超大型液化氣船轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)選用分析

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

隨著船舶設(shè)計(jì)和配套發(fā)展水平提高，船舶設(shè)備選型愈加著重考慮設(shè)備集成性強(qiáng)、安裝簡便、布局緊湊、成本低廉等要素?，F(xiàn)代大型船舶廣泛使用電動(dòng)液壓型舵機(jī)作為操舵裝置，由于轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)產(chǎn)生的時(shí)間比較晚，大型轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)生產(chǎn)廠商少，且早期成本較高，船東接受度較低，故柱塞式電動(dòng)液壓舵機(jī)是現(xiàn)代大型船舶上主流配置。轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)經(jīng)過多年發(fā)展，本身性能和成本都大為改善。結(jié)合85 000 m3超大型液化氣船舵機(jī)選型實(shí)例，介紹轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)技術(shù)特點(diǎn)，布置設(shè)計(jì)要求，對(duì)比柱塞式舵機(jī)選用方案和轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)選用方案，為類似開發(fā)項(xiàng)目舵機(jī)選用提供參考。

1 相關(guān)的規(guī)范規(guī)定

SOLAS對(duì)VLGC操舵裝置有明確規(guī)定，對(duì)貨船從功能配置基本要求如下[1]。

1)船舶一般應(yīng)配備2個(gè)獨(dú)立和分開的動(dòng)力執(zhí)行系統(tǒng)。

2)每個(gè)動(dòng)力執(zhí)行系統(tǒng)均具有足夠的強(qiáng)度并能在船舶最大航海吃水和最大營運(yùn)前進(jìn)航速時(shí)進(jìn)行操舵，使舵自任一舷的 35°，轉(zhuǎn)至另一舷的 35°，并且于相同條件下自一舷的 35°轉(zhuǎn)至另一舷的 30°所需時(shí)間不超過 28 s。

3)各個(gè)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)舵系統(tǒng)應(yīng)相互連接，任一系統(tǒng)中液壓流體喪失時(shí)應(yīng)能被發(fā)現(xiàn)，以及有缺陷的系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)隔離，以使其他動(dòng)力轉(zhuǎn)舵系統(tǒng)保持安全運(yùn)行。

按照以上規(guī)定，船舶在進(jìn)行操舵裝置選型時(shí)，首先依據(jù)的是船舶的類型分類及船舶噸位的大小。按船舶類型大小確定規(guī)范技術(shù)要求后，操舵裝置的選擇實(shí)質(zhì)上是舵機(jī)的選擇，對(duì)舵機(jī)型式及其轉(zhuǎn)矩的確定[2]。舵機(jī)轉(zhuǎn)矩可以依據(jù)舵系布置按規(guī)范流程計(jì)算。柱塞式舵機(jī)和轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)均為成熟產(chǎn)品，廠家提供產(chǎn)品都能滿足設(shè)計(jì)技術(shù)需要，對(duì)其具體舵機(jī)型式的選擇需從性能，安裝，成本等綜合考慮。

2 特性對(duì)比

柱塞式舵機(jī)和轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)均屬于電動(dòng)液壓式舵機(jī)，其區(qū)別在于按照結(jié)構(gòu)劃分不同分別為靠活塞直線運(yùn)動(dòng)的往復(fù)柱塞式和高壓油作用在葉片上驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)葉式[3]。

往復(fù)式轉(zhuǎn)舵示意于圖1，此類舵機(jī)柱塞的兩頭各有一個(gè)油缸，通過油缸內(nèi)液壓油的轉(zhuǎn)換推動(dòng)柱塞產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，柱塞上凸銷帶動(dòng)舵柄轉(zhuǎn)換成舵桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖1 柱塞式舵機(jī)示意

圖2 轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)示意

轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)示意于圖2，通過控制液壓油進(jìn)入相應(yīng)本體腔室推動(dòng)內(nèi)部轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)舵桿旋轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)和傳統(tǒng)柱塞式舵機(jī)對(duì)比見表1。

柱塞式舵機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出隨舵角變化，0°時(shí)最小，舵角加大時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩相應(yīng)加大。設(shè)備標(biāo)稱轉(zhuǎn)矩為舵角35度時(shí)的轉(zhuǎn)矩。舵需求轉(zhuǎn)矩因不同舵型而不同，一般最大需求轉(zhuǎn)矩在舵角25°左右。川崎FE42-825舵機(jī)轉(zhuǎn)矩-舵角關(guān)系見圖3。

轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)所能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)舵扭矩與舵角無關(guān)，扭矩特性在坐標(biāo)圖上是一條與橫坐標(biāo)平行的直線[5-6]，其最大工作扭矩在全轉(zhuǎn)舵范圍內(nèi)一樣均為舵機(jī)標(biāo)稱扭矩，更為平穩(wěn)。

3 選型對(duì)比

85KVLGC項(xiàng)目轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)與某型83KVLGC船柱塞室舵機(jī)方案數(shù)據(jù)對(duì)比見表2。

表2 轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)和傳統(tǒng)柱塞式舵機(jī)參數(shù)對(duì)比

對(duì)比表明，轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)具有傳動(dòng)部件少、設(shè)備集成性強(qiáng)、設(shè)計(jì)簡潔、輕量化、便于維護(hù)等諸多優(yōu)勢，同時(shí)機(jī)械效率也高于柱塞式舵機(jī)，在減少設(shè)計(jì)舵機(jī)艙空余空間，緊湊設(shè)備布置，減少非貨物區(qū)域空間有優(yōu)勢，并且對(duì)于船舶的輕量化設(shè)計(jì)有幫助。

4 安裝對(duì)比

采用不同類型舵機(jī)的舵系安裝原則流程大體一致[7-8]，但不同舵機(jī)類型舵系布置有所差異，影響具體安裝工作內(nèi)容范圍和工作量。例如柱塞式舵機(jī)舵系安裝中上舵承安裝工作量較大，而轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)集成了上舵承功能，沒有單獨(dú)上舵承，省卻了上舵承及上舵承座的設(shè)計(jì)、制作和安裝[9]，極大減輕了安裝工作量。同時(shí)單就舵機(jī)安裝本身工作量來說，由于轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)和柱塞式舵機(jī)本體構(gòu)造原理不同，轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)本體轉(zhuǎn)子整體吊入套入舵桿，其后只需測量舵機(jī)本體轉(zhuǎn)子間隙進(jìn)行定位，然后調(diào)整機(jī)座墊片即可；而柱塞式舵機(jī)由于是撥叉和連桿、油缸的機(jī)構(gòu)型式，在撥叉和舵桿連接好吊入后，后期還要進(jìn)行撥叉安裝、舵機(jī)對(duì)中等繁瑣工作。

梳理安裝步驟流程，轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)相對(duì)于柱塞式舵機(jī)安裝更加便捷，對(duì)比見表3。

表3 轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)和傳統(tǒng)柱塞式舵機(jī)參數(shù)對(duì)比

綜上所述，轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)因其本身的技術(shù)特點(diǎn)，安裝非常簡便，自身的安裝時(shí)間遠(yuǎn)少于柱塞式舵機(jī)。安裝流程上轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)更加符合現(xiàn)代造船的理念，能更好地壓縮船舶在船塢內(nèi)建造時(shí)間，在勞動(dòng)強(qiáng)度和時(shí)間成本上有極大優(yōu)勢。

5 經(jīng)濟(jì)性比較

5.1 采購成本

對(duì)比見表4。滿足相同技術(shù)要求條件下，轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)方案總采購成本比柱塞式舵機(jī)方案少20.7萬元，顯著降低成本，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

表4 轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)和傳統(tǒng)柱塞式舵機(jī)采購成本對(duì)比/萬人民幣

5.2 安裝成本及周期

經(jīng)濟(jì)性不僅體現(xiàn)在設(shè)備購買成本，安裝占用船塢周期資源，裝配、現(xiàn)場技術(shù)工人消耗的工時(shí)等人力也應(yīng)考慮在內(nèi)，由前文安裝流程論述可知，轉(zhuǎn)葉式舵機(jī)安裝周期比柱塞式安裝周期要少7天時(shí)間，且安裝強(qiáng)度和技術(shù)要求低，同樣表現(xiàn)出很強(qiáng)的優(yōu)勢。