某铝合金高速海洋指挥船舵系设计.pdf

铝合金船舶与钢质船舶舵系安装方法不同，钢质标准舵承不能与铝质主船体直接焊接固定，两者连接方式也需要考虑异种金属之间电化腐蚀。以某海洋指挥船舵系设计与某高速铝质巡逻艇舵系设计为例进行对比，两船分别采用赛龙承座连接法和螺栓连接法，均有效解决了异种金属的连接、电化腐蚀以及舵承润滑问题，但两者在采购成本、制作和安装工艺的等方面差异。关键词：铝合金；高速船；舵系设计；赛龙承座；螺栓连接中图分类号：U662.2 文献标识码：ARudder 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 Connection1 前言船舶舵系是根据不同的船型和使用要求进行设计，不同的船舶类型、尺度以及用途，对舵的要求也各不相同。高速船需要经常改变航向，停靠也较频繁，舵的设计侧重于灵活地改变航向，通常舵布置在船尾螺旋桨的尾流中，构成尾部船体+螺旋桨+舵的组合体。此时，舵可通过利用螺旋桨尾流来提高舵效，同时螺旋桨的尾流也通过舵的整流作用可进一步改善推进效率。就常规舵而言，各类舵型应根据船的大小、用途、螺旋桨直径和船尾线型来选定。一般来说，悬挂式平衡舵适用于中小型船舶，尤其适用于双螺旋桨的高速船舶。整个舵系统通常由舵叶、舵杆、上舵承、下舵承、舵角限位装置、舵机及其控制系统等组成，不同材质的主船体，舵与船体连接方式的也不相同，舵系的组成方式也会有所不同1。主船体为钢质的高速船，通常选用标准的钢质下舵承，下舵承与主船体底板直接焊接固定；如果主船体为全铝质结构，则舵系设计无法像钢质船舶一样，采用标准的舵承与船体进行焊接固定，需研究新的安装可靠且能长期稳定运行的舵系工艺，以解决舵系安装固定问题。本文以某型海洋指挥船的舵系设计为例，总结铝质高速船舶舵系布置特点，并介绍两种铝质船舶舵系设计及连接方法。2 舵系主要参数选取及布置2.1 主要参数选取35GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）设计与研究该型海洋指挥船设计排水量约 160 t，航速大于 25 kn，设双机、双定距桨、双舵，全船为铝合金焊接结构。根据经验，采用两具悬挂式流线型平衡舵，其水动力特性参照 NACA 系列资料计算。舵系有关零部件的结构尺寸按中国船级社海上高速船入级与建造规范的要求进行计算2。（1）本船对操纵性要求较高，结合尾部隧道线型及船型特点，采用了悬挂式平衡舵，舵面积比取=2.4%3；（2）舵杆与舵叶采取插入式焊接连接，剖面厚度取 t=0.24，平衡系数=0.29，展舷比=1.66；（3）舵杆及舵叶，均选取抗拉强度不小于 520 N/mm2、屈服强度不小于 205 N/mm2的 S31608 不锈钢，其性能符合中国船级社材料与焊接规范奥氏体不锈钢锻钢件的有关规定4；（4）根据 NACA 系列水动力特性和规范计算扭矩，并考虑摩擦力矩及计算裕度，本船双舵总扭矩约15 kNm，实际选用了 16 kNm 摆缸式电动液压舵机一台。2.2 舵系布置本船为双螺旋桨，且采用了尾部隧道线型，船尾配置双悬挂舵，舵位于螺旋桨的正后方；舵的下缘高于基线 130 mm，稍高于螺旋桨盘面的最低点，以充分利用螺旋桨尾流和减小舵杆直径和弯矩；舵叶的上缘接近船尾底部，结合尾部隧道线型，定位需保证舵叶转至最大转舵角 36.5时舵叶上缘不与船底板相碰，同时还需考虑一定的船体建造变形，舵叶上缘与船底板的间隙不宜留得过小，合适的距离可以降低舵杆弯矩，并减少舵上缘的扰流，从而提高舵效。舵叶定位布置图，如图 1 所示。图 1 舵叶定位布置图在平面方向，两个舵叶通过舵柄用一根钢质连杆连接实现左右同步摆动，舵柄的另一端各连接一个液压油缸，液压油缸由位于舵前方的舵机操纵；舵机舱还布置有应急操舵装置、储备油箱、主辅机排烟管、油泵启动箱、舵机舱报警箱、操舵开关箱、声力电话、广播等众多设备，舵机舱空间较紧张，设计将传统的两台单独电动油泵机组改为集成于一体的电动油泵机组，既能满足规范要求叶有效节省了舵机舱空间，非常适合高速船舶使用。舵系布置图，如图 2 所示。图 2 舵系布置图3 轴承连接法3.1 材料选择在以往的设计中，舵杆轴承一般采用青铜或铜合金，加工工艺简单，价格相对低廉；但本船为全铝质焊接结构，考虑到异种金属间的绝缘腐蚀及连接可行性问题，下舵承衬套采用青铜或铜合金不合适。随着新材料的加工工艺日益成熟，使得赛龙、飞龙等合成材料开始逐渐取代青铜或铜合金，因此本船下舵承衬图 2舵系布置图图 3下舵承处安装示意图图 4上舵承处安装示意图图 5舵柄处舵杆安装示意图图 6下舵承处安装示意图图 7上舵承处安装示意图图 2舵系布置图图 3下舵承处安装示意图图 4上舵承处安装示意图图 5舵柄处舵杆安装示意图图 6下舵承处安装示意图图 7上舵承处安装示意图36 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）设计与研究套选用了赛龙材料。赛龙材料是由三次元交叉结晶热凝树脂制造而成的均质聚合物，与铜合金轴承材料相比，赛龙材料在水浸润、多杂质、强冲击的环境下具有特别优越的性能5：首先，它是弹性材料，在受到拉伸或挤压变形后能恢复原形；其次，赛龙具有高度的抗磨损性；同时，该材料具有低摩擦、使用寿命长、抗磨能力强、易加工、易安装、水、油润滑皆可、高弹性、坚韧等特点，实船应用证明其性能超越于大多数其他传统的轴承材料，包括铜、巴氏合金、尼龙、铁弗尼、铁梨木及氨基聚合物等。3.2 下舵承设计及安装本船下舵承采用倒 L 型铝质套筒，套筒壁厚 30 mm，套筒下端与船体板焊接固定，上端与铝质通海管焊接，如图 3 所示。图 3 下舵承处安装示意图根据舵计算书，本船选取的下舵承衬套厚度为 20 mm、高度为 160 mm，舵承支撑面积满足规范要求。设计时，考虑成本及加工的便利，赛龙材料尽量选用直筒形式或带微小的折角，以减小加工难度；赛龙上船安装采用冷冻法，将加工好的衬套，放入预先制成的箱桶内，用液氮冷冻时间约 1520 分钟，可检测轴承的外径尺寸是否收缩得足够，如收缩得不够则再冷冻一段时间，待轴承外径测得的尺寸小于内孔尺寸约6.08.0 mm 时，从箱内将轴承吊出安装，为防止轴承迅速膨胀，整个安装过程需在 78 分钟内完成。3.3 上舵承设计及安装本船上舵承选用 L 型铝质套筒，套筒壁厚 30 mm，中部与舵承基座焊接固定，下端与通海管焊接，如图 4 所示。图 4 上舵承处安装示意图上舵承衬套选用赛龙材料，根据舵计算书，选取的上舵承衬套厚度为 20 mm、高度为 110 mm，舵承支撑面积满足规范要求，安装方法与下舵承衬套相同。上舵承衬套装入舵承后，为了保持上端部密性，防止通海管中的海水溢出进入舵机舱，还需设置橡胶密封圈进行密封，上端加圆形法兰进行固定，法兰材质为铝合金，法兰端面均布 6 个 10 螺孔，采用不锈钢沉头螺钉与舵承上端面进行固定。3.4 舵柄处舵杆设计及安装舵柄处舵杆为圆锥形设计，锥度为 1:12，采用单键与舵柄连接，如图 5 所示。图 5 舵柄处舵杆安装示意图为了防止舵杆脱落，舵柄上下端处均进行了紧固处理：舵柄下端处舵杆采用 R40 圆弧形凹槽过渡，凹槽内安装不锈钢对开式半圆环，采用 M1250 沉头螺钉进行紧固；舵柄上端处舵杆在凹槽内安装外舌止动圈，上部采用 M80 螺母进行紧固。4 螺栓连接法舵杆与上、下舵承的连接方式多种多样，对于全铝质船舶，除了本船采用赛龙承座连接方式外，也有部分船厂从降低成本的角度出发，采用一些其他的连接方式，比如螺栓连接法。图 3下舵承处安装示意图图 4上舵承处安装示意图图 5舵柄处舵杆安装示意图图 6下舵承处安装示意图图 7上舵承处安装示意图图 1舵叶定位布置图图 2舵系布置图图 3下舵承处安装示意图图 4上舵承处安装示意图37GUANGDONG SHIPBUILDING 广东造船 2023 年第 3 期（总第 190 期）设计与研究4.1 舵杆在下舵承处的连接下舵承参照 CB*790-87 滑动水密下舵承或 JT/T 250-2004 内河船舶下舵承按非标件进行设计：舵承靠下端处多出一圈凸边，方便与舵承基座焊接的凸边进行连接固定；舵承基座采用带凸边的圆筒形设计，下端同样多出一圈凸边，下舵承与舵承基座采用螺栓进行固定，端面和螺栓接触部分采用垫圈和套筒进行异种金属隔离，防止电化腐蚀的产生；螺栓底部采用环氧进行浇筑，安装时下舵承本体露出船体部分保持在 50 mm 左右，以免露出太多增加船舶附加阻力，如图 6 所示。图 6 下舵承处安装示意图4.2 舵杆在上舵承处的连接上舵承依旧选用 CB*789-87 滚子上舵承或 JT/T 251-2004 内河船舶上舵承推荐的标准件：安装时上舵承与铝质舵承基座接触面采用橡胶垫进行异种金属隔离，防止腐蚀的产生；上舵承与舵承基座面进行螺栓固定时，采用绝缘垫圈和套筒将螺栓与铝质基座隔开，如图 7 所示。图 7 上舵承处安装示意图以上方法不使用赛龙材料，虽然降低了采购成本，但对船厂的制作和安装工艺提出了较高的要求，设计时可根据船厂实际情况进行选择。5 结论通过铝合金船舶舵系设计研究，很好的解决了本船舵系与船体连接的问题。经过多年使用反馈，本船舵系运行平稳，效果良好，可为此类型船舶舵系设计提供参考。（1）尾部为隧道线型的船舶，合理控制舵叶上缘与船底板间距，既能保证舵叶在最大转舵角时上缘不与船底板相碰，又能有效降低舵杆弯矩和提高舵效；（2）赛龙轴承连接法，有效解决了异种金属的连接、腐蚀以及舵承润滑问题，且上下舵承之间采用水密通海管进行连接，能防止海水进入舵机舱内部，但成本相对较高；（3）螺栓连接法可尽量选用标准舵承，降低采购成本，但也存在较高的制作和安装工艺要求。参考文献1 船舶设计实用手册编委会.船舶设计实用手册：舾装分册 M.北京：国防工业出版社,2002.2 中国船级社.海上高速船入级与建造规范 S.(2015).3 黄昊.对舵系设计中几个主要参数的对比分析 J.船舶.2010,21(05).4 中国船级社.材料与焊接规范 S.2021.5 王优强，李鸿琦，佟景伟.水润滑赛龙轴承综述 J.机械工程师.2002(11).图 1舵叶定位布置图图 2舵系布置图图 3下舵承处安装示意图图 4上舵承处安装示意图图 5舵柄处舵杆安装示意图