某船舵系故障修復與分析

摘 要：某船舵葉在航行中非正常丟失，舵葉掉落過程中產生了極大的扭力，導致舵桿彎曲變形;拆卸中發現舵托座孔銹蝕嚴重，舵托軸套在座孔內部可以自由轉動。鑒于該船整個舵系損傷嚴重，需要對整個舵系進行修理恢復，測量各個軸承位置的軸線對中情況，根據測量結果對各個軸承逐步進行修復，最終修復完成并使該船達到能夠正常航行的狀態。

關鍵詞：舵桿;船舶修理;軸系校中

中圖分類號：U672.2? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）12-0065-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.12.018

0? ? 引言

船舶舵系是推進系統的重要組成部分，舵系發生故障會影響船舶的安全運行，關于舵系性能的優化，近年來國內外學者們做過大量的研究工作。劉正鋒等人[1]為解決舵參與動力定位控制時的優化推力分配問題，通過建立模型進行了主推進器和舵聯合作用下的水動力模型試驗研究，通過對不同轉速及不同舵角下組合單元的推力測量結果分析，對槳舵組合單元推力的理論模型進行了初步驗證。張興濤[2]在能量算法的基礎上，利用Matlab編制程序，通過程序直接計算出舵系的支反力和彎矩，并利用有限元軟件ANSYS對計算結果進行了驗證，以便于后續舵系的設計優化。關于舵系故障診斷和修復，各船舶公司和修造船企業根據實例均進行過探討和分析。林長明等人[3]在“邦建”輪舵系設備搶修過程中，根據實際檢測情況，采用非常規修理方法，不但達到了維修的目的，而且節省了修理時間和費用。徐戎等人[4]根據實際案例對一古巴籍散貨船辛浦萊型平衡舵的舵桿、舵軸的成功修理過程進行了論述。

某輪為國內航行的散貨船，舵槳為單主機單舵單槳型式，該輪舵葉為懸掛式舵，舵桿由上舵承支承，穿過船體上的舵桿套筒內的下舵承與舵葉連接，舵葉通過上下舵銷支承在舵托及舵鈕上，舵系軸承由上舵承、下舵承、舵托軸承三部分組成，三處軸承呈同心狀態，三處軸承的圓心即為舵系的軸線，工作時由舵機驅動舵桿帶動舵葉繞舵系軸線轉動。該輪在航行過程中舵葉意外脫落，為了保證船舶安全，該船由拖輪拖帶至我廠水塢內進行舵系搶修，進塢前該船狀態如圖1所示。本文結合實際案例，主要對該輪舵系故障的修理過程進行論述，為將來類似故障診斷及檢修提供參考。

1? ? 修理過程

經過現場勘驗，該輪除舵葉已掉落丟失外，舵桿與舵葉連接處法蘭連接螺栓均已斷裂，上下舵銷也已經隨舵葉一起掉落，舵桿連接端法蘭螺栓孔均有不同程度的損壞，舵托舵銷座內軸承銅套磨損嚴重，舵銷座孔銹蝕嚴重。以上問題均需要逐步進行修復。

首先根據船方提供的原舵葉圖紙重新加工制作了舵葉、法蘭連接螺栓及上下舵銷。舵葉制作完成后尺寸檢驗合格;為保證舵葉連接端法蘭面尺寸，加工過程中與舵桿法蘭面研配加工，加工后兩法蘭面契合情況良好;由于原法蘭連接螺栓受剪切力斷裂，舵桿連接法蘭螺栓孔均有不同程度的損傷，舵桿法蘭面螺栓孔焊補后與舵葉法蘭面裝配重新鏜孔，按照鏜孔尺寸加工螺栓，螺栓扭緊后檢查舵桿與舵葉連接法蘭面之間是否存在間隙，使用0.03 mm厚度塞尺塞不進，證明法蘭接觸面無縫隙;舵銷按照圖紙尺寸加工后與錐面銅套研磨，保證舵銷與銅套接觸面大于75%，以避免因點接觸造成摩擦力不足導致舵銷與銅套相對轉動。舵葉加工完成后對上下舵銷孔拉線校中，同軸度小于1 mm，滿足規范要求，且舵葉本體密性試驗無泄漏。

舵葉加工完成后上船安裝，安裝過程中發現舵葉無法安裝到位，舵桿及上舵銷安裝后，下舵銷與船體舵銷孔位置偏差較大，粗略測量位置偏差約為100 mm。由于舵葉為新制且尺寸與圖紙相符，排除舵葉本身的原因，初步懷疑為船體變形或舵桿變形導致。

首先對船體是否變形進行驗證，將舵桿及舵銷拆下，將舵承座及舵承安裝到位，采用拉線的方式，檢驗舵承及上下舵銷座的同軸度。

自上而下分別設舵承上端面中心點為A點，上舵銷上端面中心點為B點，上舵銷下端面中心點為C點，下舵銷上端面中心點為D點，下舵銷下端面中心點為E點。以A點和B點為基準拉線，采用重錘拉線的方式測量鋼絲與C點、鋼絲與D點的偏差，數據如表1所示。

此數據雖然顯示舵系各點同軸度偏差較大，但考慮到船舶坐墩后不是水平狀態，此數據不足以說明船體有變形，于是重新確定基準點：以A點和E點為基準拉線，測量B點、C點、D點三點的距離，數據如表2所示。

此次拉線避免了船舶傾斜對拉線結果的影響，舵系各點同軸度偏差較小，船體無較大變形。排除了船體變形的可能性，基本可以肯定為舵桿變形。

利用數控龍門銑床將舵桿在胎架調平，找出中心線，測量各個位置的數據并與圖紙尺寸對比，得出舵桿的變形量為：舵桿法蘭向后偏移106.2 mm，向左偏移36 mm;舵桿法蘭后上翹24.2 mm，左上翹6.5 mm。此數據與舵葉安裝過程中的偏移量基本吻合。

由于舵桿直徑為350 mm，而且變形量較大，火攻整形難以達到整形效果，還有可能因反復受熱造成舵桿材料性能改變，所以只能采用冷壓矯正的方法。為了檢查舵桿發生變形后是否產生了缺陷，在整形前對舵桿進行探傷，探傷結果顯示內部及表面均無缺陷。

由于舵桿變形量大，無法一次整形到位，首先對舵桿初步進行粗整形，利用數控龍門銑床分別找出舵桿的實際軸線和理論軸線，在舵桿上劃出實際軸線與理論軸線（圖2），找出舵桿變形處，利用液壓機對變形處進行壓制，采用目視測量，當理論線和實際軸線在變形處（交匯點）接近順直的時候，可以認為粗整形已完成，可以進行下一步整形工作。

再次利用數控龍門銑床測量粗整形后舵桿的實際軸線與理論軸線，記錄數據后可以計算出舵桿當前狀態下的變形量，根據當前變形量計算后續的下壓量。

如圖3所示，加裝2個剛性支撐點將舵桿墊高，為避免整形過程中支撐點對舵桿表面造成損傷，支撐點上平面鋪設0.1 mm厚銅板以保護舵桿表面。利用液壓機對變形點進行壓制整形，在變形點與支撐點2之間選取一合適位置安裝磁力百分表測量該位置的形變c，設法蘭端垂直方向位移量為a1，軸頭端垂直方向位移量為a2，變形處垂直方向位移量為a3，變形處垂直方向實際軸線與理論軸線的差值為H，測量點和支撐點2之間的水平間距為b1，變形點和支撐點2之間的水平間距為b2，支撐點2和軸頭端的水平距離為b3。其中，H值在數控龍門銑床上已測量出數據，b1、b2、b3值在壓制前測量出數據。

操作液壓機開始下壓，當百分表讀數達到量程極限時停止下壓，使用銅錘持續敲擊壓制點背面以消除應力，等待10 min后升起液壓機，記錄百分表讀數即為c值，根據公式c/b1=a1/b2=a2/b3可分別計算出a1、a2的值，a3即a1、a2兩值相加的和。

將舵桿拆下重新上數控龍門銑床調平后測量變形處垂直方向實際軸線與理論軸線的差值H1，H和H1兩數的差值與a3數值相同，證明該方法是實際可行的。

后續重復上述矯正過程，矯正過程中每受力一次后重新找正測量，直到舵桿尺寸接近理論尺寸，矯正后尺寸為：舵桿法蘭向后偏移5.2 mm，向左偏移0.9 mm;舵桿法蘭前上翹0.08 mm，左上翹0.25 mm。最后對舵桿火攻整形進行微調，使舵桿恢復到出廠尺寸后，再次對舵桿進行探傷，確認無缺陷。舵桿修復后，在胎架上與舵葉連接后整體拉出中心線，測量舵桿與上下舵銷孔同軸度均小于1 mm，滿足安裝要求。

舵桿修復完成后，還需解決下舵銷座銹蝕嚴重的問題。原船船體下舵銷座內銅套為偏心套，銅套與銷座應為過盈配合，由于今年該船未對下舵銷座及銅套進行過檢修，原銅套內壁磨損量已超過使用極限，銷座內壁由于銹蝕嚴重，銅套在座內已能夠自由轉動，需要重新加工新銅套。由于舵系中心線重新校中，加工偏心套與銷座過盈配合實際加工難度很大，且需要耗費較長的時間進行測量加工，對后續舵系安裝的要求也很高，考慮到加工成本和時間成本，決定采用加工中心銅套后澆注環氧樹脂的方式對舵托座及下舵銷軸承進行改造。

首先安裝舵桿，連接舵柄，舵承座閉合后復位，螺栓緊固。連接舵桿與舵葉，法蘭連接螺栓安裝緊固，檢查連接情況，使用0.03 mm塞尺塞不進法蘭連接面，證明連接面無縫隙。上舵銷安裝后測量下舵銷與舵銷孔內壁間隙，測量結果如圖4所示。

本次澆注材料選用CHOCKFAST環氧樹脂，CHOCKFAST的粘度低且表面張力小，因而在澆注時可以很容易地注入澆注模框內，并與模框內任何不規則的表面完全接觸，從而不需要對澆注表面進行機械加工，就能達到理想的安裝質量。CHOCKFAST環氧層的厚度要求為10～100 mm，新加工的下舵銷軸承銅套為了保證強度，厚度至少達到20 mm，而目前舵銷與內壁間距最小處只有17.5 mm，采用碳弧刨的形式對舵托局部不具備澆注空間的區域進行碳刨，加工出至少12 mm的澆注區域，碳刨后對碳刨區域進行打磨處理，去除氧化物等雜質，保證澆注區域清潔。銅套加工完成后用頂絲固定在座孔內，穿好下舵銷后調整下舵銷與銅套的安裝間隙，調整完成后進行轉舵試驗，轉舵過程中無阻滯現象，證明轉舵性能良好。在座孔和銅套之間進行澆注工作，靜置24 h后環氧樹脂完全固化，此時再次試驗轉舵性能良好。舵葉打到0位時，測量舵承及上下舵銷間隙，間隙滿足規范要求。間隙測量數據如表3所示。

該輪修復后，經航行試驗驗證，舵系運轉正常。

2? ? 原因分析

該輪出現這次故障的原因分析為：舵銷處銅套因常年使用磨損量已超過允許使用的極限，導致舵葉整體處于振動狀態，船舶航行過程中受水流的沖擊，舵葉與舵桿處連接螺栓受力斷裂，同時舵桿也因沖擊產生了變形。

3? ? 結語

船舶常規塢修期間，應對舵系、軸系等重要設備各部位進行檢查，對不滿足使用要求的部件或零件及時進行維修或更換，以保證船舶的運行安全。本次舵系修理為日后的船舶修理提供了寶貴的經驗，船舶航行過程中舵葉掉落很可能導致舵桿變形，應先對舵桿進行中心線測量，排除舵桿變形后再進行其他工作，以縮短施工工期，降低施工費用。

[參考文獻]

[1] 劉正鋒，張隆輝，魏納新.槳舵組合單元推力建模研究[C]//第三十一屆全國水動力學研討會論文集（下冊），2020：396-401.

[2] 張興濤.舵系直接計算與優化[J].廣東造船，2006（1）：18-21.

[3] 林長明，鐘建林.淺析船舶舵系故障非常規修理[J].中國修船，2005（6）：18-19.

[4] 徐戎，吳四川.淺析辛浦萊型平衡舵的修理[J].中國修船，2007（2）：28-30.

收稿日期：2022-03-21

作者簡介：張程（1987—），男，黑龍江肇東人，工程師，研究方向：船舶建造和修理。