一體化舵槳系統(tǒng)安裝研究

王忠強(qiáng)， 趙志華， 姜志強(qiáng)

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司 LNG技術(shù)研究所， 上海 200129)

0 引 言

對(duì)標(biāo)國(guó)際造船，韓國(guó)主流船廠(chǎng)已實(shí)現(xiàn)在分段階段安裝完成軸系和舵系，能有效縮短船塢建造周期10～15 d。圖1為韓國(guó)某船廠(chǎng)的軸系和舵系安裝場(chǎng)景。

圖1 韓國(guó)某船廠(chǎng)的軸、舵系安裝場(chǎng)景

反觀(guān)國(guó)內(nèi)船廠(chǎng)，目前還很難做到在分段階段安裝軸系和舵系，通常是在艉部區(qū)域整體搭載合攏之后再進(jìn)行舵系和軸系安裝。國(guó)內(nèi)船廠(chǎng)的顧慮是在總組搭載階段，由于船體結(jié)構(gòu)的焊接變形/塢墩受壓變形和自重變形,可能會(huì)造成舵系和軸系的裝配超出公差范圍，引發(fā)嚴(yán)重的返工后果，報(bào)廢尾管重新鏜孔安裝軸系或報(bào)廢舵桿筒重新定位和安裝舵系。若要在分段階段實(shí)現(xiàn)舵系和軸系安裝，需要進(jìn)行大量的理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)積累分析，對(duì)艉部結(jié)構(gòu)搭載引起的焊接變形影響、塢墩受壓變形影響和自重變形影響等進(jìn)行分析之后,在分段階段預(yù)設(shè)反變形。韓國(guó)造船業(yè)前期積累了大量數(shù)據(jù)，各大船廠(chǎng)進(jìn)行過(guò)技術(shù)研究和探討，且針對(duì)這些技術(shù)制定了相應(yīng)的工藝規(guī)范和校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)了實(shí)踐檢驗(yàn)，獲得了船東和船檢的認(rèn)可。國(guó)內(nèi)船企在這些方面還有待進(jìn)一步學(xué)習(xí)、研究和實(shí)踐。

1 研究目的

本文以滬東中華造船(集團(tuán))有限公司建造的45 000載重噸集滾船為例，對(duì)舵系和軸系在分段階段安裝的技術(shù)進(jìn)行研究，以期實(shí)現(xiàn)軸系和舵系預(yù)裝，從而達(dá)到該領(lǐng)域的先進(jìn)水平，有效縮短船塢周期。由于該船采用了先進(jìn)的一體化舵槳系統(tǒng)，因此對(duì)其舵槳安裝的研究可覆蓋以下數(shù)項(xiàng)常規(guī)舵槳系統(tǒng)安裝的研究：分析舵桿筒在分段階段預(yù)裝的精度控制，確保舵系的實(shí)際中心線(xiàn)與理論中心線(xiàn)的偏差在允許的公差范圍內(nèi)；分析軸系在分段階段預(yù)裝的精度控制，確保軸系的實(shí)際中心線(xiàn)與理論中心線(xiàn)的偏差在允許的公差范圍內(nèi)；分析舵桿筒所處總段和軸系所處總段搭載的精度控制，確保舵系與軸系的裝配偏差在允許的公差范圍內(nèi)；分析舵機(jī)安裝墊片的精度控制，確保舵球中心線(xiàn)與軸系中心線(xiàn)之間的高度偏差在允許的公差范圍內(nèi)。

2 一體化舵槳系統(tǒng)簡(jiǎn)介

一體化舵槳系統(tǒng)由具有全懸掛、扭曲、帶有舵球等特性的高效舵和帶有凹球面槳帽的螺旋槳組成，可實(shí)現(xiàn)船舶推進(jìn)的高效性和節(jié)能性,其布置示意見(jiàn)圖2。

注:2為舵機(jī)平臺(tái);3為舵桿筒頂板;4為舵桿筒;11為假舵;12為艉軸；13為槳轂；14為槳葉；15為槳帽；16為舵球;17為舵機(jī);18為舵葉;19為舵機(jī)基座;H1為舵球中心線(xiàn)距基線(xiàn)的高度；H2為軸系中心線(xiàn)距基線(xiàn)的高度;L1為舵系中心線(xiàn)；L2為基線(xiàn)；L3為舵球中心線(xiàn)；L4為螺旋槳中心線(xiàn)；L5為槳轂首端面

一體化舵槳系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 采用全懸掛舵，有效增大舵的可動(dòng)部分，從而在滿(mǎn)足船舶操縱性要求的條件下，減少舵面積，節(jié)省約30%的舵系重量，進(jìn)而降低空船重量。

2) 當(dāng)螺旋槳在獲得推力的同時(shí)帶動(dòng)水流旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺旋槳總能量的15%～30%會(huì)以動(dòng)能的形式殘留在艉流場(chǎng)。舵與槳的艉流場(chǎng)更充分地配合，可消化部分艉流場(chǎng)的殘留能量，因此可提高船的推進(jìn)效率，從而節(jié)省2%～3%的燃料。

3) 扭曲舵的線(xiàn)型能有效降低水流在舵葉導(dǎo)緣處的速度損失，使螺旋槳艉部的水流能更加順暢地通過(guò)舵葉表面，減少壓力損失，從而使流體內(nèi)的空泡能順利通過(guò)舵葉，有效避免空泡腐蝕。

3 一體化舵槳系統(tǒng)安裝精度

一體化舵槳系統(tǒng)的安裝精度要求：

1) 舵系中心線(xiàn)L1與軸系中心線(xiàn)L4的相交偏差控制在±4 mm以?xún)?nèi)[3]；

2) 舵球中心線(xiàn)H1與螺旋槳中心線(xiàn)H2的高度差控制在|H1-H2|≤4 mm；

3) 舵球前端面與槳帽后端面的距離Δ控制在20 mm±1 mm。

4 艉部總組搭載的變形分析

艉部總組搭載過(guò)程中的變形主要是焊接變形、塢墩受壓變形和結(jié)構(gòu)自重變形等3個(gè)因素綜合作用的結(jié)果，據(jù)此對(duì)艉部總組搭載變形作以下分析和預(yù)測(cè)。

4.1 焊接變形

根據(jù)船廠(chǎng)的建造工藝和精度數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)總組搭載焊接收縮變形，加放焊接收縮變形的余量，為軸系總段EB01Z的搭載精度控制提供數(shù)據(jù)參考。在采用總組形式搭載時(shí)，艉部分段的艏端環(huán)縫和底部對(duì)接焊縫需要焊接，在嚴(yán)格保證對(duì)稱(chēng)焊接的前提下，由焊接引起的收縮變形為3～5 mm[5]，因此建議提前放置+5 mm的反變形量,以抵消焊接引起的收縮影響。此外，韓國(guó)船廠(chǎng)的無(wú)余量裝配技術(shù)和自動(dòng)焊接機(jī)器人的大規(guī)模應(yīng)用良好地保證了裝配質(zhì)量,最大程度地控制了焊接收縮變形。反觀(guān)國(guó)內(nèi)船廠(chǎng),其自動(dòng)化焊接仍處在初級(jí)的局部應(yīng)用階段，存在大量的手工焊接，焊接收縮影響比較明顯。

4.2 塢墩受壓變形

根據(jù)船廠(chǎng)建造經(jīng)驗(yàn)和船塢的塢墩實(shí)際布置情況，由于艉部無(wú)法布置較多的塢墩，在總組搭載時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的變形量。對(duì)于塢墩受壓變形,可參照主尺度和船重相近的船舶建造經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，結(jié)果較為準(zhǔn)確。同時(shí),結(jié)合有限元分析，在受壓比較明顯的區(qū)域選用鋼質(zhì)塢墩，可近似忽略鋼質(zhì)塢墩的受壓變形，因而可僅考慮塢墩枕木的受壓變形為6～9 mm[6]。

4.3 結(jié)構(gòu)自重變形

結(jié)構(gòu)自重變形可通過(guò)配合有限元等專(zhuān)業(yè)計(jì)算分析軟件進(jìn)行建模計(jì)算，以預(yù)測(cè)變形結(jié)果。通過(guò)對(duì)艉部總段的下沉量進(jìn)行有限元分析，結(jié)合船舶建造方面的經(jīng)驗(yàn)積累，為舵桿筒總段AB01Z的搭載精度控制提供依據(jù)，艉部總段搭載時(shí)加放反下沉量。

綜上分析:在艉部總組搭載時(shí)，考慮放置+15 mm的反變形量,以抵消焊接和下沉變形的影響;在艏部總組搭載時(shí),考慮放置+5 mm的反變形量,以抵消焊接引起的收縮影響。

5 一體化舵槳系統(tǒng)安裝

整個(gè)一體化舵槳系統(tǒng)安裝過(guò)程主要分為5步,即:舵桿筒分段預(yù)裝;軸系和螺旋槳分段預(yù)裝;艉部總組搭載;舵葉安裝;槳帽安裝。

5.1 舵桿筒分段預(yù)裝

1) 對(duì)舵桿筒分段AB01C進(jìn)行調(diào)平，依次調(diào)節(jié)舵機(jī)平臺(tái)和舵桿筒頂板的水平度。

2) 在舵桿筒分段上測(cè)得理論舵系中心線(xiàn)L1，并將其投影到水平基線(xiàn)L2上。

3) 在吊裝舵桿筒過(guò)程中，采用全站儀測(cè)量舵機(jī)平臺(tái)的整體水平度，并實(shí)時(shí)調(diào)整。

4) 在舵桿筒裝配結(jié)束之后，對(duì)舵桿筒與船體結(jié)構(gòu)之間的連接加強(qiáng)進(jìn)行有序焊接。

在該舵槳系統(tǒng)中，舵桿筒的圓筒壁上共有8根加強(qiáng)筋。舵桿筒與船體結(jié)構(gòu)之間的焊接(見(jiàn)圖3)按步驟[5]有序推進(jìn),依次對(duì)下述加強(qiáng)筋每2根實(shí)施同時(shí)對(duì)稱(chēng)焊接:No.1和No.2加強(qiáng)筋;No.3和No.4加強(qiáng)筋;No.5和No.6加強(qiáng)筋;No.7和No.8加強(qiáng)筋。

圖3 舵桿筒與船體結(jié)構(gòu)之間連接筋板的焊接順序

5) 對(duì)舵桿筒頂板與船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接，在舵桿筒頂板上以舵桿筒所在的圓心為中心做十字交叉線(xiàn)，該十字交叉線(xiàn)與舵桿筒的外緣會(huì)相交于X點(diǎn)、Y點(diǎn)、M點(diǎn)和N點(diǎn)(見(jiàn)圖4)，焊接順序要求如下依次實(shí)施:從X點(diǎn)逆時(shí)針?lè)较蚝附又罽點(diǎn);從M點(diǎn)順時(shí)針?lè)较蚝附又罽點(diǎn);從N點(diǎn)逆時(shí)針?lè)较蚝附又罼點(diǎn);從N點(diǎn)順時(shí)針?lè)较蚝附又罬點(diǎn)。

圖4 舵桿筒頂板與船體結(jié)構(gòu)之間圓周角焊縫示意

5.2 軸系和螺旋槳分段預(yù)裝

1) 軸系拉線(xiàn):采用拉鋼絲線(xiàn)的方法初步測(cè)定軸系的理論中心線(xiàn)。

2) 軸系照光:采用激光照射的方法精確測(cè)定軸系的理論中心線(xiàn)。

3) 軸系鏜孔：通過(guò)鏜排加工軸系的理論中心線(xiàn)。

4) 安裝軸系中的艉軸、槳轂和槳葉。

在上述軸系安裝過(guò)程中,應(yīng)注意以下精度控制：

1) 控制軸系中心線(xiàn)L4與船體中心線(xiàn)的偏差在±4 mm之內(nèi)[3];

2) 控制軸系中心線(xiàn)與水平基線(xiàn)的垂直距離H2，使得H2的實(shí)際值與理論值的偏差小于等于4 mm；

3) 適時(shí)監(jiān)測(cè)槳轂首端面在船長(zhǎng)方向的位置，確保實(shí)際值與理論值的偏差在-8～20 mm范圍內(nèi)。

5.3 艉部總組搭載

1) 根據(jù)艉部總組搭載變形的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，在艉部總段搭載階段放置反變形量，并做好數(shù)據(jù)記錄，以便在搭載完成之后進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量分析;

2) 對(duì)舵桿筒所處分段AB01C與AB01P和AB01S進(jìn)行搭載總組，形成舵桿筒總段AB01Z，將舵系實(shí)際中心線(xiàn)與理論中心線(xiàn)的偏差控制在許可范圍內(nèi)(±4 mm);

3) 在舵桿筒總段AB01Z進(jìn)塢搭載過(guò)程中，在嚴(yán)格保證施工工序和焊接順序的前提下，加放反下沉量和艏端焊接收縮量,保證舵系實(shí)際中心線(xiàn)與理論中心線(xiàn)的偏差控制在許可范圍內(nèi)(±4 mm);

4) 將軸系總段進(jìn)塢搭載，為有效控制軸系總段的搭載精度，在嚴(yán)格保證對(duì)稱(chēng)焊接的前提下，加放焊接收縮變形量，同時(shí)做好數(shù)據(jù)記錄，焊接完成之后實(shí)測(cè)收縮量;

5) 在搭載過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量艉部實(shí)際下沉數(shù)據(jù)和焊接引起的變形，為舵球中心線(xiàn)L3和軸系中心線(xiàn)L4的高度定位提供依據(jù)。

5.4 舵葉安裝

1) 在船塢內(nèi)用液壓車(chē)將舵葉移動(dòng)至舵桿筒的正下方;

2) 將舵桿從上而下經(jīng)舵桿筒吊裝插入舵葉中;

3) 液壓緊配舵桿和舵葉;

4) 操作液壓車(chē)，調(diào)整舵葉的高度,使|H1-H2|≤4 mm;

5) 測(cè)量舵機(jī)與舵機(jī)基座的間距，從而確定舵機(jī)安裝墊片的厚度;

6) 測(cè)量舵葉上表面與假舵下表面之間的間隙;

7) 根據(jù)測(cè)得的間隙數(shù)據(jù)加工舵葉止跳塊;

8) 安裝止跳塊。

5.5 槳帽安裝

1) 測(cè)量螺旋槳的槳帽尾面與舵葉上的舵球首面之間的距離Δ;

2) 根據(jù)實(shí)測(cè)的Δ機(jī)加工槳帽的調(diào)節(jié)墊圈，保證Δ的誤差在±1 mm以?xún)?nèi);

3) 安裝槳帽。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)一體化舵槳系統(tǒng)安裝過(guò)程的精度要求、總組搭載變形、施工工序和相應(yīng)的精度控制等進(jìn)行研究，確保滿(mǎn)足舵槳匹配的高精度技術(shù)要求,為施工生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)，從而方便船廠(chǎng)在實(shí)際施工過(guò)程中采取預(yù)防舉措,實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過(guò)程的適時(shí)控制，同時(shí)為國(guó)內(nèi)造船實(shí)現(xiàn)舵系和軸系在分段階段的完全預(yù)裝提供技術(shù)參考，以期達(dá)到國(guó)際造船先進(jìn)水平。