船舶軸舵系無鍵連接缺陷及處理

賈建雄 王 寧

船舶軸舵系無鍵連接缺陷及處理

賈建雄 王 寧

結(jié)合船舶建造過程中發(fā)現(xiàn)的涉及軸舵系安裝的各類典型缺陷，詳細(xì)描述軸舵系在安裝時(shí)存在的布置缺陷和缺少相關(guān)圖紙、計(jì)算書等事實(shí)，明確規(guī)范的有關(guān)要求，分析缺陷可能導(dǎo)致的后果，通過統(tǒng)計(jì)分析表明這一系列缺陷已長久、普遍存在。結(jié)合船舶具體情況，與各方充分溝通后解決問題，并基于此，對(duì)軸舵系規(guī)范和安裝提出建議，對(duì)軸舵系無鍵連接有關(guān)規(guī)范不合理之處提出觀點(diǎn)。

船舶；軸舵系；無鍵連接；缺陷；處理

一、某集裝箱船軸舵系無鍵連接實(shí)船布置

某1 500 TEU新建集裝箱船于2017年1月簽訂建造合同。近期，驗(yàn)船師在船舶軸舵系安裝檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)該輪舵桿、舵銷、尾軸與配合工件之間均采用無鍵連接，相關(guān)安裝依據(jù)、圖紙等不夠齊全，甚至不符合邏輯，具體缺陷如下：

1.舵銷與舵葉的連接

該輪舵銷與舵葉（舵銷座）采用無鍵連接，但連接螺母僅采用普通的鎖緊螺母，且批準(zhǔn)圖紙無安裝推入力和推入量。那么，舵銷與舵葉安裝時(shí)，僅按照船廠所述，將舵銷套入以后用鎖緊螺母鎖住即可？還是根據(jù)常理，無鍵采用過盈配合？如果采用過盈配合，應(yīng)采用多大推入壓力？推入量應(yīng)為多少？船廠不能明確答復(fù)。于是核查批準(zhǔn)的《舵系布置圖》（見圖1、表1），結(jié)果顯示現(xiàn)場使用的螺母與批準(zhǔn)圖紙一致，是普通鎖緊螺母，但卻沒有批準(zhǔn)的無鍵連接計(jì)算書。

2.舵桿與舵葉的連接

該輪舵桿與舵葉（舵桿座）也采用無鍵連接，且采用液壓螺母。實(shí)船布置與批準(zhǔn)的《舵系布置圖》一致（見圖1、表1），但是舵桿與液壓螺母的安裝推入量和推入力無據(jù)可循。對(duì)此，船廠表示擬采用液壓螺母說明書中的推薦值進(jìn)行安裝。經(jīng)核實(shí)無批準(zhǔn)的無鍵連接計(jì)算書。

3.尾軸與螺旋槳的連接

進(jìn)一步核查，尾軸與螺旋槳也采用無鍵連接，但造船廠只準(zhǔn)備了普通鎖緊螺母。經(jīng)核實(shí)具有批準(zhǔn)的螺旋槳油壓無鍵連接計(jì)算書，且批準(zhǔn)的尾軸尾管總圖顯示，尾軸末端為普通鎖緊螺母（見圖2）。普通鎖緊螺母安裝時(shí)如何實(shí)現(xiàn)推入量？具有無鍵連接計(jì)算書，但沒采用液壓螺母嗎？對(duì)此，船廠不能明確答復(fù)。此外，經(jīng)核實(shí)船廠并沒有制作液壓螺母。

4.尾軸與聯(lián)軸器的連接

該輪尾軸與中間軸是通過聯(lián)軸器相連的，聯(lián)軸器采用液壓無鍵套合到尾軸上。但是聯(lián)軸器套合安裝到軸上時(shí)，液壓軸向推入量和過盈量應(yīng)控制到多少，船廠不能答復(fù)，并表示擬直接采用聯(lián)軸器廠家提供說明書中的推薦值。經(jīng)核實(shí)無批準(zhǔn)的無鍵連接計(jì)算書。

二、規(guī)范的相關(guān)規(guī)定

《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（2015）（以下簡稱“2015規(guī)范”）2016修改通報(bào)（以下簡稱“2016規(guī)范”）第2篇第3章對(duì)舵柄、舵桿、舵銷、舵葉及他們之間的各種連接形式涉及的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)有明確的規(guī)定，第3篇第11章對(duì)尾軸與螺旋槳、聯(lián)軸器之間的連接形式及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)有明確的規(guī)定：

1.舵桿與舵葉的無鍵連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]

舵桿直徑如超過200 mm，建議通過液壓連接進(jìn)行推入配合。在此情況下，錐部應(yīng)更細(xì)長，錐度C應(yīng)在1：12至1：20之間。如用液壓方式連接，螺母應(yīng)有效緊固于舵桿或舵銷。為使舵桿和舵體之間的連接能安全傳遞扭轉(zhuǎn)力矩，推入壓力和推入長度應(yīng)由（1）和（2）確定。

（1）推入壓力應(yīng)不小于以下兩式計(jì)算所得之值的大者：

其中：QF為舵桿設(shè)計(jì)屈服扭矩，N·m；dm為錐體平均直徑，mm；l為錐體長度，mm；μ0為摩擦系數(shù)，等于0.15；Mb為錐形連接彎矩（例如懸掛舵），N·m。

應(yīng)證明推入壓力不超過錐體的許用表面。[1]

（2）推入長度△l應(yīng)滿足下式：

其中：Rtm為平均粗糙度，mm，其值為0.01；C為直徑錐度；無論如何，推入長度不小于2 mm。

（3）液壓方式連接所要求的錐體推入力Pe可按下式計(jì)算：

其中：數(shù)值0.02是采用油壓摩擦系數(shù)的基準(zhǔn)。該值是變量，視機(jī)加工和粗糙度的具體細(xì)節(jié)而定。如在裝配過程中，產(chǎn)生了因舵的重量引起的部分推入效應(yīng)，可在確定所需的推入長度時(shí)予以考慮，并應(yīng)經(jīng)CCS批準(zhǔn)。

2.舵銷與舵葉的無鍵連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

“對(duì)于以油壓和液壓螺母裝配舵銷，舵銷錐度應(yīng)為1：12至1：20。推入長度應(yīng)按舵桿液壓螺母計(jì)算公式的類似方法計(jì)算?！盵1]

但2016規(guī)范在此章節(jié)規(guī)定了舵銷軸承的推入壓力，對(duì)于舵銷與舵體的推入壓力未提及。相比之下，2015規(guī)范中的規(guī)定清晰具體，但標(biāo)題船需滿足2016規(guī)范，其對(duì)舵系連接相關(guān)內(nèi)容已進(jìn)行了徹底修改。

3.尾軸與螺旋槳的無鍵連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

用油壓無鍵安裝螺旋槳時(shí)，螺旋槳套合到軸上的軸向推入量應(yīng)滿足2015規(guī)范（同2016規(guī)范）要求。規(guī)范分35 ℃、 0 ℃、小于35 ℃三種情況對(duì)推入量、推入負(fù)荷和表面壓力進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。而且，對(duì)于0 ℃以下用油壓無鍵安裝時(shí)，規(guī)范對(duì)螺旋槳套合到軸上的安裝環(huán)境溫度有明確的最低要求計(jì)算公式。

此外，規(guī)范明確在套合之前應(yīng)使螺旋槳與軸的溫度相等，配合表面應(yīng)清潔、無油脂。對(duì)無鍵連接之前軸、槳轂與軸錐部的實(shí)際接觸面積應(yīng)不小于理論接觸面積的70%，一般可著色進(jìn)行檢查；不接觸帶不應(yīng)環(huán)繞整個(gè)槳轂或延伸到整個(gè)槳轂全長。在最后拉入后，應(yīng)用螺母把螺旋槳固定在軸上。同時(shí)應(yīng)備有必要的拆裝專用工具。

4.尾軸與聯(lián)軸器的無鍵連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

液壓聯(lián)軸器包括套筒式聯(lián)軸器和一般液壓套合式聯(lián)軸器，標(biāo)題船采用后者。對(duì)此，2015規(guī)范（同2016規(guī)范）第三篇11.3.2.3就其實(shí)際選用的軸向推入量S或過盈量δ有明確的計(jì)算公式。

三、造成的缺陷及其后果

上述各種缺陷的存在，將導(dǎo)致船廠在軸舵系安裝時(shí)僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者采用液壓螺母廠家的推薦值，不能根據(jù)規(guī)范安裝合適的螺母等部件。這些將給船舶的后期營運(yùn)埋下巨大的安全隱患：

1.舵銷

舵銷與舵葉（舵銷座）采用無鍵連接，卻未使用液壓螺母，且沒有無鍵連接計(jì)算書，違反2016規(guī)范規(guī)定。舵銷僅采用普通螺母鎖緊，未使用預(yù)定的力推入一定深度，會(huì)導(dǎo)致舵銷無法有效地將舵葉的重力傳遞到掛舵臂上，進(jìn)而將舵葉的重力僅施加到舵桿上；舵銷也無法將舵葉在船舶航行過程中受到的復(fù)雜外力傳遞到掛舵臂上，即掛舵臂不能有效分擔(dān)舵葉受到的外力。此外，受力分析表明，在螺旋槳推力產(chǎn)生的波浪等作用下，此類舵銷還承受著巨大的彎曲應(yīng)力。上述兩種情況導(dǎo)致上舵承和舵承座極易變形、損壞，舵機(jī)基座及其船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生下陷等變形，舵銷與舵銷座之間還會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，據(jù)調(diào)研，這樣的滑動(dòng)會(huì)導(dǎo)致舵銷或舵銷座磨壞以及舵葉晃蕩。

2.舵桿

舵桿與舵葉（舵桿座）采用無鍵連接，使用了液壓螺母，但沒有批準(zhǔn)的無鍵連接計(jì)算書，僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)壓裝舵葉，違反2016規(guī)范規(guī)定，導(dǎo)致舵葉未能合理、有效地壓裝到舵桿上。

舵桿不僅承擔(dān)著將舵葉巨大的重力傳遞到船體構(gòu)件上和將舵機(jī)巨大的扭矩傳遞到舵葉上的任務(wù)，還承擔(dān)并傳遞著舵葉受到的流、浪等巨大外力。舵直接決定著船舶的航行安全，因此，舵葉與舵桿未能按照規(guī)范規(guī)定的壓力和推入長度安裝，舵極有可能在船舶運(yùn)行過程中失靈，后果不堪設(shè)想。

3.尾軸后端

如標(biāo)題船方案，尾軸與螺旋槳采用無鍵連接，持有無鍵連接計(jì)算書，但僅配備普通鎖緊螺母，很顯然不能有效地將軸系巨大的扭力傳遞到螺旋槳上，尾軸無法承受螺旋槳巨大的反作用力。因此，此安裝極易導(dǎo)致軸與槳發(fā)生相對(duì)滑移。

4.尾軸前端

標(biāo)題輪尾軸與聯(lián)軸節(jié)也采用油壓無鍵連接，但是沒有批準(zhǔn)的無鍵連接計(jì)算書，安裝推入量和過盈量無法準(zhǔn)確控制，違反2015規(guī)范規(guī)定。同時(shí)，一旦其沒有合理連接，將會(huì)導(dǎo)致超大扭矩在軸系惡劣情況下工作時(shí)，尾軸與聯(lián)軸節(jié)可能產(chǎn)生相對(duì)滑移，影響船舶航行，并導(dǎo)致尾軸表面磨損。

四、進(jìn)一步調(diào)查統(tǒng)計(jì)

鑒于上述情況，對(duì)轄區(qū)所有在建船舶舵銷與舵葉、舵桿上部與舵柄、舵桿下部與舵葉、尾軸前端與中間軸和尾軸后端與螺旋槳的連接形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見表2）：

根據(jù)各自對(duì)應(yīng)規(guī)范，逐一核查上述船舶的圖紙、計(jì)算書及其準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)只有6 600 DWT瀝青船、 4 900 DWT化學(xué)品船和2 550 DWT化學(xué)品/油船滿足規(guī)范。

五、技術(shù)分析

無鍵連接通常有型面連接、脹緊連接兩種。船舶軸舵系一般采用脹緊連接，即利用錐面貼合并擠緊在軸轂之間，用摩擦力傳遞扭矩，有過載保護(hù)作用。一般情況下，無鍵連接液壓聯(lián)軸器是鍵連接聯(lián)軸器價(jià)格的2～2.5倍，但是近年來，越來越多的船舶選擇采用軸舵系無鍵連接。其優(yōu)點(diǎn)在于：結(jié)構(gòu)簡單，定心性好，承載能力高，能承受沖擊載荷，對(duì)軸的強(qiáng)度削弱??；可以降低制造強(qiáng)度；便于安裝和拆卸；在交變扭矩的作用下，由過載而引起被連接件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不致發(fā)生損壞，而且連接可使用多次。缺點(diǎn)是疲勞強(qiáng)度比鍵連接要大1.5倍，對(duì)配合尺寸精度要求較高。例如，2016年某尾軸前端采用鍵連接連軸系集裝箱船在福建海域全速、滿載航行時(shí)，螺旋槳碰撞到了河床暗礁上，導(dǎo)致軸系瞬時(shí)受到巨大的反作用力，進(jìn)而通過聯(lián)軸器鍵作用到尾軸鍵槽上，鍵硬度和強(qiáng)度大于尾軸鍵槽，進(jìn)一步導(dǎo)致鍵槽損壞，最終導(dǎo)致整根尾軸報(bào)廢。如果采用無鍵連接，則不會(huì)造成如此大的損失。

軸舵系的有效連接在船舶推進(jìn)、安全操縱方面起著重要的作用。以尾軸與螺旋槳為例，尾軸與螺旋槳的可靠配合，是實(shí)現(xiàn)將主機(jī)巨大的扭力和扭矩傳遞到螺旋槳上的重要保障，同時(shí)承受著螺旋槳巨大的反作用力，因此尾軸與螺旋槳之間應(yīng)采用鍵連接或者過盈配合連接。很顯然，如上標(biāo)題船螺旋槳與尾軸未采用鍵連接且僅采用普通鎖緊螺母無法實(shí)現(xiàn)主機(jī)巨大扭矩的傳遞功能。經(jīng)廣泛調(diào)研得知，確實(shí)存在不少船舶制造廠和設(shè)計(jì)院考慮到將軍帽內(nèi)部空間狹?。ㄆ扔趯?shí)際情況無法再改大）和尺寸有限、舵葉寬度較小，因此在安裝時(shí)，首先制作一個(gè)液壓螺母將螺旋槳推入，在保障推入量和推入力后，再采用普通鎖緊螺母將螺旋槳鎖緊。之后將液壓螺母作為工具放在船上，以便船舶修理時(shí)拆開液壓螺母，并按照計(jì)算書再實(shí)現(xiàn)推入量。

2016規(guī)范第二篇3.1.6.4明確（舵系無鍵安裝）：如用液壓方式連接，螺母應(yīng)有效緊固于舵桿或舵銷。第三篇11.4.5.6明確（螺旋槳無鍵安裝）：作出與溫度有關(guān)的安裝曲線及相應(yīng)的負(fù)荷資料，應(yīng)保留在船上。同時(shí)應(yīng)備有必要的拆裝專用工具。

六、解決方案及結(jié)論

鑒于上述在建船舶的缺陷情況，驗(yàn)船師積極與設(shè)計(jì)院、審圖中心、船廠進(jìn)行了深入友好的溝通。針對(duì)每一艘船的軸系和舵系圖紙、現(xiàn)場裝配情況及規(guī)范存在的差異（不同時(shí)期的船舶適用的規(guī)范不同），分別與船體工程師、輪機(jī)工程師以一事一議的方式充分溝通，解決了存在的問題：

（1）舵銷。修改了舵系布置圖，按照規(guī)范修改為液壓螺母，補(bǔ)充批準(zhǔn)了無鍵連接計(jì)算書；船廠根據(jù)新的圖紙配置、安裝。

（2）舵桿。補(bǔ)充批準(zhǔn)了無鍵連接計(jì)算書，船廠根據(jù)新的圖紙安裝。

（3）尾軸后端。補(bǔ)充批準(zhǔn)了無鍵連接計(jì)算書，鑒于螺旋槳將軍帽內(nèi)部尺寸較小的實(shí)際情況，各方充分溝通設(shè)計(jì)了一個(gè)液壓螺母作為工具，用其將螺旋槳按照計(jì)算書推入并待穩(wěn)定后，改用普通螺母將螺旋槳鎖緊。液壓螺母作為工具留在船上，以便軸系拆裝時(shí)使用，并將手動(dòng)液壓泵等拆裝專用工具留在船上。

（4）尾軸前端。補(bǔ)充了無鍵連接計(jì)算書，現(xiàn)場按照?qǐng)D紙施工。

七、結(jié)束語及建議

（1）規(guī)范不明確的內(nèi)容。如前所述，的確存在許多船舶在軸舵系安裝完畢后，將液壓螺母作為工具備在船上，實(shí)際采用普通螺母的現(xiàn)象。是否可以這么操作，從工程實(shí)踐的角度而言，筆者認(rèn)為是完全可行的；但規(guī)范不夠明確，建議明確。

（2）軸舵系連接的一個(gè)重要前提是連接處的錐度控制，規(guī)范對(duì)無鍵連接件的錐度要求更高。但不少中小型企業(yè)制造的船舶在設(shè)計(jì)或鑄件鏜孔時(shí)，錐度控制很隨意，應(yīng)引起各方重視。

（3）2016規(guī)范存在錯(cuò)誤。如前所述，修改通報(bào)第二篇3.1.7.2在描述舵銷與銷座的連接時(shí)突然明確了“舵銷軸承”的推入壓力公式，而后又回到標(biāo)題內(nèi)容——規(guī)定了舵銷推入長度所采用的公式。然而通篇梳理，關(guān)于舵系軸承的所有內(nèi)容均在3.1.8節(jié)，第3.1.6和3.1.7描述的是舵銷的連接，與舵承無關(guān)。通過公式推算，筆者認(rèn)為3.1.7 “舵銷軸承”用詞錯(cuò)誤，應(yīng)該是“舵銷”。而且，本節(jié)結(jié)構(gòu)雜糅，應(yīng)明確舵銷推入壓力和推入量的計(jì)算公式是針對(duì)無鍵連接的，對(duì)于有鍵連接不應(yīng)有推入量和推入壓力等的規(guī)定。就此與審圖驗(yàn)船師反復(fù)溝通并與規(guī)范所聯(lián)系，最終得以印證，于是按程序提交了規(guī)范反饋。

[1]中國船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范2015[M].北京:人民交通出版社,2015.

[2]王守城.基于PLC的油水分離器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2016(1):124-127.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.12.008

賈建雄（1986—），男，中國船級(jí)社浙江分社，國家A類注冊(cè)驗(yàn)船師，碩士。

王寧（1984—），男，中交上航局航道建設(shè)有限公司，工程師，項(xiàng)目主管。