的寬度b（mm）

b≥ 0.25×舵桿直徑（mm）

4.1.3 平鍵的圓弧半徑R（mm）

R= 0.05×a（mm）

4.2 舵桿與舵柄壓入推入長(zhǎng)度計(jì)算

有鍵液壓連接方式采用液壓連接進(jìn)行舵柄與舵桿的壓入配合，需要對(duì)舵桿與舵柄壓入推入長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算校核，這里需要考慮有鍵連接的特殊情況。

4.2.1 舵桿與舵柄最小推入長(zhǎng)度

式中：MTR為舵扭矩值，kN·m；c為錐度值；dm為舵桿的平均直徑，mm；η為1 鍵連接；ts為舵柄高度，mm；γ為1 鍵連接

4.2.2 舵桿與舵柄最大推入長(zhǎng)度

式中：d0為舵柄的直徑，mm；Reh為舵柄的最小屈服應(yīng)力，N/mm2。

4.2.3 舵桿與舵柄實(shí)際推入長(zhǎng)度選擇

舵桿與舵柄實(shí)際推入長(zhǎng)度L1＞L＞L0。

4.3 舵桿與舵柄推入壓力計(jì)算

有鍵液壓連接方式采用液壓連接進(jìn)行舵柄與舵桿的壓入配合，需要對(duì)舵桿與舵柄壓入推入壓力進(jìn)行計(jì)算校核，這里需要考慮有鍵連接及液壓壓裝的特殊情況。

4.3.1 舵桿與舵柄最小推入壓力

式中：μmin為0.01；Θ為1/15；A為舵桿與舵柄有效接觸面積，mm2；σdp為舵柄處許用應(yīng)力值（舵機(jī)廠家提供），kN/mm2。

4.3.2 舵桿與舵柄最大推入壓力

式中 ：μmax為 0.03。

4.3.3 舵桿與舵柄實(shí)際推入壓力選擇

舵桿與舵柄實(shí)際推入壓力Wmax＞W(wǎng)＞W(wǎng)min。

5 舵柄與舵桿有鍵液壓連接方式成本影響及安裝要點(diǎn)

5.1 舵柄與舵桿有鍵液壓連接方式對(duì)成本的影響

因采用平鍵和液壓壓裝混合的連接方式［2］，舵桿和舵柄的加工較液壓錐形連接方式較為繁瑣，增加了現(xiàn)場(chǎng)工人的安裝復(fù)雜程度也導(dǎo)致成本增加。

舵桿和舵柄有鍵液壓連接方式現(xiàn)場(chǎng)加工完工狀態(tài)，見(jiàn)圖3。

5.2 舵柄與舵桿有鍵液壓連接方式的安裝要點(diǎn)

舵柄與舵桿圓錐體的連接結(jié)構(gòu)，采用專(zhuān)用液壓螺母壓入安裝。舵柄在壓入過(guò)程中，壓力變化應(yīng)符合工藝要求；舵柄與舵桿有鍵液壓連接應(yīng)在軸向及徑向同時(shí)加壓，使舵桿的壓入長(zhǎng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。先將徑向壓力盡量維持最大，壓力建議繼續(xù)保持30 min（至少15 min以上） ，確保接觸面之間的油充分，并且底部有油滲出； 然后軸向壓力泄放后，百分表顯示指針沒(méi)有變化，確保壓裝到位。

圖3 舵桿和舵柄有鍵液壓連接方式加工完工圖

6 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)舵柄與舵桿有鍵液壓創(chuàng)新性的連接方式進(jìn)行研究，針對(duì)舵柄與舵桿液壓錐形連接方式和有鍵錐形連接方式進(jìn)行對(duì)比分析，闡明了舵柄與舵桿液壓錐形連接方式的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)舵柄與舵桿有鍵液壓連接方式計(jì)算方法，以及舵柄與舵桿有鍵液壓連接方式成本影響與安裝要點(diǎn)等方面詳細(xì)分析，給出了相應(yīng)的計(jì)算方法和思路，為今后類(lèi)似設(shè)計(jì)提供一些參考。