民用船舶减摇鳍规范适用性分析.pdf

第 卷 第 期 年 月 船 海 工 程 .:./.民用船舶减摇鳍规范适用性分析于洋黄昊朱艳刘晓琼(中船邮轮科技发展有限公司上海)摘 要:针对目前缺少完全适用于民用船舶减摇鳍设计的规范标准造成设计时所选用的规范标准适用性不明确的问题通过梳理目前减摇鳍设计相关的常用民用、军用规范标准从布置、计算、性能特性等方面对比分析得出这些规范标准的相关差异据此提出这些规范标准对民用船舶的分析结论关键词:民用船舶减摇鳍规范标准中图分类号:.文献标志码:文章编号:()收稿日期:修回日期:第一作者:于洋()男硕士高级工程师研究方向:船舶舾装设计 常用减摇鳍设计规范标准.该标准属于中国军用规范全称为舰船减摇鳍装置通用规范起草单位为中船 所及其军事代表室由中央军委装备发展部于 年 月发布用于替代 (已作废)规定了军用水面舰船减摇鳍的基本技术要求、质量保证、交货准备等适用于军用水面舰船减摇鳍的设计、制造、验收相对 增加了可靠性、维修性、测试性、保障性、环境适应性的内容质量一致性检验也由不分组修改为分为两组进行检验 是目前国内已经发布的有关减摇鳍设计内容较为详细的一个标准.该规范是英国劳氏船级社()制定的军船入级规范其中章节:“船舶控制系统”对军用水面舰船减摇鳍装置的布置、部件受力计算等技术要求做出了较为详细的规定是目前国外船级社已经发布的有关减摇鳍设计内容较为详细的一个规范.该标准由挪威船级社()于 年 月发布全称为船舶减摇装置系统()该标准规定了减摇鳍的技术设计要求、认证要求、风险评估指南列举了减摇鳍关键部件、总结了各种机械故障失效情况、提出了对减摇鳍后续维护服务的建议 该标准为减摇鳍提供了统一要求以提高减摇鳍的质量和可靠性 对比分析.布置相关要求)布置减摇鳍时应使鳍轴轴线 与(鳍压力中心 和船重心 间的连线)的夹角不大于 沿船体纵向鳍的位置应在第 号至第 号理论站之间 鳍轴中心线距船首或船尾原则上应不小于三分之一船长若沿纵向布置两对鳍则前后鳍鳍轴中心距离一般不小于鳍叶平均弦长的十倍鳍横剖面中心线与设计航速下形成的船体流线一致时鳍位为零位)(后文统称为 )减摇鳍应布置在水密舱壁之间收放式减摇鳍的所处的水密舱段的首尾水密舱壁距减摇鳍鳍轴中心线应不小于此长度(鳍轴末端至鳍叶末梢的长度)鳍箱拟定布置位置时应综合考虑其布置处所的水密舱段进水风险 风险分析应考虑减摇鳍所处水密舱段进水对该舱段其他重要设备产生的后果和对船舶安全造成的影响 如果分析结果显示不利状况发生概率较高则减摇鳍应布置于独立水密舱段且鳍箱应与最近的船体水密舱壁“距离合适”通过上述规范对比可以发现:年第 期于洋等:民用船舶减摇鳍规范适用性分析船海工程第 卷 对减摇鳍布置位置要求较为具体该规范对布置的要求旨在使减摇力臂最大化且尽可能减小鳍叶对航速的影响 对减摇鳍距其所处水密舱段首尾水密舱壁距离的要求旨在尽可能减少减摇鳍损坏时对该水密舱段造成的影响该要求对船体舱段划分影响较大 仅对减摇鳍布置位置有概述性要求对设计人员的约束程度相对较低.鳍叶、鳍轴相关计算方法及要求):无具体要求)()鳍叶受力 建议鳍叶受力由减摇鳍设计方提供()鳍叶转矩 鳍正车工况下转矩可按下列公式确定 ()式中:为鳍叶受力为鳍轴中心线与鳍叶压力中心间水平距离鳍倒车工况下转矩可按下列公式确定 ()式中:为鳍叶受力为鳍轴中心线与鳍叶压力中心间水平距离()鳍叶弯矩对于鳍叶弯矩 可按下列公式确定()()()式中:为鳍叶受力为鳍叶相关尺寸见图()鳍轴直径(转鳍鳍柄处)该直径不应小于下列公式计算值()式中:为鳍叶扭矩 为材料系数()鳍轴直径(轴承处)该直径不应小于下列公式计算值 ()()式中:为鳍轴直径(转鳍鳍柄处)为鳍叶弯矩为鳍叶扭矩()鳍轴等效应力 鳍轴既承受转矩叶承受弯矩其等效应力不应超过下列公式()式中:为材料系数鳍轴等效应力按下列公式计算()式中:为鳍轴弯曲应力见式()为鳍轴剪切应力见式()鳍轴弯曲应力按下列公式计算 ()式中为鳍叶弯矩为鳍轴直径(轴承处)鳍轴剪切应力按下列公式计算 ()式中为鳍叶扭矩为鳍轴直径(轴承处)()鳍叶板厚 鳍叶侧板板厚 应不小于下列公式计算值 .()式中:为鳍叶压强/见式()为材料系数 为鳍叶最大加强隔板间距 为鳍叶展弦比修正系数见式()(.)(如果 )()式中:为鳍叶展弦比如果 则 直接取值为 鳍叶压强 按下列公式计算 ()式中:为船体最大吃水为鳍叶受力为鳍叶面积鳍叶导缘板厚应不小于鳍叶侧板板厚 的.倍鳍叶内部加强隔板板厚应不小于鳍叶侧板板厚 的.倍或 取二者中大值)鳍叶的屈服强度应不少于最大静载荷的.倍同时疲劳强度的安全系数应至少为.还应考虑水动力载荷变化引起的振动以及可能的共振效应通过上述规范对比可以发现:对减摇鳍该部分相关计算无任何要求 对减摇鳍鳍叶转矩、鳍叶板厚确定、鳍轴弯矩、鳍轴直径计算、鳍轴等效应力校核等都给出了计算校核公式这些计算公式与舵系计算公式较 年第 期于洋等:民用船舶减摇鳍规范适用性分析船海工程第 卷图 减摇鳍尺寸图为相似对设计人员有较大帮助但该规范依然没有提供减摇鳍鳍叶面积确定方法及鳍叶受力计算公式建议由减摇鳍设计单位提供鳍叶受力 仅对鳍叶结构屈服强度等有概述性要求对设计人员的约束程度相对较低.减摇鳍结构与加强的尺寸、材质)减摇鳍中的焊接结构件(鳍、鳍箱)材质选用应符合中国船级社材料与焊接规范的规定鳍轴材质应符合.的要求)鳍叶的总体结构及材质应符合本规范对舵的要求减摇鳍设备本体和周围结构应得到充分的支撑和加强 当低碳钢结构有可能被循环弯曲应力降低疲劳寿命时其所受最大应力不超过 /在使用其他材料作为支撑加强结构时需特别考虑极限应力值减摇鳍通过插入外板的形式与舷侧船体外板开口焊接安装插入板的板厚至少要比船底外板板厚增加 插入板范围长度方向需超出外板开口的长度不少于鳍叶根部弦长的 (其他方向为.)减摇鳍的鳍箱板厚度应不小于其附近船底外板规范板厚加 并按本规范相关章节要求加强)鳍箱:应视为船体结构和水密完整性的一部分 船级社对设计、材料、质量保证的要求应被执行设计鳍箱时应考虑减摇鳍鳍叶对鳍箱结构产生的载荷鳍叶伸缩机构 该机构部件尺寸应考虑由于磨损而增加的摩擦力、水动力载荷、鳍叶伸缩过程中的阻力所带来的影响 该机构的各部件的屈服强度应不少于最大静载荷的.倍同时疲劳强度的安全系数应至少为.该机构的支撑结构尺寸需同时考虑强度与挠曲鳍叶转鳍机构 该机构部件尺寸应考虑由于磨损而增加的摩擦力所带来的影响 该机构的各部件的屈服强度应不少于最大静载荷的.倍同时疲劳强度的安全系数应至少为.通过上述规范对比可以发现:仅对减摇鳍材质有规范导向性总体要求对减摇鳍相关结构加强尺寸无具体要求 除了明确减摇鳍设备本体及其附属结构可能被循环弯曲应力影响疲劳寿命的低碳钢所受最大应力外更是对减摇鳍鳍箱插入板最小板厚及延伸尺寸、鳍箱及其加强结构的最小板厚做出了明确规定以保证减摇鳍的安装后强度 对鳍箱、鳍叶伸缩转鳍机构结构强度安全系数等仅有概述性要求对设计人员的约束程度相对较低.性能特性)减摇鳍有效工作时横浪下的减摇效果按减摇后舰船剩余横摇角有益值计算应不大于 减摇鳍模拟海况和航速进行加载的一次连续运行时间应不少于 舰船在静水中航行利用减摇鳍生摇生摇幅值应不超过 中附录的 规定的舰船耐波性衡准“最严重航行情况下水面舰船横摇界限曲线”生摇周期以舰船固有周期为准偏差在正负 范围内收放式减摇鳍的自动收、放鳍时间应不超过 对于非全航速减摇鳍当舰船航速低于 时鳍叶应能自动回到零位并停机减摇鳍装置的总重量(收放式减摇鳍不包括鳍箱)宜不超过舰船设计排水量的)无具体要求)由于作用在减摇鳍上的水动力载荷不断变化预计鳍会产生噪音振动制造商应综合考虑优化整体结构、转鳍机构、其固有频率和不利振动概率 以便使买方和制造商皆可接收相应的噪音振动通过上述规范对比可以发现:对减摇鳍减摇性能相关要求相对细致明确不仅对减摇鳍减摇后剩余横摇角最大值做出要求也对减摇鳍生摇幅值上限、生摇周期、及生摇 年第 期于洋等:民用船舶减摇鳍规范适用性分析船海工程第 卷周期偏差做出规定旨在保证舰船生摇工况的安全且保证生摇效率 对收放鳍所需时间的最大值规定旨在保证减摇鳍的收放鳍操作效率 对低航速收鳍航速规定了范围值旨在规避减摇鳍失效区间并避免计程仪航速误差带来的频繁触发鳍叶归零动作 对减摇鳍重量相对排水量占比做出规定以控制设备总重及体积 明确减摇效率等性能指标非该船级社审核范围所以对此部分性能特性无具体规定 对振动、噪音等性能特性仅有概述性建议对设计人员的约束程度相对较低.安全性)设备外壳应可靠接地收放式减摇鳍应具有从应急电源供电的鳍收入/放出指示器并能自动收回鳍箱减摇鳍应具有减摇/生摇极性判断措施启动系统进入减摇状态不应使减摇操作的结果成为生摇减摇鳍的生摇启动开关与减摇启动开关应互锁 生摇开关应采用钥匙开关或其他能避免产生误操作的措施当鳍叶处于完全放出位置时才可以进行减摇、生摇操作减摇、生摇操作按钮应互锁减摇鳍若设置两个以上的操作部位各部位间的操作应互锁):无具体要求)无具体要求通过上述规范对比可以发现:仅 对减摇鳍安全性做出了相关要求 对减摇鳍极性判断、生摇与减摇启动开关互锁、生摇开关防误操作、鳍叶放出到位才可以激活减摇生摇、各操作部位互锁等做出要求旨在保证减摇鳍相关工况的运行安全 及 皆对此部分性能特性无具体规定.风险分析)无具体要求)无具体要求)以下所列选项(故障现象:故障原因)作为在减摇鳍风险分析最基本范围()船体漏水 产品缺陷焊接缺陷材料缺陷船体加强结构安装缺陷不可预测的外力(疲劳载荷)意外载荷(搁浅等)(塑性屈服)腐蚀严重挠曲变形超过设计载荷()油液泄漏(至海水)密封装置磨损密封装置破裂润滑油水解滑油污染为操作失误()油液进水 密封磨损密封撕裂水/润滑油水解润滑油污染人为操作失误重力油箱压力过低()鳍叶伸出位置卡滞 轴承故障缺乏润滑轴承间隙不足因超载产生的鳍叶挠曲变形或对特种翼型变形预估不足安装时焊接引起的挠曲变形、加强结构对齐缺陷 例如襟翼铰链或其他机械结构故障转鳍执行机构故障液压系统故障转鳍鳍角反馈机械故障()鳍角处于大角度时卡滞 襟翼铰链或其他机构故障转鳍执行机构故障或轴承故障转鳍鳍角反馈机械故障()鳍角异常(可手动操作)液压动力不足(是否有足够压力锁定鳍角是否失去控制)液压阀件故障(功能性、异物堵塞等)泵故障或液压管路破裂()控制系统造成不利横摇(生摇)或减摇能力变差 控制线缆故障控制系统失电循环指令故障通信错误计算机硬件故障传感器硬件故障人为操作失误()在鳍叶伸出/缩回过程中发生意外事件产生过载造成减摇鳍运行停止 供电不足/泵压力不足液压系统在这种情况下的运行情况如何是否存在堵塞()鳍叶在伸出位置无法收回(需要手动操作)控制系统故障液压系统故障所处水密舱段起火所处水密舱段进水()鳍叶遭遇意外载荷鳍叶严重损坏或掉落:鳍叶遭遇异物撞击搁浅()船内液压油泄漏失火风险 液压管路破裂鳍部分功能失效(转鳍/收放)闪点较低(监测系统显示 远低于)()泵故障()液压管路或油缸爆裂 泄压阀组故障()振动和噪声 水动力引发的结构共振机械因素引发(阳极松动、粘滑效应等)液压或类似因素引发的结构噪音新型替代材料应进行风险评估新设计、新制造方法、新的替代供应商应进行风险评估通过上述规范对比可以发现:及 对于风险分析相关内容没有规定 则提出了减摇鳍风险分析最基本推荐范围涵盖故障现象及其可能导致该现 年第 期于洋等:民用船舶减摇鳍规范适用性分析船海工程第 卷象的故障原因 结论)对减摇鳍布置位置的要求最为具体有利于设计人员参照执行该规范对鳍在船长纵向长度的安装位置要求可使鳍叶处于船体线型相对较宽的区域进而尽可能使减摇力臂最大化以提高设备的减摇性能该规范对减摇鳍安全性相关要求都较为合理尤其是生摇、减摇互锁要求对船舶安全性较为重要 这些要求对民用船舶同样适用所以民用船舶减摇鳍布置、安全性设计相关问题适用参考 )减摇鳍鳍叶产生的升力通过鳍轴及十字轴传递到鳍箱鳍箱再通过鳍箱与船体的焊接加强结构及插入板将该升力传递至船体进而产生减摇力矩实现船舶减摇 所以鳍叶、鳍轴、鳍箱的强度是否足够对减摇鳍的安全运行及减摇功能实现至关重要该规范是现行常用减摇鳍相关规范中唯一提供了相关计算方法的规范但该规范没有提供减摇鳍鳍叶面积确定方法如果可以提供相关鳍叶面积计算公式或者类似舵面积比的鳍叶面积比系数推荐值则在船舶设计初始阶段总体单位设计人员就可以通过估算减摇鳍鳍叶面积进而预估整个减摇鳍设备的重量、鳍箱主尺度、泵站功率体积等重要指标这对船舶设计初始阶段的减摇鳍及其所处舱室综合布置方案确定大有裨益所以鳍叶面积数值不仅对船舶设计初始阶段总体单位设计人员选型减摇鳍具有较大影响还对减摇鳍所处舱室的综合布置有所影响另外该规范同样没有提供鳍叶受力计算方法而是建议由减摇鳍设计单位提供鳍叶受力此项规定有待商榷鳍叶受力参数极其重要关系到后续鳍叶扭矩、鳍轴弯矩各参数的计算应效仿该规范中舵计算部分提供计算方法使规范要求的最低计算值偏安全 虽然 没有提供提供鳍叶面积和受力的计算方法但其依然是现行常用减摇鳍规范中相关受力计算最为全面的规范这对民用船舶同样适用所以民用船舶减摇鳍鳍叶、鳍轴、鳍箱等相关受力计算问题适用参考 )该规范是现行常用减摇鳍相关规范中唯一提供了转鳍等机械机构屈服强度、疲劳强度安全系数的规范这些机械机构的强度是否足够关系到减摇鳍转鳍、收放鳍功能的可靠性对减摇鳍的安全运行较为重要该规范风险分析部分还对减摇鳍设备本身可能的故障现象及原因做出了较为详细的规定减摇鳍制造厂商等设备设计单位可将其作为风险、故障分析指南参考借鉴这对民用船舶同样适用所以民用船舶减摇鳍转鳍等机械机构屈服强度、疲劳强度安全系数、风险分析等相关问题适用参考 参考文献 舰船减摇鳍装置通用规范:.(.):.: