某鋁合金高速海洋指揮船舵系設計

莊樂亭 彭蛟 毛斌峰 陳順洪 陳南華

摘? ? 要：鋁合金船舶與鋼質船舶舵系安裝方法不同，鋼質標準舵承不能與鋁質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計與某高速鋁質巡邏艇舵系設計為例進行對比，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滑問題，但兩者在采購成本、制作和安裝工藝的等方面差異。

關鍵詞：鋁合金；高速船；舵系設計；賽龍承座；螺栓連接

中圖分類號：U662.2? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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行設計，不同的船舶類型、尺度以及用途，對舵的要求也各不相同。高速船需要經常改變航向，?？恳草^頻繁，舵的設計側重于靈活地改變航向，通常舵布置在船尾螺旋槳的尾流中，構成尾部船體+螺旋槳+舵的組合體。此時，舵可通過利用螺旋槳尾流來提高舵效，同時螺旋槳的尾流也通過舵的整流作用可進一步改善推進效率。

就常規(guī)舵而言，各類舵型應根據(jù)船的大小、用途、螺旋槳直徑和船尾線型來選定。一般來說，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、舵機及其控制系統(tǒng)等組成，不同材質的主船體，舵與船體連接方式的也不相同，舵系的組成方式也會有所不同[1]。

主船體為鋼質的高速船，通常選用標準的鋼質下舵承，下舵承與主船體底板直接焊接固定；如果主船體為全鋁質結構，則舵系設計無法像鋼質船舶一樣，采用標準的舵承與船體進行焊接固定，需研究新的安裝可靠且能長期穩(wěn)定運行的舵系工藝，以解決舵系安裝固定問題。

本文以某型海洋指揮船的舵系設計為例，總結鋁質高速船舶舵系布置特點，并介紹兩種鋁質船舶舵系設計及連接方法。

2? ? ?舵系主要參數(shù)選取及布置

2.1? ?主要參數(shù)選取

該型海洋指揮船設計排水量約160 t，航速大于25 kn，設雙機、雙定距槳、雙舵，全船為鋁合金焊接結構。根據(jù)經驗，采用兩具懸掛式流線型平衡舵，其水動力特性參照NACA系列資料計算。舵系有關零部件的結構尺寸按中國船級社《海上高速船入級與建造規(guī)范》的要求進行計算[2]。

（1）本船對操縱性要求較高，結合尾部隧道線型及船型特點，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，均選取抗拉強度不小于520 N/mm2、屈服強度不小于205 N/mm2的S31608不銹鋼，其性能符合中國船級社《材料與焊接規(guī)范》奧氏體不銹鋼鍛鋼件的有關規(guī)定[4]；

（4）根據(jù)NACA系列水動力特性和規(guī)范計算扭矩，并考慮摩擦力矩及計算裕度，本船雙舵總扭矩約15 kN·m，實際選用了16 kN·m擺缸式電動液壓舵機一臺。

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，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，結合尾部隧道線型，定位需保證舵葉轉至最大轉舵角36.5°時舵葉上緣不與船底板相碰，同時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，兩個舵葉通過舵柄用一根鋼質連桿連接實現(xiàn)左右同步擺動，舵柄的另一端各連接一個液壓油缸，液壓油缸由位于舵前方的舵機操縱；舵機艙還布置有應急操舵裝置、儲備油箱、主輔機排煙管、油泵啟動箱、舵機艙報警箱、操舵開關箱、聲力電話、廣播等眾多設備，舵機艙空間較緊張，設計將傳統(tǒng)的兩臺單獨電動油泵機組改為集成于一體的電動油泵機組，既能滿足規(guī)范要求葉有效節(jié)省了舵機艙空間，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

在以往的設計中，舵桿軸承一般采用青銅或銅合金，加工工藝簡單，價格相對低廉；但本船為全鋁質焊接結構，考慮到異種金屬間的絕緣腐蝕及連接可行性問題，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晶熱凝樹脂制造而成的均質聚合物，與銅合金軸承材料相比，賽龍材料在水浸潤、多雜質、強沖擊的環(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原形；其次，賽龍具有高度的抗磨損性；同時，該材料具有低摩擦、使用壽命長、抗磨能力強、易加工、易安裝、水、油潤滑皆可、高彈性、堅韌等特點，實船應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? ?下舵承設計及安裝

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

根據(jù)舵計算書，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。設計時，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，放入預先制成的箱桶內，用液氮冷凍時間約15～20分鐘，可檢測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間，待軸承外徑測得的尺寸小于內孔尺寸約6.0～8.0 mm時，從箱內將軸承吊出安裝，為防止軸承迅速膨脹，整個安裝過程需在7～8分鐘內完成。

3.3? 上舵承設計及安裝

本船上舵承選用L型鋁質套筒，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)舵計算書，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入舵機艙，還需設置橡膠密封圈進行密封，上端加圓形法蘭進行固定，法蘭材質為鋁合金，法蘭端面均布6個φ10螺孔，采用不銹鋼沉頭螺釘與舵承上端面進行固定。

3.4? 舵柄處舵桿設計及安裝

舵柄處舵桿為圓錐形設計，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，舵柄上下端處均進行了緊固處理：舵柄下端處舵桿采用R40圓弧形凹槽過渡，凹槽內安裝不銹鋼對開式半圓環(huán)，采用M12×50沉頭螺釘進行緊固；舵柄上端處舵桿在凹槽內安裝外舌止動圈，上部采用M80螺母進行緊固。

4? ? 螺栓連接法

舵桿與上、下舵承的連接方式多種多樣，對于全鋁質船舶，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滑動水密下舵承或JT/T 250-2004內河船舶下舵承按非標件進行設計：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行連接固定；舵承基座采用帶凸邊的圓筒形設計，下端同樣多出一圈凸邊，下舵承與舵承基座采用螺栓進行固定，端面和螺栓接觸部分采用墊圈和套筒進行異種金屬隔離，防止電化腐蝕的產生；螺栓底部采用環(huán)氧進行澆筑，安裝時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內河船舶上舵承推薦的標準件：安裝時上舵承與鋁質舵承基座接觸面采用橡膠墊進行異種金屬隔離，防止腐蝕的產生；上舵承與舵承基座面進行螺栓固定時，采用絕緣墊圈和套筒將螺栓與鋁質基座隔開，如圖7所示。

以上方法不使用賽龍材料，雖然降低了采購成本，但對船廠的制作和安裝工藝提出了較高的要求，設計時可根據(jù)船廠實際情況進行選擇。

5? ? 結論

通過鋁合金船舶舵系設計研究，很好的解決了本船舵系與船體連接的問題。經過多年使用反饋，本船舵系運行平穩(wěn)，效果良好，可為此類型船舶舵系設計提供參考。

（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舵角時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、腐蝕以及舵承潤滑問題，且上下舵承之間采用水密通海管進行連接，能防止海水進入舵機艙內部，但成本相對較高；

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

參考文獻

[1] 船舶設計實用手冊編委會.船舶設計實用手冊：舾裝分冊[M].北京：國防工業(yè)出版社， 2002.

[2] 中國船級社.海上高速船入級與建造規(guī)范[S]. （2015）.

[3] 黃昊.對舵系設計中幾個主要參數(shù)的對比分析[J]. 船舶. 2010，21（05）.

[4] 中國船級社.材料與焊接規(guī)范[S]. 2021.

[5] 王優(yōu)強，李鴻琦，佟景偉.水潤滑賽龍軸承綜述[J].機械工程師.?2002 （11）.

作者簡介：莊樂亭（1983-），男，高級工程師。主要從事船舶舾裝設計工作。

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