民用船舶減搖鰭規范適用性分析

于洋,黃昊,朱艷,劉曉瓊

(中船郵輪科技發展有限公司,上海 200137)

1 常用減搖鰭設計規范標準

1.1 GJB2860A-2020

該標準屬于中國軍用規范,全稱為《艦船減搖鰭裝置通用規范》,起草單位為中船704所及其軍事代表室,由中央軍委裝備發展部于2021年1月發布用于替代GJB2860-1997(已作廢),規定了軍用水面艦船減搖鰭的基本技術要求、質量保證、交貨準備等,適用于軍用水面艦船減搖鰭的設計、制造、驗收,相對GJB2860-1997增加了可靠性、維修性、測試性、保障性、環境適應性的內容,質量一致性檢驗也由不分組修改為分為兩組進行檢驗。是目前國內已經發布的有關減搖鰭設計內容較為詳細的一個標準。

1.2 LR《Rules and Regulations for the Classification of Naval Ships》

該規范是英國勞氏船級社(LR)制定的軍船入級規范,其中章節:“船舶控制系統”對軍用水面艦船減搖鰭裝置的布置、部件受力計算等技術要求做出了較為詳細的規定,是目前國外船級社已經發布的有關減搖鰭設計內容較為詳細的一個規范。

1.3 DNV-ST-0309

該標準由挪威船級社(DNV)于2020年3月發布,全稱為《船舶減搖裝置系統》(Vessel motion stabiliser systems)。該標準規定了減搖鰭的技術設計要求、認證要求、風險評估指南,列舉了減搖鰭關鍵部件、總結了各種機械故障失效情況、提出了對減搖鰭后續維護服務的建議。該標準為減搖鰭提供了統一要求以提高減搖鰭的質量和可靠性。

2 對比分析

2.1 布置相關要求

1)GJB2860A-2020。布置減搖鰭時應使鰭軸軸線OO1與 OG(鰭壓力中心O和船重心G間的連線)的夾角不大于15°;沿船體縱向,鰭的位置應在第7號至第13號理論站之間。鰭軸中心線距船首或船尾原則上應不小于三分之一船長,若沿縱向布置兩對鰭,則前后鰭鰭軸中心距離一般不小于鰭葉平均弦長的十倍;鰭橫剖面中心線與設計航速下形成的船體流線一致時鰭位為零位[1]。

2)LR《Rules and Regulations for the Classification of Naval Ships》(后文統稱為LR-RN)。減搖鰭應布置在水密艙壁之間;收放式減搖鰭的所處的水密艙段的首尾水密艙壁距減搖鰭鰭軸中心線應不小于此長度(鰭軸末端至鰭葉末梢的長度)[2]。

3)DNV-ST-0309。鰭箱擬定布置位置時應綜合考慮其布置處所的水密艙段進水風險。風險分析應考慮減搖鰭所處水密艙段進水對該艙段其他重要設備產生的后果和對船舶安全造成的影響。如果分析結果顯示不利狀況發生概率較高,則減搖鰭應布置于獨立水密艙段,且鰭箱應與最近的船體水密艙壁“距離合適”[3]。

通過上述規范對比可以發現:GJB2860A-2020對減搖鰭布置位置要求較為具體,該規范對布置的要求旨在使減搖力臂最大化且盡可能減小鰭葉對航速的影響;LR-RN對減搖鰭距其所處水密艙段首尾水密艙壁距離的要求,旨在盡可能減少減搖鰭損壞時對該水密艙段造成的影響,該要求對船體艙段劃分影響較大;DNV-ST-0309僅對減搖鰭布置位置有概述性要求,對設計人員的約束程度相對較低。

2.2 鰭葉、鰭軸相關計算方法及要求

1)GJB2860A-2020:無具體要求。

2)LR-RN。

(1)鰭葉受力FF。LR建議鰭葉受力由減搖鰭設計方提供。

(2)鰭葉轉矩QF。

鰭正車工況下轉矩可按下列公式確定。

QF=FF×xPF

(1)

式中:FF為鰭葉受力,kN;xPF為鰭軸中心線與鰭葉壓力中心間水平距離,m。

鰭倒車工況下轉矩可按下列公式確定。

QF=FF×xPA

(2)

式中:FF為鰭葉受力,kN;xPA為鰭軸中心線與鰭葉壓力中心間水平距離,m。

(3)鰭葉彎矩。

對于鰭葉彎矩MF,可按下列公式確定。

(3)

式中:FF為鰭葉受力,kN;y1,y3,x1,xu為鰭葉相關尺寸,m,見圖1。

圖1 減搖鰭尺寸圖

(4)鰭軸直徑(轉鰭鰭柄處)dFU。

該直徑不應小于下列公式計算值。

(4)

式中:QF為鰭葉扭矩,kN·m;k為材料系數。

(5)鰭軸直徑(軸承處)dF。

該直徑不應小于下列公式計算值。

(5)

式中:dFU為鰭軸直徑(轉鰭鰭柄處),mm;MF為鰭葉彎矩,kN·m;QF為鰭葉扭矩,kN·m。

(6)鰭軸等效應力σe。

鰭軸既承受轉矩葉承受彎矩,其等效應力不應超過下列公式。

(6)

式中:k為材料系數。

鰭軸等效應力按下列公式計算。

(7)

式中:σb為鰭軸彎曲應力見式(8);τt為鰭軸剪切應力見式(9)。

鰭軸彎曲應力按下列公式計算。

(8)

式中,MF為鰭葉彎矩,kN·m;dF為鰭軸直徑(軸承處),mm。

鰭軸剪切應力按下列公式計算。

(9)

式中,QF為鰭葉扭矩,kN·m;dF為鰭軸直徑(軸承處),mm。

(7)鰭葉板厚。①鰭葉側板板厚t應不小于下列公式計算值。

(10)

式中:PF為鰭葉壓強,kN/m2,見式(12);k為材料系數;s為鰭葉最大加強隔板間距,mm。

β為鰭葉展弦比修正系數,見式(11)。

β=AR(1-0.25AR)(如果AR≤2)

(11)

式中:AR為鰭葉展弦比,如果AR>2,則β直接取值為1。

②鰭葉壓強PF按下列公式計算。

(12)

式中:T為船體最大吃水,m;FF為鰭葉受力,kN;AF為鰭葉面積,m2。

③鰭葉導緣板厚應不小于鰭葉側板板厚t的1.25倍。

④鰭葉內部加強隔板板厚應不小于鰭葉側板板厚t的0.7倍或6 mm,取二者中大值。

3)DNV-ST-0309。鰭葉的屈服強度應不少于最大靜載荷的1.5倍,同時,疲勞強度的安全系數應至少為1.5,還應考慮水動力載荷變化引起的振動,以及可能的共振效應。

通過上述規范對比可以發現:GJB2860A-2020對減搖鰭該部分相關計算無任何要求;LR-RN對減搖鰭鰭葉轉矩、鰭葉板厚確定、鰭軸彎矩、鰭軸直徑計算、鰭軸等效應力校核等都給出了計算校核公式,這些計算公式與舵系計算公式較為相似,對設計人員有較大幫助,但該規范依然沒有提供減搖鰭鰭葉面積確定方法及鰭葉受力計算公式,建議由減搖鰭設計單位提供鰭葉受力;DNV-ST-0309僅對鰭葉結構屈服強度等有概述性要求,對設計人員的約束程度相對較低。

2.3 減搖鰭結構與加強的尺寸、材質

1)GJB2860A-2020。減搖鰭中的焊接結構件(鰭、鰭箱)材質選用應符合中國船級社《材料與焊接規范》的規定;鰭軸材質應符合GJB15.2的要求。

2)LR-RN。鰭葉的總體結構及材質應符合本規范對舵的要求;減搖鰭設備本體和周圍結構應得到充分的支撐和加強。當低碳鋼結構有可能被循環彎曲應力降低疲勞壽命時,其所受最大應力不超過39 N/mm2。在使用其他材料作為支撐加強結構時,需特別考慮極限應力值;減搖鰭通過插入外板的形式與舷側船體外板開口焊接安裝,插入板的板厚至少要比船底外板板厚增加50%,插入板范圍長度方向需超出外板開口的長度不少于鰭葉根部弦長的25%(其他方向為12.5%);減搖鰭的鰭箱板厚度應不小于其附近船底外板規范板厚加2 mm,并按本規范相關章節要求加強。

3)DNV-ST-0309。鰭箱:應視為船體結構和水密完整性的一部分。船級社對設計、材料、質量保證的要求應被執行,設計鰭箱時應考慮減搖鰭鰭葉對鰭箱結構產生的載荷。

鰭葉伸縮機構。該機構部件尺寸應考慮由于磨損而增加的摩擦力、水動力載荷、鰭葉伸縮過程中的阻力所帶來的影響。該機構的各部件的屈服強度,應不少于最大靜載荷的1.5倍,同時,疲勞強度的安全系數應至少為1.5。該機構的支撐結構尺寸需同時考慮強度與撓曲。

鰭葉轉鰭機構。該機構部件尺寸應考慮由于磨損而增加的摩擦力所帶來的影響。該機構的各部件的屈服強度,應不少于最大靜載荷的1.5倍。同時,疲勞強度的安全系數應至少為1.5。

通過上述規范對比可以發現:GJB2860A-2020僅對減搖鰭材質有規范導向性總體要求,對減搖鰭相關結構加強尺寸無具體要求;LR-RN除了明確減搖鰭設備本體及其附屬結構可能被循環彎曲應力影響疲勞壽命的低碳鋼所受最大應力外,更是對減搖鰭鰭箱插入板最小板厚及延伸尺寸、鰭箱及其加強結構的最小板厚做出了明確規定以保證減搖鰭的安裝后強度;DNV-ST-0309對鰭箱、鰭葉伸縮轉鰭機構結構強度安全系數等僅有概述性要求,對設計人員的約束程度相對較低。

2.4 性能特性

1)GJB2860A-2020。減搖鰭有效工作時,橫浪下的減搖效果按減搖后艦船剩余橫搖角有益值計算,應不大于5°;減搖鰭模擬海況和航速進行加載的一次連續運行時間應不少于156 h;艦船在靜水中航行,利用減搖鰭生搖,生搖幅值應不超過GJB4000-2000中附錄的054C-2規定的艦船耐波性衡準“最嚴重航行情況下水面艦船橫搖界限曲線”。生搖周期以艦船固有周期為準,偏差在正負20%范圍內;收放式減搖鰭的自動收、放鰭時間應不超過3 min;對于非全航速減搖鰭,當艦船航速低于4～6 kn時,鰭葉應能自動回到零位并停機;減搖鰭裝置的總重量(收放式減搖鰭不包括鰭箱)宜不超過艦船設計排水量的1%。

2)LR-RN。無具體要求。

3)DNV-ST-0309。由于作用在減搖鰭上的水動力載荷不斷變化,預計鰭會產生噪音振動。制造商應綜合考慮優化整體結構、轉鰭機構、其固有頻率和不利振動概率。以便使買方和制造商皆可接收相應的噪音振動。

通過上述規范對比可以發現:GJB2860A-2020對減搖鰭減搖性能相關要求相對細致明確,不僅對減搖鰭減搖后剩余橫搖角最大值做出要求,也對減搖鰭生搖幅值上限、生搖周期、及生搖周期偏差做出規定,旨在保證艦船生搖工況的安全且保證生搖效率。對收放鰭所需時間的最大值規定旨在保證減搖鰭的收放鰭操作效率。對低航速收鰭航速規定了范圍值旨在規避減搖鰭失效區間并避免計程儀航速誤差帶來的頻繁觸發鰭葉歸零動作。對減搖鰭重量相對排水量占比做出規定以控制設備總重及體積;LR-RN明確減搖效率等性能指標非該船級社審核范圍,所以對此部分性能特性無具體規定;DNV-ST-0309對振動、噪音等性能特性僅有概述性建議,對設計人員的約束程度相對較低。

2.5 安全性

1)GJB2860A-2020。設備外殼應可靠接地;收放式減搖鰭應具有從應急電源供電的鰭收入/放出指示器,并能自動收回鰭箱;減搖鰭應具有減搖/生搖極性判斷措施,啟動系統進入減搖狀態,不應使減搖操作的結果成為生搖;減搖鰭的生搖啟動開關與減搖啟動開關應互鎖。生搖開關應采用鑰匙開關或其他能避免產生誤操作的措施;當鰭葉處于完全放出位置時,才可以進行減搖、生搖操作,減搖、生搖操作按鈕應互鎖;減搖鰭若設置兩個以上的操作部位,各部位間的操作應互鎖。

2)LR-RN:無具體要求。

3)DNV-ST-0309。無具體要求。

通過上述規范對比可以發現:僅GJB2860A-2020對減搖鰭安全性做出了相關要求。對減搖鰭極性判斷、生搖與減搖啟動開關互鎖、生搖開關防誤操作、鰭葉放出到位才可以激活減搖生搖、各操作部位互鎖等做出要求旨在保證減搖鰭相關工況的運行安全。LR-RN及DNV-ST-0309皆對此部分性能特性無具體規定。

2.6 風險分析

1)GJB2860A-2020。無具體要求。

2)LR-RN。無具體要求。

3)DNV-ST-0309。以下所列選項(故障現象:故障原因)作為在減搖鰭風險分析最基本范圍。

(1)船體漏水。產品缺陷,焊接缺陷,材料缺陷,船體加強結構;安裝缺陷;不可預測的外力(疲勞載荷);意外載荷(擱淺等)(塑性屈服);腐蝕;嚴重撓曲變形超過設計載荷。

(2)油液泄漏(至海水)。密封裝置磨損;密封裝置破裂;潤滑油水解;滑油污染;為操作失誤。

(3)油液進水。密封磨損;密封撕裂;水/潤滑油水解;潤滑油污染;人為操作失誤;重力油箱壓力過低。

(4)鰭葉伸出位置卡滯。軸承故障,缺乏潤滑;軸承間隙不足;因超載產生的鰭葉撓曲變形或對特種翼型變形預估不足;安裝時焊接引起的撓曲變形、加強結構對齊缺陷。例如,襟翼鉸鏈或其他機械結構故障;轉鰭執行機構故障;液壓系統故障;轉鰭鰭角反饋機械故障。

(5)鰭角處于大角度時卡滯。襟翼鉸鏈或其他機構故障;轉鰭執行機構故障或軸承故障;轉鰭鰭角反饋機械故障。

(6)鰭角異常(可手動操作)。液壓動力不足(是否有足夠壓力鎖定鰭角,是否失去控制);液壓閥件故障(功能性、異物堵塞等);泵故障或液壓管路破裂。

(7)控制系統造成不利橫搖(生搖)或減搖能力變差。控制線纜故障;控制系統失電;循環指令故障;通信錯誤;計算機硬件故障;傳感器硬件故障;人為操作失誤。

(8)在鰭葉伸出/縮回過程中發生意外事件產生過載,造成減搖鰭運行停止。供電不足/泵壓力不足;液壓系統在這種情況下的運行情況如何,是否存在堵塞。

(9)鰭葉在伸出位置無法收回(需要手動操作)。控制系統故障;液壓系統故障;所處水密艙段起火;所處水密艙段進水。

(10)鰭葉遭遇意外載荷,鰭葉嚴重損壞或掉落:鰭葉遭遇異物撞擊;擱淺。

(11)船內液壓油泄漏,失火風險。液壓管路破裂;鰭部分功能失效(轉鰭/收放);EAL閃點較低(監測系統顯示EAL遠低于220℃)。

(12)泵故障。

(13)液壓管路或油缸爆裂。泄壓閥組故障。

(14)振動和噪聲。水動力引發的結構共振;機械因素引發(陽極松動、粘滑效應等);液壓或類似因素引發的結構噪音,新型替代材料應進行風險評估,新設計、新制造方法、新的替代供應商應進行風險評估。

通過上述規范對比可以發現:GJB2860A-2020及LR-RN對于風險分析相關內容沒有規定;DNV-ST-0309則提出了減搖鰭風險分析最基本推薦范圍,涵蓋故障現象及其可能導致該現象的故障原因。

3 結論

1)GJB2860A-2020。對減搖鰭布置位置的要求最為具體,有利于設計人員參照執行,該規范對鰭在船長縱向長度的安裝位置要求可使鰭葉處于船體線型相對較寬的區域,進而盡可能使減搖力臂最大化以提高設備的減搖性能;該規范對減搖鰭安全性相關要求都較為合理,尤其是生搖、減搖互鎖要求對船舶安全性較為重要。這些要求對民用船舶同樣適用,所以民用船舶減搖鰭布置、安全性設計相關問題,適用參考GJB2860A-2020。

2)LR-RN。減搖鰭鰭葉產生的升力通過鰭軸及十字軸傳遞到鰭箱,鰭箱再通過鰭箱與船體的焊接加強結構及插入板將該升力傳遞至船體,進而產生減搖力矩實現船舶減搖。所以鰭葉、鰭軸、鰭箱的強度是否足夠對減搖鰭的安全運行及減搖功能實現至關重要,該規范是現行常用減搖鰭相關規范中唯一提供了相關計算方法的規范,但該規范沒有提供減搖鰭鰭葉面積確定方法,如果可以提供相關鰭葉面積計算公式或者類似舵面積比的鰭葉面積比系數推薦值,則在船舶設計初始階段總體單位設計人員就可以通過估算減搖鰭鰭葉面積進而預估整個減搖鰭設備的重量、鰭箱主尺度、泵站功率體積等重要指標,這對船舶設計初始階段的減搖鰭及其所處艙室綜合布置方案確定大有裨益,所以鰭葉面積數值不僅對船舶設計初始階段總體單位設計人員選型減搖鰭具有較大影響,還對減搖鰭所處艙室的綜合布置有所影響;另外該規范同樣沒有提供鰭葉受力計算方法,而是建議由減搖鰭設計單位提供鰭葉受力,此項規定有待商榷,鰭葉受力參數極其重要關系到后續鰭葉扭矩、鰭軸彎矩各參數的計算,應效仿該規范中舵計算部分,提供計算方法使規范要求的最低計算值偏安全。雖然LR-RN沒有提供提供鰭葉面積和受力的計算方法,但其依然是現行常用減搖鰭規范中相關受力計算最為全面的規范,這對民用船舶同樣適用,所以民用船舶減搖鰭鰭葉、鰭軸、鰭箱等相關受力計算問題,適用參考LR-RN。

3)DNV-ST-0309。該規范是現行常用減搖鰭相關規范中唯一提供了轉鰭等機械機構屈服強度、疲勞強度安全系數的規范,這些機械機構的強度是否足夠關系到減搖鰭轉鰭、收放鰭功能的可靠性,對減搖鰭的安全運行較為重要;該規范風險分析部分還對減搖鰭設備本身可能的故障現象及原因做出了較為詳細的規定,減搖鰭制造廠商等設備設計單位可將其作為風險、故障分析指南參考借鑒,這對民用船舶同樣適用,所以民用船舶減搖鰭轉鰭等機械機構屈服強度、疲勞強度安全系數、風險分析等相關問題,適用參考DNV-ST-0309。