某船支承管式懸掛舵舵葉掉落原因分析及改進

摘? ? 要：本文以某船支承管式懸掛舵舵葉掉落為例，分析舵葉掉落的原因，提出優化改進方案，有效提高舵密封裝置的密封性和鎖緊裝置的可靠性，減少海水滲入，為同類型舵裝置的設計提供參考。

關鍵詞：懸掛舵；密封裝置；鎖緊裝置

中圖分類號：U664.36 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Analysis on Causes of the Fall of Support Tube Hanging Rudder Blade Aboard and Improve the Installation

CHEN Change

（ Hudong-Zhonghua Shipbuilding （group） Co.， Ltd.， Shanghai 200129 ）

Abstract： This article takes the phenomenon of the falling rudder blade of a support tube hanging rudder of a ship as an example， analyzes the causes of the phenomenon of rudder blade drop， and puts forward the optimization solution， which can effectively improve the sealing performance of the rudder seal device and the reliability of the locking device， reduce the seawater infiltration， and provide reference for the design of the same type of rudder device.

Key words： Hanging Rudder; Sealing Device; Locking Device

1? ? ?前言

某船在開闊海域航行時，發現船未按照預定方向行駛，舵效差而無法正常航行。拖輪將該船拖帶至碼頭后，經潛水員下潛檢查發現左舷舵葉丟失，而在此航行期間船并未觸底或與其他船碰撞。船舶航行時舵葉丟失的事故偶有發生，一般需拖帶至碼頭后進塢修理，對船舶的經濟性有較大影響。本文通過對某型船左舵舵葉掉落的原因分析，提出預防此類事故的優化改進方案，為避免同類型舵發生此類事故提供參考。

2? ? 支承管式懸掛舵組成

該船采用四機雙槳雙舵的推進模式，螺旋槳后方設置有兩套支承管式懸掛舵。該舵由舵葉、舵桿、舵承、舵柄、舵桿接頭、支承管等組成，如圖1所示。舵的工作原理是：通過舵桿插入舵葉，采用鍵連接將舵桿的扭轉運動傳遞到舵葉結構，使舵葉產生轉動，轉動時舵上產生的水動力的合力在垂直于船體中心線的方向上的分力形成了轉船力矩，起到改變航向的作用。

懸掛舵通常設置在螺旋槳后方，其舵桿承受較大的彎矩，為使舵桿直徑減小，下舵承盡量安裝在接近船底處[1]。對于噸位較大、重量控制嚴格的船舶，通過設置支承管承擔舵桿彎矩，舵桿只承擔扭矩，從而減少舵裝置重量。

舵裝置作為船的重要附體，關系著整個船舶操縱性能的優劣，影響船舶的航向穩定性和回轉性。舵裝置處于螺旋槳后方，水文條件復雜，航行期間振動和沖擊較大，對其可靠性有較高的要求。

3? ? 舵葉掉落原因分析

該船進塢后進行了現場勘驗，勘驗結果如下：目測舵桿支承管位置及形狀無明顯變化，僅表面凹凸不平，舵桿上與舵葉連接的螺紋有銹跡但螺紋面未發現損壞；左舷舵葉及密封裝置、舵鎖緊裝置丟失，僅剩舵桿和支承管，底部的舵葉緊固螺栓對應的螺紋有銹跡但螺紋面未發現損壞；右舷舵葉外觀完好，除表面油漆脫落和銹蝕外，未發現其他問題；進一步檢查舵葉緊固螺栓，發現檢修孔蓋的密封橡膠圈已嚴重損壞，同時有大量水滴從螺栓上方涌入檢修孔內，孔內的潤滑黃油已變為黑褐色油水混合物，舵桿緊固螺栓未銹蝕損壞。

通過分析左舵、右舵的勘驗結果，初步判斷發生舵葉掉落現象有三個方面原因。

3.1? ?舵葉密封裝置失效

舵葉密封裝置布置在舵葉上方，是防止海水、泥沙進入舵葉、支承管和舵桿空腔的旋轉徑向Ο形密封結構。

該船舵葉密封裝置采用傳統的一道旋轉徑向Ο形密封型式（如圖2所示），由舵板壓環、Ο型密封圈組成，結構型式簡單，對頻繁變化的工況適應性差，密封件易出現老化、磨損等現象，密封效果隨著時間大大降低，嚴重時直接失效；密封裝置損壞后，海水、泥沙進入舵板軸承、舵葉空腔、舵桿與支承管間空腔，對舵桿、支承管及襯套、舵鎖緊裝置等形成腐蝕。

3.2? ?舵鎖緊裝置損壞

舵鎖緊裝置損壞造成舵葉與舵桿之間的連接脫離。舵鎖緊裝置是緊固舵葉與舵桿連接防止舵葉松動和掉落的一套結構件（如圖3所示），該裝置普遍采用止動塊與螺母或止動板焊接實現螺母的鎖緊。舵鎖緊裝置長期浸泡在海水與黃油的油水混合物中，使焊接的止動塊或止動板銹蝕斷裂，導致螺母松動，同時，舵裝置處于螺旋槳后方，是振動劇烈和水文環境較復雜的區域，這樣會加劇螺母松動脫落導致舵葉因重力脫離舵桿而掉落。

3.3? ?缺少定期維護保養和檢修

因為該船的舵是由船廠生產組裝的，在船舶塢修期間可能未納入維修項目中，忽略了對其水下部分的檢查、維護，舵葉相關的密封件在修理周期如有損壞而未及時更換，或被污染的黃油未清理、更換，在后期航行使用中，使舵裝置的鎖緊裝置腐蝕失效，導致舵脫落故障。

4? ? ?解決方案

4.1? ?改進密封裝置結構，提升舵葉密封性能

為解決水密問題，提高耐腐蝕、耐磨損性能，對現有的密封裝置進行改進：采用多級密封結構，從徑向、軸向兩個方向進行水密控制；不同部位選用不同形式的密封件，提高密封性能；選取合適的密封結構，保證密封件的壓緊量，達到密封效果；密封裝置結構件采用高強度、耐海水腐蝕的金屬材料，提高裝置的耐腐蝕性；從結構形式、材料、組合方式等方面提高水密性能，提升裝置耐腐蝕性，延長使用壽命。

（1）密封結構設計方案

本優化方案采用分體式結構形式，其布置圖如圖4所示；優化后的舵密封結構由安裝座板、密封座、密封圈座、密封壓蓋和密封組件五部分組成，如圖5所示；結構本體由安裝座板、密封座、密封壓蓋之間通過螺栓連接的方式進行組合，再使用螺釘與舵板軸承連接固定在舵葉上，舵裝置工作時舵葉繞舵桿支承管旋轉。

舵密封裝置各部分構成及作用如下：

安裝座板：用螺栓安裝在舵葉上軸承法蘭面上，用于密封座的安裝定位，并安裝一道聚醚型TPU非標密封圈；

① 密封座：用于安裝第一道高分子聚合物旋轉密封圈和密封圈座及Ο形密封圈；

② 密封圈座：安裝在密封座中，用于安裝第二道高分子聚合物旋轉密封圈；

③ 密封壓蓋：用于密封圈座的壓緊安裝，其上安裝有防塵圈和Ο形密封圈，起防泥砂作用；

④ 密封組件：由高分子聚合物旋轉密封圈、聚醚型TPU材質非標密封圈、防塵圈、Ο形密封圈等組成，用于舵葉的旋轉密封。

⑤ 舵密封裝置設計為多級密封結構，采用徑向和軸向組合密封方式，徑向布置四級密封，層層隔絕泥沙、海水，采用旋轉密封圈達到旋轉密封性能；軸向每個組合面設置1～2個密封件，有效提升組合面間的密封性能。

（2）密封組件選用方案

舵密封裝置需要在滿足舵密封要求前提下滿足水壓要求，適應工況頻繁變化的工作環境，并兼顧旋轉功能。通過收集相關密封資料，分析目前用于旋轉密封的各型組件，其中高分子聚合物旋轉格來圈密封件用于旋轉密封效果良好，能滿足本裝置工作條件，達到使用效果。故本方案使用高分子聚合物旋轉格來圈結合非標密封圈、防塵圈、Ο形密封圈形成多級密封形式的密封結構，強化密封性能，提高密封裝置的使用壽命。

如圖6所示：高分子聚合物旋轉密封圈結構，由一個佐康材質的密封圈和一個作為彈性施力元件的Ο形圈組成，密封圈的密封唇口輪廓是專為高壓低滑速應用而設計的，同時該密封件摩擦小、不粘滯、溝槽設計簡單、溝槽尺寸小、溫度適應范圍-30 ℃～+100 ℃、工作壓力最高可達40 MPa，滿足工作水壓要求，密封效果顯著。

（3）密封結構本體材質選用

目前舵密封裝置的鋼制零件通常采用不銹鋼材質，常用的304不銹鋼材質加工性差，同時強度不是很高。為解決密封結構的耐海水要求，通過對不同金屬材質性能的對比，1Cr13Mo材質具有良好的耐蝕性和機加工性能，同時具有較高的強度和韌性，可滿足舵密封裝置的加工要求和耐腐蝕要求，全面提高本體的使用壽命。

4.2? ?優化舵鎖緊裝置，提高維修性

目前使用的舵桿螺母鎖緊采用止動塊焊接，基本上實現了鎖緊防松功能，但是維修保養拆卸不方便，拆卸螺母需割除止動塊，螺母回裝鎖緊安裝需重新制作止動塊，浪費了大量人力、物力。為了改變上述不足，在設計合理防松結構的基礎上，提出了可拆卸重復使用的鎖緊型式。

優化的舵鎖緊裝置由主螺母、承壓墊圈、壓力螺栓和壓力片組成，在船舶舵葉與舵桿安裝到位后，安裝在舵桿的螺桿與承壓墊片之間用于舵葉的鎖緊，詳見圖7所示。

本裝置采用張緊螺母緊固的方式，通過壓緊螺栓和壓力片使主螺母達到目標預緊力，壓力片起到彈簧的作用，提高了螺栓連接的彈性，補償沉陷變形，保持預緊力，能很好的抵抗螺母的松脫。這種緊固方式的使用，使得螺母拆卸簡便并且可重復使用，易于安裝又方便拆卸，既保證舵桿鎖緊后的防松抗震質量，又實現后續維護時重復拆裝的功能，大大提升了可靠性和維修性。

5? ? 結語

通過對本船舵葉掉落原因的深入分析，優化改進了本舵密封裝置和鎖緊裝置。舵密封裝置設計為分體式多級旋轉密封形式，從密封結構、密封組件、密封件材質等方面進行優化改進，達到提高密封性能、提升耐腐蝕性、延長使用壽命的效果，從根源解決舵密封裝置滲水、易腐蝕等問題；同時，改進后的舵鎖緊裝置，通過振動試驗，防松和抗沖擊性能滿足所規定的技術指標和性能要求，具有簡便、快捷、可靠、安全、可重復利用的優點，鎖緊防松性能和經濟性優于國內現有船船舶舵螺母鎖緊結構，為同類型舵裝置設計提供參考。

參考文獻

[1] 中國造船工程學會，? 中國船舶工業集團公司，? 中國船舶重工集團公司.船舶設計實用手冊（第3版）舾裝分冊[M].北京：國防工業出版社，? 2013.

作者簡介：陳嫦娥（1985-），女，工程師。主要從事船舶總體設計工作。

收稿日期：2023-04-13