關(guān)于操舵試驗(yàn)推算方法的思考

金林武

（南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司 南通226005）

引 言

船舶舵機(jī)性能優(yōu)良、操作穩(wěn)定是決定船舶操縱安全的主要原因之一。 《國(guó)際海上人命安全公約》（SOLAS）對(duì)于船舶操舵裝置提出了最大航海吃水下的性能指標(biāo)，并要求通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證［1］。在船舶交付前往往不具備滿載試航條件，許多船型在試航時(shí)處于部分舵葉浸沒狀態(tài)，無法直接驗(yàn)證，需要進(jìn)行替代試驗(yàn)間接評(píng)估其操舵性能。為此國(guó)際海事組織（IMO）以MSC.365（93）決議形式通過SOLAS修正案，給出了證實(shí)操舵裝置性能符合的變通辦法。隨后國(guó)際船級(jí)社聯(lián)合會(huì)（IACS）也出臺(tái)UI SC 246，就操舵試驗(yàn)的替代方案做出統(tǒng)一解釋。

目前替代方案相關(guān)的應(yīng)用研究較少，案例孤立，本文擬通過型船具體參數(shù)對(duì)船舶主操舵裝置進(jìn)行評(píng)估驗(yàn)證。如何在交船前通過試驗(yàn)將船舶推算到最深航海吃水條件下、同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范要求是本文研究重點(diǎn)。

1 SOLAS操舵試驗(yàn)要求

SOLAS在其第二章“構(gòu)造—結(jié)構(gòu)、分艙與穩(wěn)性、機(jī)電設(shè)備”和第五章“航行安全”中都對(duì)操舵裝置提出了要求［1］，具體內(nèi)容為：

主操舵裝置和舵桿應(yīng)具有足夠強(qiáng)度，并能在經(jīng)過試驗(yàn)證明的最大營(yíng)運(yùn)前進(jìn)航速下操縱船舶；能在船舶最深航海吃水和以最大營(yíng)運(yùn)前進(jìn)航速前進(jìn)時(shí)將舵自一舷35°轉(zhuǎn)至另一舷35°，以及于相同條件下在不超過28 s內(nèi)將舵自一舷35°轉(zhuǎn)至另一舷30°。

2014年5月22日，IMO對(duì)其中第II-1/29條進(jìn)行了修訂：

如船舶在試航中無法處于最深航海吃水條件，可通過下列方法之一證明其符合性。

（1）試航船舶處于平浮且舵完全浸沒，同時(shí)以與主機(jī)最大連續(xù)轉(zhuǎn)速和最大設(shè)計(jì)螺距相應(yīng)的速度前進(jìn)。

（2）如試航中不能實(shí)現(xiàn)舵完全浸沒，應(yīng)使用建議的試航裝載工況下浸沒的舵葉面積計(jì)算合適的前進(jìn)速度。計(jì)算出的前進(jìn)速度應(yīng)使主操舵裝置上的受力和扭矩至少與船舶處于最深航海吃水并以與主機(jī)最大連續(xù)轉(zhuǎn)速和最大設(shè)計(jì)螺距相應(yīng)的速度前進(jìn)時(shí)所測(cè)得的值同等大小。

（3） 試航裝載工況下的舵力和扭矩已經(jīng)可靠預(yù)測(cè)并推斷至滿載工況。船速應(yīng)與主機(jī)最大連續(xù)轉(zhuǎn)速和螺旋槳最大設(shè)計(jì)螺距相對(duì)應(yīng)。

上述修正案從2016年1月1日開始生效實(shí)施。對(duì)于液貨船，諸如VLCC、化學(xué)品船等可以通過壓載使船舶在海試時(shí)舵完全浸沒，滿足上述（1）要求；對(duì)于某些干貨船，舵不能實(shí)現(xiàn)完全浸沒，只能通過上述（2）（3）方法進(jìn)行驗(yàn)證。

2 IACS有關(guān)操舵試驗(yàn)方法統(tǒng)一解釋的介紹

對(duì)于操舵試驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)際過程中一般由船級(jí)社代表船旗國(guó)進(jìn)行把控。為落實(shí)SOLAS要求，并且更便于應(yīng)用在試航檢驗(yàn)上， IACS早在2011年6月便提出了第一版UI SC246，其中關(guān)于舵不能完全浸沒情況，明確了可通過可靠的預(yù)知和推算來保證舵機(jī)的載荷和扭矩能力，但沒有詳細(xì)的方法。通過2011～2015年這段時(shí)間的研究實(shí)踐，終于在2015年 9月發(fā)布 UI SC246（ REV.1）［2］：

（1） 舵全浸沒（位于零航速水線）且船舶處于可接受的縱傾狀態(tài)。

（2）試航裝載工況下的舵桿扭矩已經(jīng)可靠地預(yù)測(cè)（基于系統(tǒng)壓力測(cè)量）并外推至最深航海吃水狀態(tài)，即采用以下的方法來預(yù)測(cè)最深航海吃水的等效力矩和舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓力：

式中：α為推算因子；QF為最深航行吃水和最大營(yíng)運(yùn)航速狀態(tài)下的舵桿彎矩，t·m；QT為試航狀態(tài)下的舵桿彎矩，t·m；AF為舵葉轉(zhuǎn)動(dòng)部分在最深航行狀態(tài)下浸沒部分的投影面積，m2；AT為舵葉轉(zhuǎn)動(dòng)部分在試航狀態(tài)下浸沒部分的投影面積，m2；VF為合同中規(guī)定的船舶設(shè)計(jì)航速，kn，相應(yīng)于最深航海吃水下的主機(jī)最大連續(xù)轉(zhuǎn)速；VT為試航狀態(tài)下的船舶實(shí)測(cè)航速（考慮水流），kn。

其中舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力與舵桿扭矩之間存在線性關(guān)系，上式可以寫為：

式中： PF為估算的最深航海吃水狀態(tài)下操舵機(jī)構(gòu)壓力，MPa；PT為實(shí)測(cè)的試航狀態(tài)下操舵機(jī)構(gòu)壓力，MPa。

當(dāng)采用了恒容定量泵，如果估算的最深航海吃水的執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓力小于舵機(jī)的額定最大工作壓力，則認(rèn)為滿足規(guī)范要求。當(dāng)采用了變流量泵，則應(yīng)提供泵的數(shù)據(jù)和說明，預(yù)估最深航海吃水下的供給流速以便估算操舵時(shí)間，并與要求的時(shí)間相比較。

當(dāng)舵葉浸沒部分AT大于0.95AF時(shí)，則不需要進(jìn)行額外推算。

（3）另外，作為替代，設(shè)計(jì)方或建造方可以采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）或者試驗(yàn)研究來預(yù)測(cè)滿足深航海吃水和服務(wù)航速狀態(tài)下的舵桿彎矩。這些計(jì)算或試驗(yàn)研究應(yīng)滿足船級(jí)社要求。

3 操舵試驗(yàn)實(shí)船應(yīng)用方法分析

基于上述規(guī)范內(nèi)容，我們分別對(duì)SOLAS更改內(nèi)容和IACS統(tǒng)一解釋進(jìn)行分析，具體如下。

3.1 SOLAS更改內(nèi)容分析

（1）對(duì)于第一種替代驗(yàn)證方法，如果能滿足舵全浸沒，則可以通過船舶試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)船驗(yàn)證，而船東、船廠、船級(jí)社也因此有了依據(jù)且更容易實(shí)現(xiàn)。

（2）對(duì)于第二種替代驗(yàn)證方法，如果舵不能完全浸沒，利用IACS推薦的推算因子，即公式（2），同時(shí)假定試驗(yàn)時(shí)，主操舵裝置上的受力和扭矩與船舶處于最深航海吃水并以與主機(jī)最大連續(xù)轉(zhuǎn)速和最大設(shè)計(jì)螺距相應(yīng)的速度前進(jìn)時(shí)所測(cè)得的值相同（α=1），即可推算得到式（4）：

以61KBC船舵浸沒面積僅為舵全部面積的0.71倍為例（即AT/ AF= 0.71），可推算出試航速度VT應(yīng)為VF的1.33倍。不過，顯然，這種驗(yàn)證方法在實(shí)際操作中對(duì)于一般商船是無法實(shí)現(xiàn)的［3］。

（3）對(duì)于第三種替代驗(yàn)證方法，方案強(qiáng)調(diào)“試航工況下舵的力和扭矩已經(jīng)可靠預(yù)測(cè)并推斷至滿載工況”。根據(jù)舵機(jī)工作原理，其液壓系統(tǒng)的壓力由轉(zhuǎn)舵所需扭矩決定，轉(zhuǎn)舵速度由液壓系統(tǒng)流量決定。因此推薦用舵機(jī)液壓系統(tǒng)的壓力進(jìn)行推算。

3.2 IACS統(tǒng)一解釋分析

（1）SOLAS第一種替代驗(yàn)證方法，對(duì)于舵全浸沒，IACS在該解釋中進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)為零速水線。

（2）可能意識(shí)到SOLAS第二種替代驗(yàn)證方法幾乎無法展開的現(xiàn)實(shí)，在該解釋中IACS沒有提及，而是提出了另一種方法，本節(jié)第（4）點(diǎn)將作詳細(xì)解釋。

（3）對(duì)于SOLAS第三種替代驗(yàn)證方法，IACS首先明確給出了推算因子值即公式（2），并基于實(shí)際，對(duì)照推算方法劃分了兩類情況：

① 對(duì)采用恒容量泵的舵機(jī)，結(jié)合公式（2）和（3），可得到：

直接用推算所得最深航海吃水時(shí)的舵機(jī)系統(tǒng)壓力PF與舵機(jī)系統(tǒng)最大工作壓力比較就可以判定操舵試驗(yàn)結(jié)果，這種方法簡(jiǎn)單明了、易于操作。

② 對(duì)采用變?nèi)萘勘玫亩鏅C(jī)，IACS推薦利用泵的參數(shù)，推算舵機(jī)供油流量，進(jìn)而推算操舵時(shí)間。

用推算時(shí)間和規(guī)范要求時(shí)間28 s進(jìn)行比較，也方便直接判定操舵試驗(yàn)結(jié)果。

另外，IACS同時(shí)還弱化了舵葉浸沒要求，即滿足95%的舵葉浸沒條件就無需再進(jìn)行額外推算。

（4）除SOLAS解釋外，IACS追加提出了一種操舵試驗(yàn)替代驗(yàn)證方式，即船廠可以采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）或者試驗(yàn)研究來進(jìn)行判定，這些計(jì)算或試驗(yàn)研究方法要得到船級(jí)社的認(rèn)可，實(shí)際上是鼓勵(lì)船廠或研究機(jī)構(gòu)完善舵的扭矩預(yù)估方法。目前已知且廣泛應(yīng)用的舵扭矩評(píng)估方法有赤崎法和BJ法等，各船廠和研究機(jī)構(gòu)在新船設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)基于母型船和系列船實(shí)船數(shù)據(jù)進(jìn)行推演。這種方法各方都保密且偏于保守，能保證舵機(jī)的選型勝任實(shí)船操舵需求和規(guī)范要求。該方法屬于基本設(shè)計(jì)階段的研究范疇，一般情況下不會(huì)送船級(jí)社認(rèn)可。

4 應(yīng)用IACS外推因子驗(yàn)證操舵試驗(yàn)實(shí)船結(jié)果

基于IACS推算方法，我們選取61KBC和209KBC散貨輪操舵試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用上述公式（5）， 得到結(jié)果如下頁表1所示。

上述表格對(duì)船舶實(shí)際航速作了簡(jiǎn)化處理，推算出的最深航海吃水最大營(yíng)運(yùn)航速下的舵機(jī)推斷壓力PF低于舵機(jī)工作壓力，由此判定舵機(jī)扭矩滿足規(guī)范要求。試驗(yàn)中主操舵試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為M.C.O.時(shí)主機(jī)轉(zhuǎn)速，航速為相應(yīng)的記錄儀讀表值。如果舵機(jī)試驗(yàn)在測(cè)速前實(shí)施，主操舵試驗(yàn)轉(zhuǎn)速和航速值可以在主機(jī)磨合時(shí)獲得；如果舵機(jī)試驗(yàn)在測(cè)速后實(shí)施，便可直接利用測(cè)速結(jié)果。

上述試驗(yàn)也證明，對(duì)于特定船舶，IACS的推斷因子法簡(jiǎn)單有效。通過數(shù)據(jù)分析，雖然上述兩型船試驗(yàn)結(jié)果得到了驗(yàn)證，但仍然存在不滿足規(guī)范要求的風(fēng)險(xiǎn)，如209KBC船號(hào)B舵機(jī)推斷工作壓力23.3 MPa，僅比舵機(jī)最大工作壓力低0.2 MPa。

推薦改善方法是：提高舵葉浸沒率（AT/AF），盡可能創(chuàng)造條件在試驗(yàn)前多壓載［4］；盡量避免在大風(fēng)浪天氣下實(shí)施操舵試驗(yàn)，這樣可以減少水流對(duì)舵速的影響，降低舵機(jī)試驗(yàn)壓力，從而避免結(jié)果失真。

表1 61KBC和209KBC散貨輪操舵試驗(yàn)結(jié)果

5 其他操舵試驗(yàn)推算方法介紹

由于SOLAS關(guān)于操舵試驗(yàn)的修訂發(fā)生在2014年5月，IACS關(guān)于操舵試驗(yàn)的解釋以及詳細(xì)推算因子發(fā)布節(jié)點(diǎn)在2015年9月。在實(shí)踐過程中（2011年6月～2015年9月），各船廠及相關(guān)單位一直在摸索適合實(shí)船試驗(yàn)的推算方法。

IACS統(tǒng)一解釋UI246 REV.1的實(shí)施對(duì)象為2017年1月1日或以后簽訂建造合同的船舶，對(duì)于推算因子法的正式實(shí)施，還有一段時(shí)間。在目前過渡期內(nèi)，我們簡(jiǎn)單介紹幾種得到船級(jí)社認(rèn)可的推算方法供參考。

5.1 理論扭矩推算方法（以61KBC為例）

理論扭矩推算方法，故名思義，利用設(shè)備扭矩與規(guī)范要求扭矩比較，得出結(jié)果：

（1）舵機(jī)能力，廠家給出的設(shè)備參數(shù)

QS.G.= 844 kN·m（即86 t·m，1 t·m = 9.8 kN·m）

（2）最大吃水和最大航速時(shí)所需要的舵桿扭矩以及海試吃水最大航速時(shí)所需舵桿扭矩

式中：舵力 ；

轉(zhuǎn)臂（A1×c1+ A2×c2）/10A。

某型61KBC舵參數(shù)見表2。

表2 某型61KBC舵參數(shù)

根據(jù)上述公式（6）和表2數(shù)據(jù)，得到：

（3）結(jié)論

通過上述理論計(jì)算，我們可以得出：QS.G.＞QSOLAS＞QTRIAL，即舵機(jī)提供的扭矩能力（QS.G）遠(yuǎn)大于最大吃水/海試吃水條件下所需要的轉(zhuǎn)舵扭矩（QSOLAS），能滿足SOLAS對(duì)于舵機(jī)轉(zhuǎn)舵能力的要求。

QS.G.約為QSOLAS的1.49倍，即舵機(jī)選型時(shí)考慮了各舵承處摩擦力矩［5］及型船數(shù)據(jù)，舵機(jī)能力有49%余量。而QSOLAS約為QTRIAL的1.23倍，基本與IACS的1.25系數(shù)要求接近。

5.2 實(shí)際扭矩推算方法（以209KBC為例）

某209KBC海試時(shí)，船級(jí)社要求船廠協(xié)助向船旗國(guó)提供舵機(jī)能力相關(guān)計(jì)算并進(jìn)行解釋，船廠按照上頁5.1節(jié)方法進(jìn)行推算。船級(jí)社認(rèn)為海試已經(jīng)結(jié)束，應(yīng)推算舵機(jī)試驗(yàn)時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)舵扭矩是否達(dá)到SOLAS要求的轉(zhuǎn)舵能力。具體推算過程如下：

（1）舵機(jī)最大輸出狀態(tài)

轉(zhuǎn)舵扭矩

工作壓力Pmax= 23.5 MPa 。

（2）海試狀態(tài)

舵機(jī)試驗(yàn)時(shí)工作壓力PTRIAL= 13.3 MPa （取試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的最大值）；

舵機(jī)此時(shí)的實(shí)際扭矩QTRIAL= PTRIAL/ Pmax×QS.G.=13.3 / 23.5×288=163 t · m

（3）最大吃水狀態(tài)

SOLAS要求轉(zhuǎn)舵扭矩QSOLAS=200.2 t · m。

（4）結(jié)論

通過舵機(jī)實(shí)際壓力與最大工作壓力的對(duì)比，我們可以換算出舵機(jī)試驗(yàn)時(shí)實(shí)際扭矩小于SOLAS要求的扭矩，同時(shí)舵機(jī)試驗(yàn)的操舵時(shí)間也符合SOLAS 28 s要求。

從該系列船舵機(jī)試驗(yàn)結(jié)果（參見表1）來看，絕大多數(shù)情況下舵機(jī)的實(shí)際工作壓力都沒有達(dá)到理論壓力值；造成這種情況的主要原因如下：

（1）舵桿理論扭矩經(jīng)由規(guī)范公式計(jì)算，該公式對(duì)應(yīng)某一海況；在該海況下，海試時(shí)的舵機(jī)實(shí)際扭矩確實(shí)比理論扭矩小，因?yàn)楹Ｔ嚂r(shí)舵并未完全浸沒；而各船海試實(shí)際海況都不相同，對(duì)應(yīng)的壓力不同；其中試航舵機(jī)系統(tǒng)壓力比較接近理論壓力的結(jié)果，可能試驗(yàn)時(shí)海況比較惡劣；

（2）之前船廠對(duì)該壓力值關(guān)注不夠，試驗(yàn)數(shù)據(jù)讀取比較粗略；對(duì)于舵機(jī)試驗(yàn)，我們都只關(guān)心SOLAS規(guī)定的28 s性能要求，只要壓力值不超出正常范圍，基本都不去管它。

通過調(diào)查我們可以看出，由于海況的千差萬別，舵機(jī)實(shí)際扭矩并不是每次都能達(dá)到SOLAS所要求的扭矩，大部分情況是QTRIAL＜ QSOLAS； 推算到這一結(jié)果也沒有問題。只要將舵機(jī)能力QS.G.引入并一起加以比較就可以得出結(jié)論 ：QS.G.＞QSOLAS＞QTRIAL，即舵機(jī)提供的扭矩能力遠(yuǎn)大于最大吃水/海試吃水條件下所需要的舵桿扭矩，能夠滿足SOLAS對(duì)于舵機(jī)轉(zhuǎn)舵能力的要求。

最終船級(jí)社認(rèn)為船廠計(jì)算書證明SOLAS對(duì)舵機(jī)的要求已在海試過程中得到充分驗(yàn)證；該計(jì)算書提交后不久就獲得了PANAMA的豁免聲明。

5.3 實(shí)際打舵時(shí)間推算方法（以209KBC為例）

我們還嘗試了另一種推算方法，即利用試航時(shí)打舵時(shí)間推算出滿載狀態(tài)的打舵時(shí)間，利用該時(shí)間和規(guī)范要求的28 s比較，進(jìn)而得出結(jié)論，具體方法如下：

（1）舵機(jī)最大輸出狀態(tài)

轉(zhuǎn)舵扭矩QS.G.=288 t · m；

工作壓力Pmax= 23.5 MPa

（2）最大吃水和最大航速時(shí)所需要的舵桿扭矩以及海試吃水和最大航速時(shí)所需要的舵桿扭矩

根據(jù)上述公式（6）和某型209KBC舵參數(shù)（參見下頁表3），分別得到：

（3）根據(jù)舵機(jī)工廠試驗(yàn)泵報(bào)告生成并記入圖1

某型209KBC舵機(jī)泵壓力流量分布參見圖1。

表3 某型209KBC舵參數(shù)

圖1中，端部的兩點(diǎn)由舵機(jī)廠家泵工廠試驗(yàn)給出，反映壓力和流量關(guān)系；中間兩點(diǎn)分別表示試航狀態(tài)和滿載狀態(tài)；流量值由曲線根據(jù)實(shí)測(cè)壓力值生成。

表4是從圖1中導(dǎo)出的參數(shù)。

該船將舵自一舷35°轉(zhuǎn)至另一舷30°的海上試驗(yàn)結(jié)果為24.6 s，根據(jù)流量與時(shí)間的線型關(guān)系，可以推導(dǎo)出滿載時(shí)的打舵時(shí)間約為24.8 s（24.6 s×197.17/195.66 = 24.8 s） ，低于規(guī)范要求的28 s。這種推導(dǎo)方法，主管機(jī)關(guān)也能接受。

表4 某型209KBC舵機(jī)參數(shù)

6 結(jié) 論

舵機(jī)能力在船舶基本設(shè)計(jì)選型時(shí)已進(jìn)行了預(yù)估，同時(shí)留有一定的裕度。營(yíng)運(yùn)中的船完全具備最深航海吃水和最大前進(jìn)速度條件對(duì)舵機(jī)能力進(jìn)行實(shí)船檢測(cè)。對(duì)于無法處于最深航海吃水條件的船舶，通過對(duì)等效全速操舵試驗(yàn)推算方法的實(shí)踐及思考，UI SC246給出的推算因子確實(shí)是對(duì)SOLAS的重要補(bǔ)充和有效探索。

本文推薦的其他方法合理且易操作，試驗(yàn)結(jié)果符合規(guī)范要求，但在等效全速操舵的同時(shí)需要注意防范船舶傾覆的風(fēng)險(xiǎn)［6］。由于UI SC246的推算因子存在一定的局限，希望本文可以拋磚引玉，得到更多同行的反饋。

［1］ 國(guó)際海事組織. 國(guó)際海上人命安全公約·綜合文本［M］.北京： 人民交通出版社， 2009

［2］ IACS UI S246 Rev.1， Steering gear test with the vessel not at the deepest seagoing draught［S］. 2015.

［3］ 付雪峰. 船舶不同航行狀態(tài)下操舵時(shí)間的推算［J］ . 中國(guó)水運(yùn)，2016 （7）：26-27.

［4］ 孫華偉. 對(duì)IACS UI SC246關(guān)于操舵試驗(yàn)推算公式的應(yīng)用探討［J］ .船舶設(shè)計(jì)通訊，2016（Z2）：12-15.

［5］ 中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司. 船舶實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè)［舾裝分冊(cè)］［M］. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社， 2013.

［6］ 楊世知. 等效全速操舵試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)分析［J］ .中國(guó)造船2014（1）：121-127.