冰區加強船舶推進齒輪箱設計

邱迎賓

摘要：總結了當前各主要船級社對冰區航行船舶的冰級規定，對冰區加強船舶主推進系統中齒輪箱的冰載扭矩和加強系數進行了分析對比，為冰區航行船舶主推進齒輪箱的設計提供了參考。

關鍵詞：船用齒輪箱;冰區加強;冰級

引言

隨著全球氣候持續變暖、極地海冰不斷融化，高寒地區油氣資源的開發以及俄羅斯等國市場的逐漸開放，在冰區航行的船舶數量越來越多，新造船要求冰區加強的也越來越多，冰區船舶即將迎來大的發展。對于在冰區航行的船舶，其推進系統除了要傳遞額定的扭矩和推力之外，還要承受頻繁的冰塊撞擊，這對推進系統中各傳動部件的強度和疲勞強度提出了很高的要求，其設計要求與傳統的推進系統有著很大的區別。為了保障冰區加強船舶的航行安全，世界主要船級社對冰區船舶推進系統均有各自的附加要求。

1 冰級規定

經過多年的研究和努力，目前各主要船級社和相關國際組織對冰區航行船舶的加強規范已經比較完善和統一。按照航行區域內冰況的嚴重程度，可以將冰區劃分為當年冰冰區、多年冰冰區、破冰船冰區3大類，針對不同的冰區，加強程度各有不同。

1.1當年冰冰區

當年冰冰區以芬蘭-瑞典冰級規范（FSICR）為典范，適用于當年冰況、冬季航行于波羅的海的船舶。FSICR 2010版吸收了最新的研究成果，相較于2002版修改頗多，目前已被各大船級社采納和參考。個別船級社的冰級符號有所不同，但與FSICR冰級之間也有著一一對應的關系;有的船級社對當年漂流浮冰等輕微冰況也做了定義，如CCS的ICE-B等，但這些冰級只要求對船體局部進行加強，不要求對輪機進行加強。

1.2多年冰冰區

多年冰冰區主要是極地冰區，國際船級社聯合會極地冰區（IACS PC2007）規定了PC1～PC7共7個冰區等級，規范已于2008年3月開始執行。該規范中的薄冰冰級如PC6、PC7，分別與FSICR中的IA Spuer、IA近似。ABS、BV、DNV/GL、RMRS均采納了IACS極地冰區的規定。RINA、CCS未對此做出規定。

1.3破冰船

除了與FSICR2010和IACS PC2007相當的冰區等級之外，部分船級社如ABS、BV、DNV/GL、RMRS等，還對更強的冰區等級做了規定，主要是各類破冰船。破冰船的加強規范目前尚未統一。

2推進齒輪箱加強

作為傳動系統的一個部件，冰區加強齒輪箱在設計時受到螺旋槳、主機等其它部件參數的影響很大。在不同的設計階段，根據獲得的數據的詳細程度，存在著不同的設計、校核計算方法。

2.1疲勞強度校核

FSICR 2010規定傳動系統的強度設計應考慮到冰塊與槳葉撞擊產生的冰致載荷，安全系數不低于1.3;規定傳動系統設計采用金字塔原則，即各部件的強度不低于螺旋槳槳葉的強度。規范給出了冰塊作用到螺旋槳上的扭矩、彎矩和推力的計算公式，通過載荷譜可以計算疲勞安全系數。IACS PC2007也給出了冰塊作用到螺旋槳上的扭矩、彎矩和推力的計算公式，但與FSICR 2010的公式不盡相同。

這一方法的優點是計算結果比較準確，但需要用到的參數和數據較多（槳轂直徑、槳葉直徑、螺距、葉厚、轉速、整個系統各部件的轉動慣量等），在螺旋槳和系統設計結束之前，無法進行有效的設計計算，更適合于設計完成后的校核計算。

2.2強度校核

FSICR 2002版曾給出了不同冰級的冰區扭矩估算公式：

其中M是冰塊撞擊螺旋槳產生的傳動系統附加扭矩;

D——螺旋槳直徑。

這樣通過冰區等級和螺旋槳直徑即可獲得冰區扭矩的估值，然后計算冰區系數：

——冰區放大系數

Tn——額定傳遞扭矩

Jm——折算到螺旋槳軸的主機轉動慣量

Jp——螺旋槳及軸系的轉動慣量，含附連水

齒輪箱的功率在常規設計的基礎上，在放大倍即可。

這一方法不需要螺旋槳的詳細設計參數，簡化了計算，但仍然需要主機和螺旋槳的轉動慣量。

2.3簡單估算

在系統設計的早期階段，螺旋槳及軸系的轉動慣量有可能也無法得到。作為初步選型的參考，德國船級社GL2002版曾給出過一個簡化公式：

——系數，柴油機驅動取17.5，渦輪機驅動取30

——冰區加強系數，取代

——冰區級系數

——主機功率

——螺旋槳轉速

這樣可以通過功率和轉速獲得簡單粗估的冰區加強系數。

2.4放大系數法

俄羅斯船級社RMRS2018直接給出了不同冰區等級的扭矩放大系數KA：

3結語

本文對當前主要船級社的冰區加強規范做了統計對比，對冰區加強船舶推進齒輪箱的計算方法進行了歸納梳理，對各種方法的特點和適用的條件進行了比較分析，為冰區船舶推進齒輪箱的設計選型提供參考。

通過實例計算驗證，可以發現GL2002提供的簡單估算方法是偏保守的，按此方法選型的齒輪箱安全裕度過大，作為初步選型時可考慮適當減小該放大系數。

參考文獻

[1]Finnish-Swedish Ice Class Rules[S]. Finnish & Swedish Maritime Administration，2010

[2]IACS UR I Requirements concerning Polar Class[S]. IACS，2006

（作者單位：南京高精船用設備有限公司）