舵葉錐孔傾斜對運轉間隙的影響

辛黎明，陳新良，錢 進

(上海華潤大東船務工程有限公司，上海 202155)

舵葉錐孔傾斜對運轉間隙的影響

辛黎明，陳新良，錢 進

(上海華潤大東船務工程有限公司，上海 202155)

文章就某船的舵葉因事故而發生變形，致使舵葉錐孔發生傾斜的現象，通過對舵銷的運動軌跡進行分析，提出了修理過程中舵銷軸承設計，安裝時應注意的事項。

舵葉;傾斜;舵銷;軸承

在船舶修理、裝配和調試過程中，經常會遇到舵系部件定位偏差的問題，尤其是船舶在航行中因意外而發生的擱淺、碰撞等事故，舵葉受到外力的撞擊，使舵系發生變形，但因舵銷與軸承的安裝一般間隙都較大，在一般檢查和修理過程中可能會被忽略，而這些偏差和變形的存在會影響或破壞設備的正常使用，縮短設備的使用壽命，更有甚者會發生舵系轉舵的困難，給船舶安全航行帶來極大的安全隱患，甚至無法正常航行。

1 舵系結構形式及裝配定位關系

對于懸掛舵，其舵桿、舵銷與舵葉鑄 (鍛)鋼件的典型裝配關系如圖1所示。

從圖1中可以看出，整個舵系的質量是由上舵承的平面推力軸承支撐。舵機油缸的往復運動通過舵柄、舵桿、鍵轉換成舵葉的擺動。為了保證整個舵系的回轉，要求上舵承的推力盤與與舵桿呈垂直狀態，上舵承的摩擦片與各舵承孔呈垂直狀態，且舵桿上軸承、下軸承、掛舵臂處的舵銷軸承三者為同軸關系［1］。

根據船舶行業修理標準CB/T 3428—2013《船舶舵系修理中心線定位及校中技術要求》［2］。

圖1 舵桿、舵銷與舵葉鑄 (鍛)鋼件的典型裝配關系圖

1)對舵系固定部件校中的要求:固定部件各舵承孔中心同軸度允許偏差不大于安裝間隙的0.7倍。

2)對舵系運動部件校中的要求:舵葉軸承孔與舵桿軸頸同軸度公差值不得大于舵承安裝間隙的0.7倍。

由以上的標準要求可知:對于類似舵系軸承孔這樣的固定部件，經檢查發現的同軸度偏差，如果在允許的范圍內，可以不進行修整;當偏差超出了許可的范圍后，可以通過現場鏜孔等方式進行軸線的修正。同理，舵葉上的舵桿錐孔和舵銷錐孔亦為同軸關系，而且它們屬于舵系的運動部件。如果由于變形或外界力的影響，使它們的同軸度出現偏差，比如軸線的偏移或傾斜，使得偏差值超出了允許的范圍，影響到舵桿、舵葉的裝配間隙，進而影響到船舶的航行。一旦出現此類偏差，則應根據情況進行修整。

2 對象和范圍

船舶修理過程中，經檢查發現舵銷錐孔傾斜現象，第一種方法是重新鏜孔以修正錐孔，這就需要重新加工和拂配舵銷和錐孔，使用專用的現場加工設備，而且相關材料的準備和施工周期都比較長;第二種方法是根據傾斜的錐孔來進行計算核實，并與有關的船級社規范進行對照，視結果決定是修正錐孔還是按現狀重新設計計算舵銷軸承的內徑尺寸。

下文將著重討論第二種方法，即根據傾斜的錐孔來設計計算舵銷軸承的內徑尺寸。

3 舵葉的檢查測量方式和結果

3.1 測量儀器的設定方式

我們以舵桿錐孔大端M處的中心和舵銷錐孔的小端E處的中心作為測量基準，且以大端M為發射端，以小端E為接收端，通過激光測量儀測量上下2個錐孔軸線的同軸度，測量裝置的布置和測量結果如圖2和圖3所示。

圖2 舵葉激光測量裝置布置示意圖

3.2 檢查結果及判斷

從圖2測量裝置布置和圖3的測量結果可知，舵銷錐孔產生了傾斜，方位是錐孔大端向后偏左方向傾斜了β(即向尾部傾斜，最大傾斜值為LA1;同時向左舷傾斜，最大傾斜值為LB1)。

圖3 舵葉激光測量結果示意圖

其中，β=arctan(LA1/LB1)。

4 舵葉下錐孔中心線的偏移狀況分析

現設定以舵葉上部的舵桿錐孔為基準，則其下部舵銷錐孔的大端向尾部傾斜LA1，向左傾斜LB1，按照幾何三角形關系，舵銷錐孔的大端傾斜值L1，如圖4所示。

圖4 舵銷傾斜示意圖

按照線性比例關系，則安裝于錐孔中的舵銷頂部處傾斜值達到L2，即:

式中:L2為舵銷頂圓中心傾斜值;LH1為舵銷圓柱段長度;LH2為舵銷圓錐段長度。

式中:L3為舵銷圓柱段中點處與舵桿中心線的偏心距。

對于因錐孔軸線變形所導致的舵銷的傾斜現象，與其相配合的舵銷軸承內孔直徑的計算分為2種方式:舵銷軸承中心與舵系的中心一致;舵銷軸承中心與舵系的中心有偏移。

4.1 當舵銷軸承中心與舵系的中心一致時

在舵銷軸承與舵桿為同一中心的情況下，舵葉的轉動中心是舵桿中心線 (如圖4所示)，由于舵銷錐孔大端的傾斜L1，按照線性比例關系，造成了舵銷頂部中心與舵系中心線的偏差達L2，且呈傾斜狀態，即舵銷外圓的最大傾斜點與舵桿中心線的半徑距離為 (d/2+L2)，為了消除或抵消此傾斜數據L2，則舵銷與軸承的總間隙需大于2 L2，才能使舵銷與軸承之間有間隙存在，否則將出現舵銷與軸承有干涉的現象。所以舵銷軸承的內孔直徑D2為:

式中:d為舵銷直徑;δCmin為舵銷與軸承間的單側最小間隙。

4.2 當舵銷軸承中心與舵系的中心有偏移時

1)舵角為正舵時，即舵葉處于0°位置時 (如圖5、圖6所示，對于舵銷錐孔的傾斜，建議按舵銷的圓柱段的中點處的偏心距L3及其方位來計算和安裝舵銷軸承。設舵銷軸承內孔中心的偏移為舵銷圓柱段中點處的L3時，中心偏移方向為β(方位為偏后LA1，偏左LB1)，則舵銷頂端面圓的中心相對于中點處的傾斜值為δ0=L2-L3。

圖5 舵銷傾斜示意圖

圖6 舵葉為0°時舵銷與軸承的中心位置關系示意圖

2)舵角為左 (或右)滿舵時，即舵葉偏轉35°時 (如圖7、圖8所示)，由于軸承是固定的，并設定為偏心安裝，與舵桿中心的偏心距為L3，方位為后偏左β。當舵桿旋轉以后，舵銷相應作同步轉動，而舵銷頂部由于受到傾斜的影響，使得舵銷頂部圓的中心與軸承的中心在轉動過程中，偏移方向和偏移量產生了變化。當處于正舵時，舵銷頂部圓心在β角度，與軸承的中心偏差為δ0，位置在點P1處，一旦轉動至左滿舵 (或右滿舵)，由舵桿帶動舵葉上的舵銷一起繞舵桿中心“O”，舵銷頂部圓心P1沿圓弧軌跡P1P4(或P1P5)轉動，舵銷頂圓中心由P1順時針轉動到P4(或相反方向逆時針轉動到P5)，則舵銷頂部圓心位于 (β+α)角度上，舵銷頂圓中心與軸承中心的偏差由δ0(即P1P4)變成δ1(即直線P3P4)。根據幾何關系，如圖8所示。

圖7 舵葉為左舷35°時舵銷與軸承的關系示意圖

式中:δ1為舵銷頂圓中心相對于中點處的傾斜值;α0為正舵到左滿舵的偏轉夾角。

圖8 舵銷頂圓中心位置變化示意圖

顯然，δ1＞δ0，所以按δ1計算出的偏心值比按δ0的大。

舵銷軸承的內徑D3應為:

5 計算分析

對于舵銷軸承內徑的計算可按前述的3種情況進行計算。

1)狀況1:對于沒有發生變形的舵系，當各個部件的同軸度偏差忽略時，舵銷軸承安裝后內孔直徑D1的計算公式為:

2)狀況2:因舵銷錐孔傾斜后舵銷軸承中心與舵系的中心保持一致時，舵銷軸承安裝后內孔直徑D2的計算公式為:

3)狀況3:因舵銷錐孔傾斜后舵銷軸承中心與舵系的中心存在偏移時，舵銷軸承安裝后內孔直徑D3的計算公式為:

式中:δCmin為舵銷與軸承間的單側最小間隙;

由上述舵銷軸承內孔直徑計算公式可知，按狀況1所計算的內徑最小，狀況2和狀況3的差別僅在于L2與δ1。通過對L2與δ1的比較可以知道2種狀況的大小。

為判別L2與δ1的大小關系，現作如下分析:

因L2+δ1＞0，故只要證明或者＜0，即可得出L2-δ1的大小關系。

根據L2和L1的定義可知:L2＞L1，則3.28L2-L1＞0，所以，也即 L2-δ1＞0。

由以上分析可知:因L2＞δ1，所以在相同的舵銷直徑和最小間隙時，舵銷軸承中心與舵系的中心保持一致時所計算出的軸承內孔直徑要大于存在偏移時的內孔直徑。

因此，相比較而言，當舵系沒有變形的時候(即狀況1)舵銷軸承所計算的內徑最小。當因舵葉變形導致舵銷錐孔傾斜后，則按照舵銷軸承中心與舵系的中心存在偏移時 (即狀況3)所計算出的軸承內孔直徑要比中心保持一致時 (即狀況2)所計算出的要小。

6 實例分析

某船因海損而導致舵系受損而進行檢查修理，其舵銷直徑為775 mm，舵銷長度1 700 mm(不包括鎖緊螺紋長度)，經檢查后發現船體舵系的軸承孔軸線未變形，舵葉則受損變形，其中舵葉上部的舵桿錐孔未變形為原始狀態;而中部的舵銷錐孔的大端向后傾斜0.99 mm，向左傾斜0.80 mm。

綜合起來，下部錐孔的大端傾斜L1=1.27 mm方位為后偏左，角度β=arctan(LA1/LB1) =arctan(0.99/0.81) ≈51°。

按照線性比例關系，則舵銷頂部處傾斜達到L2=3.0 mm，舵銷圓柱段中點處傾斜為L3=2.135 mm，見圖9。

6.1 當舵銷軸承中心與舵桿的中心一致時(狀況2)

由于舵銷錐孔的傾斜，造成了舵銷頂部中心偏離舵桿中心線達L2=3.0 mm，且呈傾斜狀態。為了消除或抵消此傾斜數據 (L2=3.0 mm)，使得舵銷不與軸承摩擦，則需將舵銷軸承的運轉總間隙達到至少6.0 mm以上，才能使舵銷在轉舵過程中不與軸承發生干涉。

即軸承的內孔直徑為:D2= (d/2+L2+δCmin)×2= (775/2+3.0+ δCmin) ×2。

1)如果最小間隙δCmin=0.25 mm，軸承直徑為781.5 mm，總間隙為6.5 mm。

2)如果最小間隙δCmin=0.5 mm，軸承直徑為782 mm，總間隙為7 mm。

3)如果最小間隙δCmin=1.0 mm，軸承直徑為783 mm，總間隙為8 mm。

則此狀況下的總間隙即使在最小間隙為0的狀態下，也已達到或接近船檢所規定的建議換新的間隙值，所以此方案不可取。

圖9 舵銷傾斜數據示意圖

6.2 當舵銷軸承中心與舵桿的中心有偏心，且舵角偏轉35°時 (狀況3)

由于軸承是固定的，并設定為偏心安裝，即與舵桿中心的偏心值為L3=2.135 mm，方位為后偏左51°，舵銷傾斜造成的舵銷頂部偏離中心達L2=3.0 mm。如果舵銷旋轉以后，因舵銷的轉動中心與舵桿一致，而舵銷頂部則受到傾斜的影響，使得舵銷的中心與軸承的中心在偏移方位和偏移量產生了變化，即軸承的內孔直徑計算公式為:

所以，D3=(d/2+δ1+ δCmin) ×2=(775/2+1.75+δCmin) ×2。

如果最小間隙δCmin=0.25 mm，則軸承直徑為779.0 mm，總間隙為4.0 mm。

如果最小間隙δCmin=0.50 mm，則軸承直徑為779.5 mm，總間隙為4.5 mm。

如果最小間隙δCmin=0.75 mm，則軸承直徑為780.0 mm，總間隙為5.0 mm。

因此，當最小間隙為0.25 mm的狀態下，總間隙為4.0 mm，雖然大于設計所要求的1.8 mm。但至少未達到建議換新的尺寸范圍。

7 結束語

當舵系設備發生意外事故后，除了根據船舶行業修理標準CB/T 3428-2013《船舶舵系修理中心線定位及校中技術要求》，檢查固定部件和運動部件的同軸度偏差外，同時建議增加本文所述的傾斜狀況檢查，即檢查舵葉的舵銷錐孔的傾斜變形情況，并根據線性比例關系進行計算，以及時發現變形量因線性放大而使舵銷超出安裝間隙甚至發生干涉。

一旦發現舵銷安裝錐孔有傾斜變形，則可根據舵銷、錐孔等的幾何尺寸關系作進一步的分析和計算，如本文所述的2種狀況 (狀況2和狀況3)，并將計算出的內徑與相應的船級社規范進行對比，以便確定是對錐孔作校正修理，重新加工和拂配舵銷和錐孔，還是根據變形狀況經適當調整后對舵銷軸承內孔進行計算和加工。

［1］金偉國，張信祥.船舶鉗工［M］.北京:國防工業出版社，2008.

［2］CB/T 3428—2013，船舶舵系修理中心線定位及校中技術要求 ［S］.

Based on the deformation of the rudder and the tilt of pintle taped hole，the trace of pintle moving is analyzed，the method and items during the design and fitting of pintle bush are put forward as well.

rudder;tilt;pintle;bush

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.04.003

辛黎明 (1965-)，男，上海人，高級工程師，大學本科，主要從事船舶輪機修理工作。

2014-10-31