某船支承管式悬挂舵舵叶掉落原因分析及改进.pdf

84材料与工艺 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）作者简介：陈嫦娥（1985-），女，工程师。主要从事船舶总体设计工作。收稿日期：2023-04-13某船支承管式悬挂舵舵叶掉落原因分析及改进陈嫦娥（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）摘 要：本文以某船支承管式悬挂舵舵叶掉落为例，分析舵叶掉落的原因，提出优化改进方案，有效提高舵密封装置的密封性和锁紧装置的可靠性，减少海水渗入，为同类型舵装置的设计提供参考。关键词：悬挂舵；密封装置；锁紧装置中图分类号：U664.36 文献标识码：AAnalysis on Causes of the Fall of Support Tube Hanging Rudder Blade Aboard and Improve the Installation CHEN Change(Hudong-Zhonghua Shipbuilding(group)Co.,Ltd.,Shanghai 200129)Abstract:This article takes the phenomenon of the falling rudder blade of a support tube hanging rudder of a ship as an example,analyzes the causes of the phenomenon of rudder blade drop,and puts forward the optimization solution,which can effectively improve the sealing performance of the rudder seal device and the reliability of the locking device,reduce the seawater infiltration,and provide reference for the design of the same type of rudder device.Key words:Hanging Rudder;Sealing Device;Locking Device1 前言某船在开阔海域航行时，发现船未按照预定方向行驶，舵效差而无法正常航行。拖轮将该船拖带至码头后，经潜水员下潜检查发现左舷舵叶丢失，而在此航行期间船并未触底或与其他船碰撞。船舶航行时舵叶丢失的事故偶有发生，一般需拖带至码头后进坞修理，对船舶的经济性有较大影响。本文通过对某型船左舵舵叶掉落的原因分析，提出预防此类事故的优化改进方案，为避免同类型舵发生此类事故提供参考。2 支承管式悬挂舵组成该船采用四机双桨双舵的推进模式，螺旋桨后方设置有两套支承管式悬挂舵。该舵由舵叶、舵杆、舵承、舵柄、舵杆接头、支承管等组成，如图 1 所示。舵的工作原理是：通过舵杆插入舵叶，采用键连接将舵杆的扭转运动传递到舵叶结构，使舵叶产生转动，转动时舵上产生的水动力的合力在垂直于船体中心线的方向上的分力形成了转船力矩，起到改变航向的作用。悬挂舵通常设置在螺旋桨后方，其舵杆承受较大的弯矩，为使舵杆直径减小，下舵承尽量安装在接近船底处1。对于吨位较大、重量控制严格的船舶，通过设置支承管承担舵杆弯矩，舵杆只承担扭矩，从而减少舵装置重量。图 1 支承管式悬挂舵组成图螺母键支承管舵杆舵叶支承管下衬套支承管上衬套扣环填料压盖舵柄推力球轴承支承管座管图 1支承管式悬挂舵组成图舵板上衬套舵板压环船底板舵叶舵板上轴承O型密封圈图 2舵密封装置布置图AAA-A图 3舵锁紧装置布置图图 4舵密封装置布置图图 5舵密封装置详图85GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）材料与工艺舵装置作为船的重要附体，关系着整个船舶操纵性能的优劣，影响船舶的航向稳定性和回转性。舵装置处于螺旋桨后方，水文条件复杂，航行期间振动和冲击较大，对其可靠性有较高的要求。3 舵叶掉落原因分析该船进坞后进行了现场勘验，勘验结果如下：目测舵杆支承管位置及形状无明显变化，仅表面凹凸不平，舵杆上与舵叶连接的螺纹有锈迹但螺纹面未发现损坏；左舷舵叶及密封装置、舵锁紧装置丢失，仅剩舵杆和支承管，底部的舵叶紧固螺栓对应的螺纹有锈迹但螺纹面未发现损坏；右舷舵叶外观完好，除表面油漆脱落和锈蚀外，未发现其他问题；进一步检查舵叶紧固螺栓，发现检修孔盖的密封橡胶圈已严重损坏，同时有大量水滴从螺栓上方涌入检修孔内，孔内的润滑黄油已变为黑褐色油水混合物，舵杆紧固螺栓未锈蚀损坏。通过分析左舵、右舵的勘验结果，初步判断发生舵叶掉落现象有三个方面原因。3.1 舵叶密封装置失效舵叶密封装置布置在舵叶上方，是防止海水、泥沙进入舵叶、支承管和舵杆空腔的旋转径向 形密封结构。该船舵叶密封装置采用传统的一道旋转径向 形密封型式（如图2所示），由舵板压环、型密封圈组成，结构型式简单，对频繁变化的工况适应性差，密封件易出现老化、磨损等现象，密封效果随着时间大大降低，严重时直接失效；密封装置损坏后，海水、泥沙进入舵板轴承、舵叶空腔、舵杆与支承管间空腔，对舵杆、支承管及衬套、舵锁紧装置等形成腐蚀。图 2 舵密封装置布置图3.2 舵锁紧装置损坏舵锁紧装置损坏造成舵叶与舵杆之间的连接脱离。舵锁紧装置是紧固舵叶与舵杆连接防止舵叶松动和掉落的一套结构件（如图 3 所示），该装置普遍采用止动块与螺母或止动板焊接实现螺母的锁紧。舵锁紧装置长期浸泡在海水与黄油的油水混合物中，使焊接的止动块或止动板锈蚀断裂，导致螺母松动，同时，舵装置处于螺旋桨后方，是振动剧烈和水文环境较复杂的区域，这样会加剧螺母松动脱落导致舵叶因重力脱离舵杆而掉落。图 3 舵锁紧装置布置图3.3 缺少定期维护保养和检修因为该船的舵是由船厂生产组装的，在船舶坞修期间可能未纳入维修项目中，忽略了对其水下部分的检查、维护，舵叶相关的密封件在修理周期如有损坏而未及时更换，或被污染的黄油未清理、更换，在后期航行使用中，使舵装置的锁紧装置腐蚀失效，导致舵脱落故障。4 解决方案4.1 改进密封装置结构，提升舵叶密封性能为解决水密问题，提高耐腐蚀、耐磨损性能，对现有的密封装置进行改进：采用多级密封结构，从径向、轴向两个方向进行水密控制；不同部位选用不同形式的密封件，提高密封性能；选取合适的密封结构，保证密封件的压紧量，达到密封效果；密封装置结构件采用高强度、耐海水腐蚀的金属材料，提高装置的耐腐蚀性；从结构形式、材料、组合方式等方面提高水密性能，提升装置耐腐蚀性，延长使用寿命。（1）密封结构设计方案舵板上衬套舵板压环船底板舵叶舵板上轴承O型密封圈螺母键支承管舵杆舵叶支承管下衬套支承管上衬套扣环填料压盖舵柄推力球轴承支承管座管图 1支承管式悬挂舵组成图舵板上衬套舵板压环船底板舵叶舵板上轴承O型密封圈图 2舵密封装置布置图AAA-A86材料与工艺 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）本优化方案采用分体式结构形式，其布置图如图 4所示；优化后的舵密封结构由安装座板、密封座、密封圈座、密封压盖和密封组件五部分组成，如图 5 所示；结构本体由安装座板、密封座、密封压盖之间通过螺栓连接的方式进行组合，再使用螺钉与舵板轴承连接固定在舵叶上，舵装置工作时舵叶绕舵杆支承管旋转。图 4 舵密封装置布置图图 5 舵密封装置结构图舵密封装置各部分构成及作用如下：安装座板：用螺栓安装在舵叶上轴承法兰面上，用于密封座的安装定位，并安装一道聚醚型 TPU 非标密封圈；密封座：用于安装第一道高分子聚合物旋转密封圈和密封圈座及 形密封圈；密封圈座：安装在密封座中，用于安装第二道高分子聚合物旋转密封圈；密封压盖：用于密封圈座的压紧安装，其上安装有防尘圈和 形密封圈，起防泥砂作用；密封组件：由高分子聚合物旋转密封圈、聚醚型TPU材质非标密封圈、防尘圈、形密封圈等组成，用于舵叶的旋转密封。舵密封装置设计为多级密封结构，采用径向和轴向组合密封方式，径向布置四级密封，层层隔绝泥沙、海水，采用旋转密封圈达到旋转密封性能；轴向每个组合面设置 12 个密封件，有效提升组合面间的密封性能。（2）密封组件选用方案舵密封装置需要在满足舵密封要求前提下满足水压要求，适应工况频繁变化的工作环境，并兼顾旋转功能。通过收集相关密封资料，分析目前用于旋转密封的各型组件，其中高分子聚合物旋转格来圈密封件用于旋转密封效果良好，能满足本装置工作条件，达到使用效果。故本方案使用高分子聚合物旋转格来圈结合非标密封圈、防尘圈、形密封圈形成多级密封形式的密封结构，强化密封性能，提高密封装置的使用寿命。如图 6 所示：高分子聚合物旋转密封圈结构，由一个佐康材质的密封圈和一个作为弹性施力元件的 形圈组成，密封圈的密封唇口轮廓是专为高压低滑速应用而设计的，同时该密封件摩擦小、不粘滞、沟槽设计简单、沟槽尺寸小、温度适应范围-30+100、工作压力最高可达 40 MPa，满足工作水压要求，密封效果显著。图 6 高分子聚合物旋转密封圈（3）密封结构本体材质选用目前舵密封装置的钢制零件通常采用不锈钢材质，常用的304不锈钢材质加工性差，同时强度不是很高。为解决密封结构的耐海水要求，通过对不同金属材质性能的对比，1Cr13Mo 材质具有良好的耐蚀性和机加工性能，同时具有较高的强度和韧性，可满足舵密封装置的加工要求和耐腐蚀要求，全面提高本体的使用寿命。4.2 优化舵锁紧装置，提高维修性目前使用的舵杆螺母锁紧采用止动块焊接，基本87GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）材料与工艺上实现了锁紧防松功能，但是维修保养拆卸不方便，拆卸螺母需割除止动块，螺母回装锁紧安装需重新制作止动块，浪费了大量人力、物力。为了改变上述不足，在设计合理防松结构的基础上，提出了可拆卸重复使用的锁紧型式。优化的舵锁紧装置由主螺母、承压垫圈、压力螺栓和压力片组成，在船舶舵叶与舵杆安装到位后，安装在舵杆的螺杆与承压垫片之间用于舵叶的锁紧，详见图 7 所示。图 7 舵锁紧装置设计图和三维模型图本装置采用张紧螺母紧固的方式，通过压紧螺栓和压力片使主螺母达到目标预紧力，压力片起到弹簧的作用，提高了螺栓连接的弹性，补偿沉陷变形，保持预紧力，能很好的抵抗螺母的松脱。这种紧固方式的使用，使得螺母拆卸简便并且可重复使用，易于安装又方便拆卸，既保证舵杆锁紧后的防松抗震质量，又实现后续维护时重复拆装的功能，大大提升了可靠性和维修性。5 结语通过对本船舵叶掉落原因的深入分析，优化改进了本舵密封装置和锁紧装置。舵密封装置设计为分体式多级旋转密封形式，从密封结构、密封组件、密封件材质等方面进行优化改进，达到提高密封性能、提升耐腐蚀性、延长使用寿命的效果，从根源解决舵密封装置渗水、易腐蚀等问题；同时，改进后的舵锁紧装置，通过振动试验，防松和抗冲击性能满足所规定的技术指标和性能要求，具有简便、快捷、可靠、安全、可重复利用的优点，锁紧防松性能和经济性优于国内现有船船舶舵螺母锁紧结构，为同类型舵装置设计提供参考。参考文献1 中国造船工程学会,中国船舶工业集团公司,中国船舶重工集团公 司.船舶设计实用手册(第 3 版)舾装分册 M.北京:国防工业出版 社,2013.