莊樂(lè)亭 彭蛟 毛斌峰 陳順洪 陳南華

摘? ? 要：鋁合金船舶與鋼質(zhì)船舶舵系安裝方法不同，鋼質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)舵承不能與鋁質(zhì)主船體直接焊接固定，兩者連接方式也需要考慮異種金屬之間電化腐蝕。以某海洋指揮船舵系設(shè)計(jì)與某高速鋁質(zhì)巡邏艇舵系設(shè)計(jì)為例進(jìn)行對(duì)比，兩船分別采用賽龍承座連接法和螺栓連接法，均有效解決了異種金屬的連接、電化腐蝕以及舵承潤(rùn)滑問(wèn)題，但兩者在采購(gòu)成本、制作和安裝工藝的等方面差異。

關(guān)鍵詞：鋁合金；高速船；舵系設(shè)計(jì)；賽龍承座；螺栓連接

中圖分類號(hào)：U662.2? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Rudder Design of Aluminum Alloy High-Speed Ocean Craft

ZHUANG Leting1，? PENG Jiao2，? MAO Binfeng1，? CHEN Shunhong1，? CHEN Nanhua1

（ 1.Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250; 2.Guangzhou Bureau of Naval Equipment Department， Guangzhou 510250 ）

Abstract： The aluminum ship is different from the steel ship in respect of the rudder installation. The steel standard rudder bearing can not be welded directly to the aluminum main ship hull， and the electrochemical corrosion between different metals should be considered in connection. Taking the rudder design of marine command ship as an example， and the rudder design of a high speed aluminum patrol boat as a comparison， the problems of dissimilar metals connection， electrochemical corrosion and rudder lubrication are effectively solved by adopting the methods of Thordon bearing and bolt connection respectively. However， there are some differences in purchase cost， manufacture and installation process between them. Both methods can solve the problem of fixing the rudder system of all-aluminum ships.

Key words： Aluminum Alloy;? High-Speed Craft;? Rudder Design;? Thordon Bearing;? Bolt Connection

1? ? ?前言

船舶舵系是根據(jù)不同的船型和使用要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，不同的船舶類型、尺度以及用途，對(duì)舵的要求也各不相同。高速船需要經(jīng)常改變航向，停靠也較頻繁，舵的設(shè)計(jì)側(cè)重于靈活地改變航向，通常舵布置在船尾螺旋槳的尾流中，構(gòu)成尾部船體+螺旋槳+舵的組合體。此時(shí)，舵可通過(guò)利用螺旋槳尾流來(lái)提高舵效，同時(shí)螺旋槳的尾流也通過(guò)舵的整流作用可進(jìn)一步改善推進(jìn)效率。

就常規(guī)舵而言，各類舵型應(yīng)根據(jù)船的大小、用途、螺旋槳直徑和船尾線型來(lái)選定。一般來(lái)說(shuō)，懸掛式平衡舵適用于中小型船舶，尤其適用于雙螺旋槳的高速船舶。整個(gè)舵系統(tǒng)通常由舵葉、舵桿、上舵承、下舵承、舵角限位裝置、舵機(jī)及其控制系統(tǒng)等組成，不同材質(zhì)的主船體，舵與船體連接方式的也不相同，舵系的組成方式也會(huì)有所不同[1]。

主船體為鋼質(zhì)的高速船，通常選用標(biāo)準(zhǔn)的鋼質(zhì)下舵承，下舵承與主船體底板直接焊接固定；如果主船體為全鋁質(zhì)結(jié)構(gòu)，則舵系設(shè)計(jì)無(wú)法像鋼質(zhì)船舶一樣，采用標(biāo)準(zhǔn)的舵承與船體進(jìn)行焊接固定，需研究新的安裝可靠且能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的舵系工藝，以解決舵系安裝固定問(wèn)題。

本文以某型海洋指揮船的舵系設(shè)計(jì)為例，總結(jié)鋁質(zhì)高速船舶舵系布置特點(diǎn)，并介紹兩種鋁質(zhì)船舶舵系設(shè)計(jì)及連接方法。

2? ? ?舵系主要參數(shù)選取及布置

2.1? ?主要參數(shù)選取

該型海洋指揮船設(shè)計(jì)排水量約160 t，航速大于25 kn，設(shè)雙機(jī)、雙定距槳、雙舵，全船為鋁合金焊接結(jié)構(gòu)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，采用兩具懸掛式流線型平衡舵，其水動(dòng)力特性參照NACA系列資料計(jì)算。舵系有關(guān)零部件的結(jié)構(gòu)尺寸按中國(guó)船級(jí)社《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范》的要求進(jìn)行計(jì)算[2]。

（1）本船對(duì)操縱性要求較高，結(jié)合尾部隧道線型及船型特點(diǎn)，采用了懸掛式平衡舵，舵面積比取μ=2.4%[3]；

（2）舵桿與舵葉采取插入式焊接連接，剖面厚度取t=0.24，平衡系數(shù)β=0.29，展舷比λ=1.66；

（3）舵桿及舵葉，均選取抗拉強(qiáng)度不小于520 N/mm2、屈服強(qiáng)度不小于205 N/mm2的S31608不銹鋼，其性能符合中國(guó)船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》奧氏體不銹鋼鍛鋼件的有關(guān)規(guī)定[4]；

（4）根據(jù)NACA系列水動(dòng)力特性和規(guī)范計(jì)算扭矩，并考慮摩擦力矩及計(jì)算裕度，本船雙舵總扭矩約15 kN·m，實(shí)際選用了16 kN·m擺缸式電動(dòng)液壓舵機(jī)一臺(tái)。

2.2? ?舵系布置

本船為雙螺旋槳，且采用了尾部隧道線型，船尾配置雙懸掛舵，舵位于螺旋槳的正后方；舵的下緣高于基線130 mm，稍高于螺旋槳盤面的最低點(diǎn)，以充分利用螺旋槳尾流和減小舵桿直徑和彎矩；舵葉的上緣接近船尾底部，結(jié)合尾部隧道線型，定位需保證舵葉轉(zhuǎn)至最大轉(zhuǎn)舵角36.5°時(shí)舵葉上緣不與船底板相碰，同時(shí)還需考慮一定的船體建造變形，舵葉上緣與船底板的間隙不宜留得過(guò)小，合適的距離可以降低舵桿彎矩，并減少舵上緣的擾流，從而提高舵效。舵葉定位布置圖，如圖1所示。

在平面方向，兩個(gè)舵葉通過(guò)舵柄用一根鋼質(zhì)連桿連接實(shí)現(xiàn)左右同步擺動(dòng)，舵柄的另一端各連接一個(gè)液壓油缸，液壓油缸由位于舵前方的舵機(jī)操縱；舵機(jī)艙還布置有應(yīng)急操舵裝置、儲(chǔ)備油箱、主輔機(jī)排煙管、油泵啟動(dòng)箱、舵機(jī)艙報(bào)警箱、操舵開(kāi)關(guān)箱、聲力電話、廣播等眾多設(shè)備，舵機(jī)艙空間較緊張，設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)的兩臺(tái)單獨(dú)電動(dòng)油泵機(jī)組改為集成于一體的電動(dòng)油泵機(jī)組，既能滿足規(guī)范要求葉有效節(jié)省了舵機(jī)艙空間，非常適合高速船舶使用。舵系布置圖，如圖2所示。

3? ? 軸承連接法

3.1? ?材料選擇

在以往的設(shè)計(jì)中，舵桿軸承一般采用青銅或銅合金，加工工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格相對(duì)低廉；但本船為全鋁質(zhì)焊接結(jié)構(gòu)，考慮到異種金屬間的絕緣腐蝕及連接可行性問(wèn)題，下舵承襯套采用青銅或銅合金不合適。隨著新材料的加工工藝日益成熟，使得賽龍、飛龍等合成材料開(kāi)始逐漸取代青銅或銅合金，因此本船下舵承襯套選用了賽龍材料。

賽龍材料是由三次元交叉結(jié)晶熱凝樹(shù)脂制造而成的均質(zhì)聚合物，與銅合金軸承材料相比，賽龍材料在水浸潤(rùn)、多雜質(zhì)、強(qiáng)沖擊的環(huán)境下具有特別優(yōu)越的性能[5]：首先，它是彈性材料，在受到拉伸或擠壓變形后能恢復(fù)原形；其次，賽龍具有高度的抗磨損性；同時(shí)，該材料具有低摩擦、使用壽命長(zhǎng)、抗磨能力強(qiáng)、易加工、易安裝、水、油潤(rùn)滑皆可、高彈性、堅(jiān)韌等特點(diǎn)，實(shí)船應(yīng)用證明其性能超越于大多數(shù)其他傳統(tǒng)的軸承材料，包括銅、巴氏合金、尼龍、鐵弗尼、鐵梨木及氨基聚合物等。

3.2? ?下舵承設(shè)計(jì)及安裝

本船下舵承采用倒L型鋁質(zhì)套筒，套筒壁厚30 mm，套筒下端與船體板焊接固定，上端與鋁質(zhì)通海管焊接，如圖3所示。

根據(jù)舵計(jì)算書(shū)，本船選取的下舵承襯套厚度為20 mm、高度為160 mm，舵承支撐面積滿足規(guī)范要求。設(shè)計(jì)時(shí)，考慮成本及加工的便利，賽龍材料盡量選用直筒形式或帶微小的折角，以減小加工難度；賽龍上船安裝采用冷凍法，將加工好的襯套，放入預(yù)先制成的箱桶內(nèi)，用液氮冷凍時(shí)間約15～20分鐘，可檢測(cè)軸承的外徑尺寸是否收縮得足夠，如收縮得不夠則再冷凍一段時(shí)間，待軸承外徑測(cè)得的尺寸小于內(nèi)孔尺寸約6.0～8.0 mm時(shí)，從箱內(nèi)將軸承吊出安裝，為防止軸承迅速膨脹，整個(gè)安裝過(guò)程需在7～8分鐘內(nèi)完成。

3.3? 上舵承設(shè)計(jì)及安裝

本船上舵承選用L型鋁質(zhì)套筒，套筒壁厚30 mm，中部與舵承基座焊接固定，下端與通海管焊接，如圖4所示。

上舵承襯套選用賽龍材料，根據(jù)舵計(jì)算書(shū)，選取的上舵承襯套厚度為20 mm、高度為110 mm，舵承支撐面積滿足規(guī)范要求，安裝方法與下舵承襯套相同。

上舵承襯套裝入舵承后，為了保持上端部密性，防止通海管中的海水溢出進(jìn)入舵機(jī)艙，還需設(shè)置橡膠密封圈進(jìn)行密封，上端加圓形法蘭進(jìn)行固定，法蘭材質(zhì)為鋁合金，法蘭端面均布6個(gè)φ10螺孔，采用不銹鋼沉頭螺釘與舵承上端面進(jìn)行固定。

3.4? 舵柄處舵桿設(shè)計(jì)及安裝

舵柄處舵桿為圓錐形設(shè)計(jì)，錐度為1：12，采用單鍵與舵柄連接，如圖5所示。

為了防止舵桿脫落，舵柄上下端處均進(jìn)行了緊固處理：舵柄下端處舵桿采用R40圓弧形凹槽過(guò)渡，凹槽內(nèi)安裝不銹鋼對(duì)開(kāi)式半圓環(huán)，采用M12×50沉頭螺釘進(jìn)行緊固；舵柄上端處舵桿在凹槽內(nèi)安裝外舌止動(dòng)圈，上部采用M80螺母進(jìn)行緊固。

4? ? 螺栓連接法

舵桿與上、下舵承的連接方式多種多樣，對(duì)于全鋁質(zhì)船舶，除了本船采用賽龍承座連接方式外，也有部分船廠從降低成本的角度出發(fā)，采用一些其他的連接方式，比如螺栓連接法。

4.1? ?舵桿在下舵承處的連接

下舵承參照CB*790-87滑動(dòng)水密下舵承或JT/T 250-2004內(nèi)河船舶下舵承按非標(biāo)件進(jìn)行設(shè)計(jì)：舵承靠下端處多出一圈凸邊，方便與舵承基座焊接的凸邊進(jìn)行連接固定；舵承基座采用帶凸邊的圓筒形設(shè)計(jì)，下端同樣多出一圈凸邊，下舵承與舵承基座采用螺栓進(jìn)行固定，端面和螺栓接觸部分采用墊圈和套筒進(jìn)行異種金屬隔離，防止電化腐蝕的產(chǎn)生；螺栓底部采用環(huán)氧進(jìn)行澆筑，安裝時(shí)下舵承本體露出船體部分保持在50 mm左右，以免露出太多增加船舶附加阻力，如圖6所示。

4.2? ?舵桿在上舵承處的連接

上舵承依舊選用CB*789-87滾子上舵承或JT/T 251-2004內(nèi)河船舶上舵承推薦的標(biāo)準(zhǔn)件：安裝時(shí)上舵承與鋁質(zhì)舵承基座接觸面采用橡膠墊進(jìn)行異種金屬隔離，防止腐蝕的產(chǎn)生；上舵承與舵承基座面進(jìn)行螺栓固定時(shí)，采用絕緣墊圈和套筒將螺栓與鋁質(zhì)基座隔開(kāi)，如圖7所示。

以上方法不使用賽龍材料，雖然降低了采購(gòu)成本，但對(duì)船廠的制作和安裝工藝提出了較高的要求，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)船廠實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

5? ? 結(jié)論

通過(guò)鋁合金船舶舵系設(shè)計(jì)研究，很好的解決了本船舵系與船體連接的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)多年使用反饋，本船舵系運(yùn)行平穩(wěn)，效果良好，可為此類型船舶舵系設(shè)計(jì)提供參考。

（1）尾部為隧道線型的船舶，合理控制舵葉上緣與船底板間距，既能保證舵葉在最大轉(zhuǎn)舵角時(shí)上緣不與船底板相碰，又能有效降低舵桿彎矩和提高舵效；

（2）賽龍軸承連接法，有效解決了異種金屬的連接、腐蝕以及舵承潤(rùn)滑問(wèn)題，且上下舵承之間采用水密通海管進(jìn)行連接，能防止海水進(jìn)入舵機(jī)艙內(nèi)部，但成本相對(duì)較高；

（3）螺栓連接法可盡量選用標(biāo)準(zhǔn)舵承，降低采購(gòu)成本，但也存在較高的制作和安裝工藝要求。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：莊樂(lè)亭（1983-），男，高級(jí)工程師。主要從事船舶舾裝設(shè)計(jì)工作。

彭? 蛟（1987-），男，工程師。主要從事艦船監(jiān)造工作。

收稿日期：2022-03-09