船舶下舵承間隙及結(jié)構(gòu)問(wèn)題分析與對(duì)策

，

(武漢南華高速船舶工程股份有限公司，武漢 430064)

船舶下舵承及其密封裝置位于螺旋槳尾流的高壓區(qū)，受到尾流的沖擊，其性能對(duì)舵裝置的功能和船舶安全密切相關(guān)。對(duì)于水密下舵承，內(nèi)河船舶一般采用船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《內(nèi)河船下舵承》(CB*3146—83)B型產(chǎn)品[1]。見(jiàn)圖1。

圖1 CB*3146—83標(biāo)準(zhǔn)B型下舵承示意

如果下舵承間隙太大，會(huì)導(dǎo)致密封失效，水進(jìn)入舵套筒油腔，致使?jié)櫥椭榛绊憹?rùn)滑性能；未采用舵套筒形式，水還會(huì)進(jìn)入舵機(jī)艙，影響船舶安全。如果采用船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《滑動(dòng)水密下舵承》(CB*790—87)[2]，見(jiàn)圖2。間隙太大，也會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

圖2 CB*790—87標(biāo)準(zhǔn)A型水密下舵承示意

公司最先使用該兩型下舵承的船舶，均不同程度地出現(xiàn)上述情況。在航運(yùn)業(yè)，船舶營(yíng)運(yùn)中這種現(xiàn)象也屢見(jiàn)不鮮[3]。

CB*790—87標(biāo)準(zhǔn)型下舵承，無(wú)論是A型還是B型，其襯套是從上端拆裝，襯套上端再設(shè)置密封裝置及壓蓋。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的結(jié)構(gòu)尺寸，下舵承本體高度較小，該高度范圍內(nèi)，除與船底板焊接外，還應(yīng)與縱橫結(jié)構(gòu)或大肘板焊接，以保證舵裝置結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在有限的下舵承本體高度范圍內(nèi)，為了保留襯套和密封裝置的拆裝空間，就必須減小結(jié)構(gòu)或肘板與下舵承本體的焊接長(zhǎng)度。如此，強(qiáng)度和穩(wěn)定性則下降。

1 下舵承間隙分析

船舶設(shè)計(jì)時(shí)必須滿足規(guī)范要求，如《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》(2012)中第2篇第3章第1節(jié)3.1.13.3條規(guī)定如下[4]。

金屬軸承(即本文舵承，以下同)的徑向間隙δ應(yīng)不小于按下式計(jì)算所得之值。

(1)

式中：d——支承面直徑，mm。

徑向間隙值可以根據(jù)CCS接受的標(biāo)準(zhǔn)確定。如采用非金屬軸承，軸承的徑向間隙應(yīng)考慮材料的膨脹和熱膨脹性予以專(zhuān)門(mén)確定。無(wú)論如何該間隙應(yīng)不小于1.5 mm。

按照上述規(guī)范自然段的劃分，應(yīng)該理解為：對(duì)于金屬軸承，徑向間隙值按式(1)進(jìn)行計(jì)算，也可以按CCS接受的標(biāo)準(zhǔn)確定；對(duì)于非金屬軸承按專(zhuān)門(mén)規(guī)定。但都不得小于1.5 mm。

按CCS規(guī)范規(guī)定，分別以支承面直徑80 mm和200 mm為例，兩種規(guī)格的舵桿與襯套之間計(jì)算最小間隙分別為1.08和1.20 mm。

按規(guī)范“無(wú)論如何該間隙應(yīng)不小于1.5 mm”的要求，至少應(yīng)取1.5 mm。

在出現(xiàn)密封失效現(xiàn)象后，對(duì)照CB*3146—83和CB*790—87下舵承標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的配合特性及GB/T 1800.2—2009《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS) 極限與配合第2部分：將標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)和孔、軸極限偏差表》規(guī)定的極限間隙與規(guī)范要求進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 舵桿與襯套極限間隙 mm

前后對(duì)比，對(duì)于小直徑舵裝置而言，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的間隙約為規(guī)范要求的1/4到1/3。

在CB*3146—83標(biāo)準(zhǔn)中，直徑最大320 mm，在CB*790—87標(biāo)準(zhǔn)中，直徑最大500 mm[2]，即使按照GB/T 1800.2—2009中列出的最大直徑500 mm，其對(duì)應(yīng)下舵承最大間隙見(jiàn)表2。

表2 GB/T 1800.2—2009所列最大直徑(500 mm)對(duì)應(yīng)下舵承極限間隙 mm

根據(jù)表2，CB*3146—83和CB*790—87兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)確定的舵桿與襯套最大間隙即使在支承面直徑達(dá)500 mm時(shí)也小于1.5 mm，按式(1)的規(guī)范公式計(jì)算支承面直徑達(dá)500 mm時(shí)的最小間隙才達(dá)到1.5 mm。

小直徑舵裝置中水密下舵承的標(biāo)準(zhǔn)間隙與規(guī)范要求相差太大，完全按規(guī)范要求加工和安裝，密封性能將偏弱甚至密封失效，導(dǎo)致油腔進(jìn)水。

為了解決該問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)將下舵承在CB*3146—83和CB*790—87標(biāo)準(zhǔn)型產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)：舵承極限間隙按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工，或僅按照CCS規(guī)范中對(duì)金屬軸承的間隙要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工；保持原有“J”型密封圈或密封環(huán)及壓蓋不變，再在其下增加一道跟隨性更好的“O”密封圈及壓蓋。

改型下舵承及密封裝置投入使用后收到了良好的效果，該公司后續(xù)自行設(shè)計(jì)并建造的船舶，均采用的是改型產(chǎn)品。生產(chǎn)廠家為了區(qū)別標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，在向本公司提供改型產(chǎn)品時(shí)，在產(chǎn)品標(biāo)記前均注明“特”字以示區(qū)別，如直徑200的改型CB*3146—83標(biāo)準(zhǔn)B型下舵承，其標(biāo)記為：特B200 CB*3146—83。

實(shí)踐證明，以上標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的配合特性，由其產(chǎn)生的極限間隙要求是合理的，能夠滿足船廠施工和舵裝置運(yùn)行要求，能夠保證船舶建造質(zhì)量和營(yíng)運(yùn)安全。但這種改型產(chǎn)品由于不能滿足CCS現(xiàn)行規(guī)范的要求，一般只能單獨(dú)報(bào)審圖部門(mén)或規(guī)范部門(mén)特別批準(zhǔn)，否則，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)船師對(duì)安裝后的舵承間隙將不予認(rèn)可。

重新審視CCS規(guī)范對(duì)舵承間隙的規(guī)定，其分為兩個(gè)自然段，第一段闡述了對(duì)金屬軸承的要求，第二段分為3個(gè)句子：一為“徑向間隙值可以根據(jù)CCS接受的標(biāo)準(zhǔn)確定”的表述;二為對(duì)非金屬軸承的表述;三為“無(wú)論如何該間隙應(yīng)不小于1.5 mm”。按照語(yǔ)言的邏輯關(guān)系，一般應(yīng)理解為金屬和非金屬軸承“無(wú)論如何該間隙應(yīng)不小于1.5 mm”。

CB標(biāo)準(zhǔn)作為我國(guó)“全國(guó)船舶標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”確實(shí)是CCS所接受的標(biāo)準(zhǔn)，但是CB*3146—83和CB*790—87標(biāo)準(zhǔn)中的襯套(即CCS規(guī)范所述的軸承)的材料分別為“鑄造黃銅合金”和“鑄鋁青銅”，其實(shí)際極限間隙范圍，至少直到支承面直徑500 mm，仍然與CCS規(guī)范規(guī)定的金屬軸承間隙有很大差異，與“無(wú)論如何該間隙應(yīng)不小于1.5 mm”的規(guī)定更無(wú)重疊區(qū)間，則按規(guī)范要求只能取大者。實(shí)踐證明，規(guī)范的這種規(guī)定，對(duì)于直徑越小的應(yīng)用場(chǎng)合，因與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的差距越大，則越不利。

對(duì)比其它規(guī)范，如GL規(guī)范《Rules for Classification and Construction》(2012)的第1部分第1章第14節(jié)E.6和ABS規(guī)范《Rules for Building and Classing Steel Vessels》(2008)的第3部分第2章第14節(jié)17.1.2，對(duì)金屬和非金屬的舵承間隙規(guī)定，除CCS補(bǔ)充的“徑向間隙值可以根據(jù)CCS接受的標(biāo)準(zhǔn)確定”外，含義與CCS規(guī)范相同[6-7]；而DNV規(guī)范《Rules for Classification of Ship》(2014)第3篇第3章第2節(jié)G.405、ABS規(guī)范《Rules for Building and Classing Steel Vessels》(2014)的第3部分第2章第14節(jié)15.1.2、LR規(guī)范《Rules and Regulations for the Classification of Ships》(2011)的第3部分第13章第2節(jié)2.4.8及其對(duì)應(yīng)的表13.2.6和BV規(guī)范《Rules for the Classification of Steel Ships》(2011)的第B部分第10章第1節(jié)6.2.4，對(duì)金屬和非金屬的舵承間隙是分別規(guī)定的，內(nèi)容與CCS規(guī)范基本相同，但對(duì)于不小于1.5 mm的要求專(zhuān)門(mén)指出只針對(duì)非金屬舵承[8-11]。其中，ABS規(guī)范2008版的規(guī)定未將金屬和非金屬的舵承間隙區(qū)別對(duì)待，但2014年版已經(jīng)修訂為分開(kāi)規(guī)定了。

CB*3146—83和CB*790—87標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的配合特性和極限偏差，其對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1800.2-2009，該標(biāo)準(zhǔn)等效采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的標(biāo)準(zhǔn)ISO 286-2:1988 《ISO system of limits and fits. Part 2: Tables of standard tolerance grades and limit deviations for holes and shafts》。

綜上所述，即使拋開(kāi)“最小1.5 mm”的要求是否應(yīng)針對(duì)于金屬材料舵承，僅各國(guó)船級(jí)社對(duì)金屬材料舵承間隙的規(guī)定與國(guó)際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的差異這一共同現(xiàn)象，要最終解決這一問(wèn)題就不是一件簡(jiǎn)單的事情。然而，該類(lèi)船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基于機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)，作為下舵承所處的較一般機(jī)械裝置更為惡劣的工作環(huán)境，且承擔(dān)著船舶操縱及水密安全性這一重任，規(guī)范關(guān)于間隙規(guī)定的適應(yīng)性，特別是對(duì)于小尺度船舶裝配小直徑舵承的適應(yīng)性，應(yīng)進(jìn)一步細(xì)化相應(yīng)規(guī)范條款。

2 下舵承結(jié)構(gòu)分析

在進(jìn)行海船設(shè)計(jì)時(shí)，一般都選用《滑動(dòng)水密下舵承》(CB*790—87)標(biāo)準(zhǔn)型產(chǎn)品，而不能選用《內(nèi)河船下舵承》(CB*3146—83)標(biāo)準(zhǔn)型產(chǎn)品。在設(shè)計(jì)時(shí)和安裝、焊接施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)， CB*790—87標(biāo)準(zhǔn)型下舵承有兩個(gè)缺點(diǎn)：①舵承本體高度偏小；②舵承襯套、膠質(zhì)密封環(huán)、分油圈及壓蓋由上方拆裝。

下舵承的舵承本體除與船底板焊接外，還應(yīng)與結(jié)構(gòu)或肘板焊接，以加強(qiáng)和提高穩(wěn)定性。表3為CB*790—87標(biāo)準(zhǔn)A型水密下舵承表1部分?jǐn)?shù)據(jù)。

表3 CB*790—87標(biāo)準(zhǔn)A型水密下舵承表1局部

其中，尤其以小直徑應(yīng)用場(chǎng)合更為困難，如直徑260 mm的下舵承，其總高僅448 mm，除了上下壓蓋、船殼板厚度以及伸出船殼板下的焊接部分外，余下的高度不到400 mm。而一般該區(qū)域的結(jié)構(gòu)都比較強(qiáng)，縱橫結(jié)構(gòu)或肘板的高度都遠(yuǎn)大于該部分舵承本體的高度。為了保證襯套等從上方拆裝方便，必須將結(jié)構(gòu)削斜過(guò)渡，影響了結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度和剛度。而要保證結(jié)構(gòu)的高度，襯套等從上方拆裝就難以實(shí)現(xiàn)，兩者兼顧，則該區(qū)域結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，裝配、焊接及后期除銹、油漆等施工困難，質(zhì)量難以保證。一般在船舶設(shè)計(jì)、選型和審圖時(shí)往往忽略了該工藝性問(wèn)題，導(dǎo)致船舶建造和檢驗(yàn)時(shí)面臨困難。

為了解決該問(wèn)題，一般情況下，公司均與船東協(xié)商采用參照CB*3146—83標(biāo)準(zhǔn)改型的下舵承，即將標(biāo)準(zhǔn)定義為“內(nèi)河船”用的產(chǎn)品用在了海船上。因?yàn)镃B*3146—83標(biāo)準(zhǔn)型下舵承的襯套、密封元件和壓蓋等是從船殼板外由下向上安裝，則下舵承本體與結(jié)構(gòu)的裝配與焊接均不影響下舵承元件的拆裝。

改型CB*3146—83型下舵承，各部件采用與CB*790—87標(biāo)準(zhǔn)相同的材料，其結(jié)構(gòu)形式可以參照CB*3146—83標(biāo)準(zhǔn)B型下舵承，但本體高度按照該區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求確定，也可以參照CB*3146—83標(biāo)準(zhǔn)A型非水密下舵承結(jié)構(gòu)形式，在水密的或非水密的下舵承本體與上舵承安裝平臺(tái)之間焊接一段無(wú)縫鋼管，或稱(chēng)舵套筒，外部采用肘板與縱橫結(jié)構(gòu)連接。這兩種結(jié)構(gòu)形式強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、各工種施工均很方便。圖3為某海船采用參照CB*3146—83改型的下舵承應(yīng)用實(shí)例，其采用了混合CB*790—87標(biāo)準(zhǔn)A和B兩種形式的設(shè)計(jì)。

圖3 參照CB*3146—83標(biāo)準(zhǔn)改型的海船下舵承示意

這種參照CB*3146—83標(biāo)準(zhǔn)改型的海船用下舵承，由于其材料要求與CB*790—87標(biāo)準(zhǔn)相同，則與前述的改型產(chǎn)品不同，不能簡(jiǎn)單地在標(biāo)準(zhǔn)型產(chǎn)品的基礎(chǔ)上采用增加簡(jiǎn)單元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，無(wú)法在標(biāo)準(zhǔn)件廠家直接采購(gòu)，而是必須單獨(dú)設(shè)計(jì)，并提交該裝置和相應(yīng)部件圖紙到船級(jí)社審圖部門(mén)審批，然后由船廠自制或向?qū)I(yè)廠家訂制。除本公司自行設(shè)計(jì)的船舶以外，公司承建的由其它設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)的船舶，也基本采取類(lèi)似的處理方案。

3 結(jié)論

規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)的依據(jù)，在行業(yè)中具有權(quán)威性。同時(shí)，隨著行業(yè)的發(fā)展，規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)也在不斷地完善和更新。鑒于船舶下舵承所承擔(dān)的關(guān)鍵性作用，本文針對(duì)相應(yīng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定在實(shí)際使用中所出現(xiàn)的問(wèn)題提出解決方案，實(shí)踐證明該方案可行，希望為規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展提供新的案例，并在規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)更新時(shí)能夠予以考慮。

[1] 全國(guó)船舶標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).CB*3146—83內(nèi)河船下舵承[S].1983.

[2] 全國(guó)船舶標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).CB*790—87滑動(dòng)水密下舵承[S].1987.

[3] 趙立震，張 慶，黃亞明.某型散貨船下舵承漏水原因及優(yōu)化改進(jìn)措施[J].中國(guó)修船,2012.6:12-14.

[4] 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2012.

[5] 中國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T1800.2—2009產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)極限與配合第2部分:標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)和孔、軸極限偏差表[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[6] 德國(guó)勞氏船級(jí)社GL.Rules for Classification and Construction[S].2012.

[7] 美國(guó)船級(jí)社ABS.Rules for Building and Classing Steel Vessels[S].2008.

[8] 挪威船級(jí)社DNV.Rules for Classification of Ship[S].2014.

[9] 美國(guó)船級(jí)社ABS.Rules for Building and Classing Steel Vessels[S].2014.

[10] 英國(guó)勞氏船級(jí)社LR.Rules and Regulations for the Classification of Ships[S].2011.

[11] 法國(guó)船級(jí)社BV.Rules for the Classification of Steel Ships[S].2011.