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

結合船舶建造過程中發現的涉及軸舵系安裝的各類典型缺陷，詳細描述軸舵系在安裝時存在的布置缺陷和缺少相關圖紙、計算書等事實，明確規范的有關要求，分析缺陷可能導致的后果，通過統計分析表明這一系列缺陷已長久、普遍存在。結合船舶具體情況，與各方充分溝通后解決問題，并基于此，對軸舵系規范和安裝提出建議，對軸舵系無鍵連接有關規范不合理之處提出觀點。

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，驗船師在船舶軸舵系安裝檢驗過程中發現該輪舵桿、舵銷、尾軸與配合工件之間均采用無鍵連接，相關安裝依據、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，且批準圖紙無安裝推入力和推入量。那么，舵銷與舵葉安裝時，僅按照船廠所述，將舵銷套入以后用鎖緊螺母鎖住即可？還是根據常理，無鍵采用過盈配合？如果采用過盈配合，應采用多大推入壓力？推入量應為多少？船廠不能明確答復。于是核查批準的《舵系布置圖》（見圖1、表1），結果顯示現場使用的螺母與批準圖紙一致，是普通鎖緊螺母，但卻沒有批準的無鍵連接計算書。

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。實船布置與批準的《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可循。對此，船廠表示擬采用液壓螺母說明書中的推薦值進行安裝。經核實無批準的無鍵連接計算書。

3.尾軸與螺旋槳的連接

進一步核查，尾軸與螺旋槳也采用無鍵連接，但造船廠只準備了普通鎖緊螺母。經核實具有批準的螺旋槳油壓無鍵連接計算書，且批準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如何實現推入量？具有無鍵連接計算書，但沒采用液壓螺母嗎？對此，船廠不能明確答復。此外，經核實船廠并沒有制作液壓螺母。

4.尾軸與聯軸器的連接

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

二、規范的相關規定

《鋼質海船入級規范》（2015）（以下簡稱“2015規范”）2016修改通報（以下簡稱“2016規范”）第2篇第3章對舵柄、舵桿、舵銷、舵葉及他們之間的各種連接形式涉及的相關技術指標有明確的規定，第3篇第11章對尾軸與螺旋槳、聯軸器之間的連接形式及相關技術指標有明確的規定：

1.舵桿與舵葉的無鍵連接技術標準[1]

舵桿直徑如超過200 mm，建議通過液壓連接進行推入配合。在此情況下，錐部應更細長，錐度C應在1：12至1：20之間。如用液壓方式連接，螺母應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力矩，推入壓力和推入長度應由（1）和（2）確定。

（1）推入壓力應不小于以下兩式計算所得之值的大者：

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

應證明推入壓力不超過錐體的許用表面。[1]

（2）推入長度△l應滿足下式：

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可按下式計算：

其中：數值0.02是采用油壓摩擦系數的基準。該值是變量，視機加工和粗糙度的具體細節而定。如在裝配過程中，產生了因舵的重量引起的部分推入效應，可在確定所需的推入長度時予以考慮，并應經CCS批準。

2.舵銷與舵葉的無鍵連接技術標準

“對于以油壓和液壓螺母裝配舵銷，舵銷錐度應為1：12至1：20。推入長度應按舵桿液壓螺母計算公式的類似方法計算。”[1]

但2016規范在此章節規定了舵銷軸承的推入壓力，對于舵銷與舵體的推入壓力未提及。相比之下，2015規范中的規定清晰具體，但標題船需滿足2016規范，其對舵系連接相關內容已進行了徹底修改。

3.尾軸與螺旋槳的無鍵連接技術標準

用油壓無鍵安裝螺旋槳時，螺旋槳套合到軸上的軸向推入量應滿足2015規范（同2016規范）要求。規范分35 ℃、 0 ℃、小于35 ℃三種情況對推入量、推入負荷和表面壓力進行了詳細規定。而且，對于0 ℃以下用油壓無鍵安裝時，規范對螺旋槳套合到軸上的安裝環境溫度有明確的最低要求計算公式。

此外，規范明確在套合之前應使螺旋槳與軸的溫度相等，配合表面應清潔、無油脂。對無鍵連接之前軸、槳轂與軸錐部的實際接觸面積應不小于理論接觸面積的70%，一般可著色進行檢查；不接觸帶不應環繞整個槳轂或延伸到整個槳轂全長。在最后拉入后，應用螺母把螺旋槳固定在軸上。同時應備有必要的拆裝專用工具。

4.尾軸與聯軸器的無鍵連接技術標準

液壓聯軸器包括套筒式聯軸器和一般液壓套合式聯軸器，標題船采用后者。對此，2015規范（同2016規范）第三篇11.3.2.3就其實際選用的軸向推入量S或過盈量δ有明確的計算公式。

三、造成的缺陷及其后果

上述各種缺陷的存在，將導致船廠在軸舵系安裝時僅根據經驗或者采用液壓螺母廠家的推薦值，不能根據規范安裝合適的螺母等部件。這些將給船舶的后期營運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，且沒有無鍵連接計算書，違反2016規范規定。舵銷僅采用普通螺母鎖緊，未使用預定的力推入一定深度，會導致舵銷無法有效地將舵葉的重力傳遞到掛舵臂上，進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雜外力傳遞到掛舵臂上，即掛舵臂不能有效分擔舵葉受到的外力。此外，受力分析表明，在螺旋槳推力產生的波浪等作用下，此類舵銷還承受著巨大的彎曲應力。上述兩種情況導致上舵承和舵承座極易變形、損壞，舵機基座及其船體結構產生下陷等變形，舵銷與舵銷座之間還會產生滑動，據調研，這樣的滑動會導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，但沒有批準的無鍵連接計算書，僅根據經驗壓裝舵葉，違反2016規范規定，導致舵葉未能合理、有效地壓裝到舵桿上。

舵桿不僅承擔著將舵葉巨大的重力傳遞到船體構件上和將舵機巨大的扭矩傳遞到舵葉上的任務，還承擔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范規定的壓力和推入長度安裝，舵極有可能在船舶運行過程中失靈，后果不堪設想。

3.尾軸后端

如標題船方案，尾軸與螺旋槳采用無鍵連接，持有無鍵連接計算書，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，此安裝極易導致軸與槳發生相對滑移。

4.尾軸前端

標題輪尾軸與聯軸節也采用油壓無鍵連接，但是沒有批準的無鍵連接計算書，安裝推入量和過盈量無法準確控制，違反2015規范規定。同時，一旦其沒有合理連接，將會導致超大扭矩在軸系惡劣情況下工作時，尾軸與聯軸節可能產生相對滑移，影響船舶航行，并導致尾軸表面磨損。

四、進一步調查統計

鑒于上述情況，對轄區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行統計（見表2）：

根據各自對應規范，逐一核查上述船舶的圖紙、計算書及其準確性，發現只有6 600 DWT瀝青船、 4 900 DWT化學品船和2 550 DWT化學品/油船滿足規范。

五、技術分析

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，有過載保護作用。一般情況下，無鍵連接液壓聯軸器是鍵連接聯軸器價格的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。其優點在于：結構簡單，定心性好，承載能力高，能承受沖擊載荷，對軸的強度削弱小；可以降低制造強度；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動時不致發生損壞，而且連接可使用多次。缺點是疲勞強度比鍵連接要大1.5倍，對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，螺旋槳碰撞到了河床暗礁上，導致軸系瞬時受到巨大的反作用力，進而通過聯軸器鍵作用到尾軸鍵槽上，鍵硬度和強度大于尾軸鍵槽，進一步導致鍵槽損壞，最終導致整根尾軸報廢。如果采用無鍵連接，則不會造成如此大的損失。

軸舵系的有效連接在船舶推進、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，是實現將主機巨大的扭力和扭矩傳遞到螺旋槳上的重要保障，同時承受著螺旋槳巨大的反作用力，因此尾軸與螺旋槳之間應采用鍵連接或者過盈配合連接。很顯然，如上標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現主機巨大扭矩的傳遞功能。經廣泛調研得知，確實存在不少船舶制造廠和設計院考慮到將軍帽內部空間狹小（迫于實際情況無法再改大）和尺寸有限、舵葉寬度較小，因此在安裝時，首先制作一個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，以便船舶修理時拆開液壓螺母，并按照計算書再實現推入量。

2016規范第二篇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）：作出與溫度有關的安裝曲線及相應的負荷資料，應保留在船上。同時應備有必要的拆裝專用工具。

六、解決方案及結論

鑒于上述在建船舶的缺陷情況，驗船師積極與設計院、審圖中心、船廠進行了深入友好的溝通。針對每一艘船的軸系和舵系圖紙、現場裝配情況及規范存在的差異（不同時期的船舶適用的規范不同），分別與船體工程師、輪機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，按照規范修改為液壓螺母，補充批準了無鍵連接計算書；船廠根據新的圖紙配置、安裝。

（2）舵桿。補充批準了無鍵連接計算書，船廠根據新的圖紙安裝。

（3）尾軸后端。補充批準了無鍵連接計算書，鑒于螺旋槳將軍帽內部尺寸較小的實際情況，各方充分溝通設計了一個液壓螺母作為工具，用其將螺旋槳按照計算書推入并待穩定后，改用普通螺母將螺旋槳鎖緊。液壓螺母作為工具留在船上，以便軸系拆裝時使用，并將手動液壓泵等拆裝專用工具留在船上。

（4）尾軸前端。補充了無鍵連接計算書，現場按照圖紙施工。

七、結束語及建議

（1）規范不明確的內容。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，實際采用普通螺母的現象。是否可以這么操作，從工程實踐的角度而言，筆者認為是完全可行的；但規范不夠明確，建議明確。

（2）軸舵系連接的一個重要前提是連接處的錐度控制，規范對無鍵連接件的錐度要求更高。但不少中小型企業制造的船舶在設計或鑄件鏜孔時，錐度控制很隨意，應引起各方重視。

（3）2016規范存在錯誤。如前所述，修改通報第二篇3.1.7.2在描述舵銷與銷座的連接時突然明確了“舵銷軸承”的推入壓力公式，而后又回到標題內容——規定了舵銷推入長度所采用的公式。然而通篇梳理，關于舵系軸承的所有內容均在3.1.8節，第3.1.6和3.1.7描述的是舵銷的連接，與舵承無關。通過公式推算，筆者認為3.1.7 “舵銷軸承”用詞錯誤，應該是“舵銷”。而且，本節結構雜糅，應明確舵銷推入壓力和推入量的計算公式是針對無鍵連接的，對于有鍵連接不應有推入量和推入壓力等的規定。就此與審圖驗船師反復溝通并與規范所聯系，最終得以印證，于是按程序提交了規范反饋。

[1]中國船級社.鋼質海船入級規范2015[M].北京:人民交通出版社,2015.

[2]王守城.基于PLC的油水分離器遠程控制系統的設計[J].制造業自動化,2016(1):124-127.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.12.008

賈建雄（1986—），男，中國船級社浙江分社，國家A類注冊驗船師，碩士。

王寧（1984—），男，中交上航局航道建設有限公司，工程師，項目主管。