5500 DWT化學品油船舵系失效的故障排除

亢宗楠 陳冬平 付旭東 陳承燃

摘要：本文通過分析某5500DWT化學品油船舵系失效的原因，闡述了類似帶有掛舵臂船舶的舵系液壓螺栓壓入量和膨脹壓力的計算，供同行們參考。

關鍵詞：化學品油船；舵液壓螺母；故障；分析

中圖分類號：U672.2文獻標識碼：A

Maintenance Analysis of 5 500 DWT Chemical Tanker Rudder Failure

KANG Zongnan1,CHEN Dongping2, FU Xudong2, CHEN Chengran2

( 1. Guangxin Shipbuilding&Heavy Industry Co.,Ltd, Zhongshan 528437; 2. Guangzhou WenchongShipyard Co., Ltd., Guangzhou 510725 )

Abstract: Described by the example of 5 500 DWT chemical tanker rudder failure,expounds the calculationof rudder hydraulic bolts push-up length and expansion pressure,so that with counterparts to learn

Key words: Chemical tanker;Rudder hydraulic bolt;Fault; Analysis

1引言

船舶舵系的可靠性是安全航行的基本前提，舵系故障的存在是極大的安全隱患，問題嚴重時，不僅影響正常的航行，對船員的人身安全造成危害，甚至有可能發生重大的海難。因此，舵系的安全可靠性對于船舶而言十分重要。

GMG02是我司委外建造的5 500 DWT化學品油船，其舵系采用掛舵臂結構形式，舵桿和舵銷由液壓螺母固定，見圖1。

2故障現象及分析

5 500 DWT化學品油船試航中發現在駕控臺舵角顯示0時，船舶明顯往左行駛，當舵角打到右舷220，船舶才能按照直線行駛，為了明確問題的所在，必須將問題一項項排除。駕控臺操舵時，舵機艙顯示的角度與之相同，故可排除電氣反饋裝置不同步的問題，舵桿與舵柄之間為鍵連接，在擺舵的同時舵桿也隨之轉動，說明舵桿與舵柄之間沒有位移。為了進一步確認問題所在，調整船舶壓載，將舵葉顯露出來，發現當船舶駕控臺和舵機房顯示0位時，舵葉偏向右舷大概220，因此問題出在舵葉上。根據船舶出廠報告，舵桿液壓螺母的壓裝數據如表1所列。

圖1 舵系結構圖紙

表1原始的舵桿液壓螺母壓裝數據

從表格看出，壓入量為1 mm的時候，膨脹壓力卻沒有建立，顯示為0Mpa，故初步認為是施工時起始位置的選取出現錯誤，導致壓入量不夠,造成錐面出現位移。

3舵桿軸承處產生的扭矩

船舶在航行時，由于螺旋槳的推力，在舵葉處會產生巨大的扭矩，使船舶改變航道。舵葉所產生的扭矩按下式計算：

式中： ，F正=336 913 N；F倒=104 390 N

； ；

hm舵葉平均高度，—展舷比計算得出4.4 m；

舵葉面積之和A=10.419 m2；

k2—系數查表得正車1:1，倒車0.9；

k3—導流罩后舵葉k3=1.15；

Vd—設計航速，正車Vd正13 kn，倒車Vd倒8 kn

A1、A2為舵葉缺口下部和上部的面積，

A1=6.832 m2，A2=4.082 5 m2；

A2 f / A1 f—舵桿缺口上部和下部的面積；

A2 f=0.337 5 m2，A1 f=2.074 m2；

，；

b1、b2—A1、A2部分的平均寬度（m）

a1、a2—正車時取0.33，倒車取0.66；

代人式中，得出：

正車最大扭矩為T正=73 952 Nm

倒車最大扭矩為T倒=108 461 Nm

通過上述計算，當船舶全速滿舵航行時，通過舵桿舵葉輸出巨大的扭矩，無鍵連接的舵桿舵葉，在此巨大的扭矩作用下，要靠錐面的摩擦力來防止滑動、移位，對錐面貼合狀態及安裝工藝勢必提出嚴格的要求，對于軸向的推入壓力、徑向的膨脹壓力以及錐面貼合后的推進量均需十分科學與嚴謹的計算。

4液壓螺母壓入量和壓力計算

由于缺乏設計院提供的有效數據，舵桿液壓螺母的壓入量和膨脹壓力，需要根據船舶規范進行計算。

4.1液壓裝配徑向壓力計算

根據規范要求，壓入力不小按下面兩個式計算：

=55.5 N / mm2

=48.5 N / mm2

式中：—舵桿設計屈服扭矩，；

dm—舵桿大端直徑與小端直徑之和的一半；

l —錐體長度；

Mb —錐體舵承處所受的彎矩，Mb=115 521；

Dt —舵桿直徑，Dt=220 mm；

Kr —材料系數，kr=1.146；

μ0 —取值0.15；

最大壓入力根據以下公式計算：

式中：ReH—舵桿屈服強度，；

da-舵桿連接體的外徑（如不規則，取最小邊的兩倍）；

根據以上計算結果，徑向壓力范圍為：

4.2液壓裝配法錐體軸向推力計算

根據規范要求，軸向推力不小于按下式計算之值：

=858.6 kN

活塞面積S=19 792 mm2，得出軸向壓力P=43.3 MPa。

最大允許的軸向推力按下式計算：

=1 439.4 kN

活塞面積S=19792mm2，得出軸向壓力P=72.7 MPa

根據以上計算結果，軸向推力范圍為：

4.3液壓裝配法錐體壓入長度計算

根據規范要求壓入長度不小于按下式計算之值：

=2.11 mm

式中：Rtm—摩擦系數，一般取0.01，

c—錐體錐角，取1:15；

E—材料彈性模量系數，查設計手冊E=2.06 x105 N/mm2。

最大允許的壓入長度按下式計算：

=2.93 mm

根據上述計算結果液壓螺母的壓入長度為2.11mm<△l2<2.93mm之間，安全起見，推薦壓入量取2.6 mm。

4結論

根據計算數據可以看出，船舶在下水前舵桿液壓螺母的壓入量明顯不夠，最終造成船舶在試航的時候舵葉與舵桿產生位移，達不到應有的舵效。

將舵桿液壓螺母重新壓裝，數據見表2（初始壓力按照給定壓力的10%給出）。

表2修正后的舵桿液壓螺母壓裝數據

出塢后，經過航海試驗，證實重新壓裝舵桿螺母后，沒有發生舵桿和舵葉的偏移，能夠保證船舶的正常航行。

參考文獻

[1]中國船級社.鋼質海船入級規范[S], 2009.

[2]MSC. PATRAN & MSC.NASTRAN使用指南[M]. 北京: BUAA, 2002.

作者簡介：亢宗楠（1983-），男，輪機工程師。主要從事船舶軸舵系方面的安裝工作。

陳東平（1982-），男，輪機工程師。主要從事船舶軸舵系方面的設計工作。

收稿日期：2013-10-09