船舶下舵承間隙及結構問題分析與對策

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(武漢南華高速船舶工程股份有限公司，武漢 430064)

船舶下舵承及其密封裝置位于螺旋槳尾流的高壓區(qū)，受到尾流的沖擊，其性能對舵裝置的功能和船舶安全密切相關。對于水密下舵承，內(nèi)河船舶一般采用船舶行業(yè)標準《內(nèi)河船下舵承》(CB*3146—83)B型產(chǎn)品[1]。見圖1。

圖1 CB*3146—83標準B型下舵承示意

如果下舵承間隙太大，會導致密封失效，水進入舵套筒油腔，致使?jié)櫥椭榛?，影響潤滑性能；未采用舵套筒形式，水還會進入舵機艙，影響船舶安全。如果采用船舶行業(yè)標準《滑動水密下舵承》(CB*790—87)[2]，見圖2。間隙太大，也會出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

圖2 CB*790—87標準A型水密下舵承示意

公司最先使用該兩型下舵承的船舶，均不同程度地出現(xiàn)上述情況。在航運業(yè)，船舶營運中這種現(xiàn)象也屢見不鮮[3]。

CB*790—87標準型下舵承，無論是A型還是B型，其襯套是從上端拆裝，襯套上端再設置密封裝置及壓蓋。按照標準規(guī)定的結構尺寸，下舵承本體高度較小，該高度范圍內(nèi)，除與船底板焊接外，還應與縱橫結構或大肘板焊接，以保證舵裝置結構的穩(wěn)定性。在有限的下舵承本體高度范圍內(nèi)，為了保留襯套和密封裝置的拆裝空間，就必須減小結構或肘板與下舵承本體的焊接長度。如此，強度和穩(wěn)定性則下降。

1 下舵承間隙分析

船舶設計時必須滿足規(guī)范要求，如《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2012)中第2篇第3章第1節(jié)3.1.13.3條規(guī)定如下[4]。

金屬軸承(即本文舵承，以下同)的徑向間隙δ應不小于按下式計算所得之值。

(1)

式中：d——支承面直徑，mm。

徑向間隙值可以根據(jù)CCS接受的標準確定。如采用非金屬軸承，軸承的徑向間隙應考慮材料的膨脹和熱膨脹性予以專門確定。無論如何該間隙應不小于1.5 mm。

按照上述規(guī)范自然段的劃分，應該理解為：對于金屬軸承，徑向間隙值按式(1)進行計算，也可以按CCS接受的標準確定；對于非金屬軸承按專門規(guī)定。但都不得小于1.5 mm。

按CCS規(guī)范規(guī)定，分別以支承面直徑80 mm和200 mm為例，兩種規(guī)格的舵桿與襯套之間計算最小間隙分別為1.08和1.20 mm。

按規(guī)范“無論如何該間隙應不小于1.5 mm”的要求，至少應取1.5 mm。

在出現(xiàn)密封失效現(xiàn)象后，對照CB*3146—83和CB*790—87下舵承標準中規(guī)定的配合特性及GB/T 1800.2—2009《產(chǎn)品幾何技術規(guī)范(GPS) 極限與配合第2部分：將標準公差等級和孔、軸極限偏差表》規(guī)定的極限間隙與規(guī)范要求進行對比分析。

表1 舵桿與襯套極限間隙 mm

前后對比，對于小直徑舵裝置而言，標準規(guī)定的間隙約為規(guī)范要求的1/4到1/3。

在CB*3146—83標準中，直徑最大320 mm，在CB*790—87標準中，直徑最大500 mm[2]，即使按照GB/T 1800.2—2009中列出的最大直徑500 mm，其對應下舵承最大間隙見表2。

表2 GB/T 1800.2—2009所列最大直徑(500 mm)對應下舵承極限間隙 mm

根據(jù)表2，CB*3146—83和CB*790—87兩個標準確定的舵桿與襯套最大間隙即使在支承面直徑達500 mm時也小于1.5 mm，按式(1)的規(guī)范公式計算支承面直徑達500 mm時的最小間隙才達到1.5 mm。

小直徑舵裝置中水密下舵承的標準間隙與規(guī)范要求相差太大，完全按規(guī)范要求加工和安裝，密封性能將偏弱甚至密封失效，導致油腔進水。

為了解決該問題，設計時將下舵承在CB*3146—83和CB*790—87標準型產(chǎn)品基礎上進行改進：舵承極限間隙按標準規(guī)定的上限進行設計和加工，或僅按照CCS規(guī)范中對金屬軸承的間隙要求進行設計和加工；保持原有“J”型密封圈或密封環(huán)及壓蓋不變，再在其下增加一道跟隨性更好的“O”密封圈及壓蓋。

改型下舵承及密封裝置投入使用后收到了良好的效果，該公司后續(xù)自行設計并建造的船舶，均采用的是改型產(chǎn)品。生產(chǎn)廠家為了區(qū)別標準產(chǎn)品，在向本公司提供改型產(chǎn)品時，在產(chǎn)品標記前均注明“特”字以示區(qū)別，如直徑200的改型CB*3146—83標準B型下舵承，其標記為：特B200 CB*3146—83。

實踐證明，以上標準規(guī)定的配合特性，由其產(chǎn)生的極限間隙要求是合理的，能夠滿足船廠施工和舵裝置運行要求，能夠保證船舶建造質(zhì)量和營運安全。但這種改型產(chǎn)品由于不能滿足CCS現(xiàn)行規(guī)范的要求，一般只能單獨報審圖部門或規(guī)范部門特別批準，否則，現(xiàn)場驗船師對安裝后的舵承間隙將不予認可。

重新審視CCS規(guī)范對舵承間隙的規(guī)定，其分為兩個自然段，第一段闡述了對金屬軸承的要求，第二段分為3個句子：一為“徑向間隙值可以根據(jù)CCS接受的標準確定”的表述;二為對非金屬軸承的表述;三為“無論如何該間隙應不小于1.5 mm”。按照語言的邏輯關系，一般應理解為金屬和非金屬軸承“無論如何該間隙應不小于1.5 mm”。

CB標準作為我國“全國船舶標準化技術委員會專業(yè)標準”確實是CCS所接受的標準，但是CB*3146—83和CB*790—87標準中的襯套(即CCS規(guī)范所述的軸承)的材料分別為“鑄造黃銅合金”和“鑄鋁青銅”，其實際極限間隙范圍，至少直到支承面直徑500 mm，仍然與CCS規(guī)范規(guī)定的金屬軸承間隙有很大差異，與“無論如何該間隙應不小于1.5 mm”的規(guī)定更無重疊區(qū)間，則按規(guī)范要求只能取大者。實踐證明，規(guī)范的這種規(guī)定，對于直徑越小的應用場合，因與標準規(guī)定的差距越大，則越不利。

對比其它規(guī)范，如GL規(guī)范《Rules for Classification and Construction》(2012)的第1部分第1章第14節(jié)E.6和ABS規(guī)范《Rules for Building and Classing Steel Vessels》(2008)的第3部分第2章第14節(jié)17.1.2，對金屬和非金屬的舵承間隙規(guī)定，除CCS補充的“徑向間隙值可以根據(jù)CCS接受的標準確定”外，含義與CCS規(guī)范相同[6-7]；而DNV規(guī)范《Rules for Classification of Ship》(2014)第3篇第3章第2節(jié)G.405、ABS規(guī)范《Rules for Building and Classing Steel Vessels》(2014)的第3部分第2章第14節(jié)15.1.2、LR規(guī)范《Rules and Regulations for the Classification of Ships》(2011)的第3部分第13章第2節(jié)2.4.8及其對應的表13.2.6和BV規(guī)范《Rules for the Classification of Steel Ships》(2011)的第B部分第10章第1節(jié)6.2.4，對金屬和非金屬的舵承間隙是分別規(guī)定的，內(nèi)容與CCS規(guī)范基本相同，但對于不小于1.5 mm的要求專門指出只針對非金屬舵承[8-11]。其中，ABS規(guī)范2008版的規(guī)定未將金屬和非金屬的舵承間隙區(qū)別對待，但2014年版已經(jīng)修訂為分開規(guī)定了。

CB*3146—83和CB*790—87標準中規(guī)定的配合特性和極限偏差，其對應的標準為GB/T 1800.2-2009，該標準等效采用國際標準組織的標準ISO 286-2:1988 《ISO system of limits and fits. Part 2: Tables of standard tolerance grades and limit deviations for holes and shafts》。

綜上所述，即使拋開“最小1.5 mm”的要求是否應針對于金屬材料舵承，僅各國船級社對金屬材料舵承間隙的規(guī)定與國際行業(yè)標準的差異這一共同現(xiàn)象，要最終解決這一問題就不是一件簡單的事情。然而，該類船舶行業(yè)標準基于機械標準，作為下舵承所處的較一般機械裝置更為惡劣的工作環(huán)境，且承擔著船舶操縱及水密安全性這一重任，規(guī)范關于間隙規(guī)定的適應性，特別是對于小尺度船舶裝配小直徑舵承的適應性，應進一步細化相應規(guī)范條款。

2 下舵承結構分析

在進行海船設計時，一般都選用《滑動水密下舵承》(CB*790—87)標準型產(chǎn)品，而不能選用《內(nèi)河船下舵承》(CB*3146—83)標準型產(chǎn)品。在設計時和安裝、焊接施工過程中發(fā)現(xiàn)， CB*790—87標準型下舵承有兩個缺點：①舵承本體高度偏??；②舵承襯套、膠質(zhì)密封環(huán)、分油圈及壓蓋由上方拆裝。

下舵承的舵承本體除與船底板焊接外，還應與結構或肘板焊接，以加強和提高穩(wěn)定性。表3為CB*790—87標準A型水密下舵承表1部分數(shù)據(jù)。

表3 CB*790—87標準A型水密下舵承表1局部

其中，尤其以小直徑應用場合更為困難，如直徑260 mm的下舵承，其總高僅448 mm，除了上下壓蓋、船殼板厚度以及伸出船殼板下的焊接部分外，余下的高度不到400 mm。而一般該區(qū)域的結構都比較強，縱橫結構或肘板的高度都遠大于該部分舵承本體的高度。為了保證襯套等從上方拆裝方便，必須將結構削斜過渡，影響了結構局部強度和剛度。而要保證結構的高度，襯套等從上方拆裝就難以實現(xiàn)，兩者兼顧，則該區(qū)域結構形式復雜，裝配、焊接及后期除銹、油漆等施工困難，質(zhì)量難以保證。一般在船舶設計、選型和審圖時往往忽略了該工藝性問題，導致船舶建造和檢驗時面臨困難。

為了解決該問題，一般情況下，公司均與船東協(xié)商采用參照CB*3146—83標準改型的下舵承，即將標準定義為“內(nèi)河船”用的產(chǎn)品用在了海船上。因為CB*3146—83標準型下舵承的襯套、密封元件和壓蓋等是從船殼板外由下向上安裝，則下舵承本體與結構的裝配與焊接均不影響下舵承元件的拆裝。

改型CB*3146—83型下舵承，各部件采用與CB*790—87標準相同的材料，其結構形式可以參照CB*3146—83標準B型下舵承，但本體高度按照該區(qū)域結構設計要求確定，也可以參照CB*3146—83標準A型非水密下舵承結構形式，在水密的或非水密的下舵承本體與上舵承安裝平臺之間焊接一段無縫鋼管，或稱舵套筒，外部采用肘板與縱橫結構連接。這兩種結構形式強度高、穩(wěn)定性好、各工種施工均很方便。圖3為某海船采用參照CB*3146—83改型的下舵承應用實例，其采用了混合CB*790—87標準A和B兩種形式的設計。

圖3 參照CB*3146—83標準改型的海船下舵承示意

這種參照CB*3146—83標準改型的海船用下舵承，由于其材料要求與CB*790—87標準相同，則與前述的改型產(chǎn)品不同，不能簡單地在標準型產(chǎn)品的基礎上采用增加簡單元件來實現(xiàn)，無法在標準件廠家直接采購，而是必須單獨設計，并提交該裝置和相應部件圖紙到船級社審圖部門審批，然后由船廠自制或向?qū)I(yè)廠家訂制。除本公司自行設計的船舶以外，公司承建的由其它設計公司設計的船舶，也基本采取類似的處理方案。

3 結論

規(guī)范和標準作為產(chǎn)品設計、制造和檢驗的依據(jù)，在行業(yè)中具有權威性。同時，隨著行業(yè)的發(fā)展，規(guī)范和標準也在不斷地完善和更新。鑒于船舶下舵承所承擔的關鍵性作用，本文針對相應規(guī)范和標準的規(guī)定在實際使用中所出現(xiàn)的問題提出解決方案，實踐證明該方案可行，希望為規(guī)范和標準的發(fā)展提供新的案例，并在規(guī)范和標準更新時能夠予以考慮。

[1] 全國船舶標準化技術委員會.CB*3146—83內(nèi)河船下舵承[S].1983.

[2] 全國船舶標準化技術委員會.CB*790—87滑動水密下舵承[S].1987.

[3] 趙立震，張 慶，黃亞明.某型散貨船下舵承漏水原因及優(yōu)化改進措施[J].中國修船,2012.6:12-14.

[4] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2012.

[5] 中國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T1800.2—2009產(chǎn)品幾何技術規(guī)范(GPS)極限與配合第2部分:標準公差等級和孔、軸極限偏差表[S].北京：中國標準出版社，2009.

[6] 德國勞氏船級社GL.Rules for Classification and Construction[S].2012.

[7] 美國船級社ABS.Rules for Building and Classing Steel Vessels[S].2008.

[8] 挪威船級社DNV.Rules for Classification of Ship[S].2014.

[9] 美國船級社ABS.Rules for Building and Classing Steel Vessels[S].2014.

[10] 英國勞氏船級社LR.Rules and Regulations for the Classification of Ships[S].2011.

[11] 法國船級社BV.Rules for the Classification of Steel Ships[S].2011.