螺旋槳液壓螺母擰緊力計算與止動技術(shù)

陳燕飛， 顧黎軍， 曹 偉， 張忠笑

(1. 上海江南長興造船有限責(zé)任公司， 上海 201913；2. 滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)

0 引 言

船舶借助各種推進(jìn)器航行。現(xiàn)代船舶推進(jìn)器有多種形式，其中螺旋槳最為常見[1]。船舶推進(jìn)器是船舶動力系統(tǒng)中最重要的部分之一，其工作狀態(tài)直接關(guān)系到船舶的正常航行和安全。船舶所有人、船檢、船廠和科研院所等越來越重視船舶推進(jìn)器的設(shè)計和安裝，特別是螺旋槳液壓螺母安裝過程中的工藝、方法等。為了有效解決上述問題，提出可行性較強的新的計算方法和優(yōu)化方案，通過實踐檢驗，體現(xiàn)了“精細(xì)設(shè)計、精益建造”的理念，可解決船舶設(shè)計、建造過程中遇到的螺旋槳液壓螺母的常見問題，降低船舶建造成本，加快船舶推進(jìn)系統(tǒng)和整體的建造進(jìn)度。

本文介紹一種新的計算螺旋槳液壓螺母緊固力(力矩)的方法與一些新的螺旋槳液壓螺母止動方案，其都有較強的實用價值：可增強船舶承接者和承建者的技術(shù)創(chuàng)新實力，使其擁有更多具有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新成果，應(yīng)對或者滿足船舶所有人、船檢、市場等更高的要求；使船舶建造由“苦干”向“巧干”轉(zhuǎn)變，加快了船舶設(shè)計、建造由“制”造向“智”造轉(zhuǎn)型，向“高端” 升級。

1 螺旋槳液壓螺母擰緊方法及可行性分析

在船舶設(shè)計和建造過程中，對于螺旋槳軸與螺旋槳液壓螺母，經(jīng)常會采用無鍵聯(lián)接[2]和緊固的方式?，F(xiàn)場施工人員、現(xiàn)場配合建造的設(shè)計人員等主要依靠以往的施工經(jīng)驗解決螺旋槳液壓螺母的緊固力(力矩)問題。近年來隨著高新船舶產(chǎn)品的增加，市場對產(chǎn)品建造質(zhì)量的要求越來越高，涉及螺旋槳液壓螺母緊固力(力矩)和止動的計算、設(shè)計問題也越來越多，可能發(fā)生的極端情況是：某些船舶所有人、船檢往往會對螺旋槳液壓螺母緊固力(力矩)的設(shè)計、計算過程提出質(zhì)疑，這些問題往往對現(xiàn)場施工和技術(shù)人員、設(shè)計人員等提出了較高的要求，這也是目前亟需解決的螺旋槳液壓螺母緊固力(力矩)的最重要問題之一。

在螺栓聯(lián)接中，螺栓在安裝時都必須擰緊，即在聯(lián)接承受工作載荷之前，預(yù)先受到力的作用，這個預(yù)加的作用力稱為預(yù)緊力。預(yù)緊的目的在于增強聯(lián)接的可靠性和緊密性，以防止受載后聯(lián)接件間出現(xiàn)縫隙或發(fā)生相對滑移。預(yù)緊力的施加通過一定的擰緊力矩實現(xiàn)，合適的擰緊力矩對螺栓聯(lián)接件和被聯(lián)接件的壽命都是有益的。過大的擰緊力矩往往易導(dǎo)致聯(lián)接失效甚至對聯(lián)接件和被聯(lián)接件產(chǎn)生永久性的破壞；過小的擰緊力矩?zé)o法保證聯(lián)接件和被聯(lián)接件正常、有效的聯(lián)接。

目前比較常用的方法有以下幾種：

測量螺栓伸長法。螺栓伸長須在其彈性范圍內(nèi)、預(yù)緊力與螺栓伸長成正比的條件下使用，是精確的測試方法之一。一般認(rèn)為此種方法有±(3～5)%的誤差，其精度主要取決于測量伸長量的方法，使用時費時、麻煩、成本較高，故僅在特殊場合使用。另外，該方法的測試精度與螺栓的幾何尺寸的變化、尺寸誤差的大小、彈性模量受溫度變化影響的大小、螺栓的總塑性變形及緊固件內(nèi)應(yīng)力水平的變化等因素相關(guān)[3]。通常在重要的大規(guī)模、不能采用力矩法的場合也使用較多。在船舶建造過程中，如果采用測量螺栓伸長法，必須考慮螺旋槳與螺旋槳軸的接觸面之間已經(jīng)緊密結(jié)合[4]，且是過盈聯(lián)接，不需要完全依靠螺旋槳液壓螺母的預(yù)緊力來傳遞主機的推力和扭矩，必須對測量螺栓伸長法進(jìn)行預(yù)緊力偏小的修正和優(yōu)化。

感覺法。此法是相對簡單、經(jīng)濟(jì)但不可靠的方法，憑操作者個人經(jīng)驗，判斷被擰緊的程度。一般認(rèn)為該方法有±40%的誤差，被廣泛應(yīng)用于普通非關(guān)鍵性聯(lián)接件中。此法有時也會被用于船舶建造過程中，比如有些船舶的工藝要求“再次旋上和固定螺旋槳液壓螺母，用撞枕等撞擊螺旋槳液壓螺母扳手直至船舶所有人、船檢滿意，并裝妥鎖緊裝置”。有時螺旋槳液壓螺母已被擰緊，船舶所有人或者船檢甚至要求現(xiàn)場施工人員繼續(xù)擰緊，這樣往往會導(dǎo)致費時費力的額外工作量，且易引發(fā)質(zhì)量、安全事故，雖然發(fā)生重大人身傷害事故的可能較少，但卻容易發(fā)生螺旋槳軸和螺旋槳液壓螺母的螺紋被拉壞的情況。

應(yīng)變計法。將電阻應(yīng)變片粘貼在被測螺栓的無螺紋桿部，當(dāng)擰緊時，螺栓受預(yù)緊力變形，導(dǎo)致電阻應(yīng)變片的電阻變化，則可推算預(yù)緊力。一般認(rèn)為該方法僅有±1%的誤差，十分準(zhǔn)確，但費用昂貴，是感覺法費用的20倍。如果采用此法，必須考慮螺旋槳與螺旋槳軸的接觸面之間已經(jīng)緊密結(jié)合，須是過盈聯(lián)接，不需要完全依靠螺旋槳液壓螺母的預(yù)緊力來傳遞主機的推力和扭矩，必須對應(yīng)變計法進(jìn)行預(yù)緊力偏小的修正和優(yōu)化。

螺栓預(yù)脹法。多用電阻加熱裝置使螺栓或者螺柱達(dá)到規(guī)定的膨脹程度，擰上螺母，螺母冷卻后獲得規(guī)定的預(yù)緊力，在汽輪機等產(chǎn)品上使用，一般螺紋規(guī)格較大。在船舶螺旋槳液壓螺母安裝之前，一般已安裝了螺旋槳軸和尾管巴氏合金襯套，由于巴氏合金對溫度的敏感性，如果采用此法，最大的困難是避免加熱對尾管巴氏合金襯套的不良作用，比如巴氏合金軟化、黏連等，加熱過程必須能夠被嚴(yán)格地控制，特別是對被加熱螺旋槳軸膨脹程度的準(zhǔn)確控制，這往往需要大量累積的實際數(shù)據(jù)和第一手現(xiàn)場資料的支持。

液壓拉伸法。此法與螺栓伸長法、螺栓預(yù)脹法在原理上最為相似，都是使螺旋槳軸在其正常的彈性范圍內(nèi)“伸”或者“脹”，只是此法采用了較為方便、省力的液壓方式。目前，螺旋槳軸與螺旋槳液壓螺母廣泛采用無鍵液壓聯(lián)接的方式，這是一種通過軸向、徑向液壓的方式，使槳-軸的接觸面過盈聯(lián)接的方式[5]，軸向液壓就屬于液壓拉伸法的具體應(yīng)用。

2 螺旋槳液壓螺母緊固力(力矩)計算

2.1 計算螺旋槳液壓螺母緊固力的常用方法

目前，國內(nèi)外普遍采用扭力扳手(測力扳手)或定扭力扳手，控制擰緊力矩來實現(xiàn)控制預(yù)緊力的目的。這種方法的應(yīng)用較簡單、易實施，不需要復(fù)雜的儀器和設(shè)備，費用較低，但測量誤差較大且分散，一般認(rèn)為這種方法有±25%的誤差，若表面涂(鍍)層、支承面或螺紋表面質(zhì)量較好，力矩扳手校準(zhǔn)得當(dāng)，則測量誤差顯著減小。

對于螺紋聯(lián)接，目前普遍采用螺母擰緊力矩計算公式：

T=K×F×d

(1)

式中:T為螺母擰緊力矩，N·mm ；K為擰緊力矩因數(shù)；F為擰緊力， N；d為螺紋大徑，mm。

需注意的是美、德、日等國建議的擰緊力矩因數(shù)K=0.15～0.20，在加潤滑油的工況下K可達(dá)0.12。

對于一般聯(lián)接用鋼制螺栓，推薦用預(yù)緊力限值[6]：

Fo=nAs×σs

(2)

式中:n為計算參數(shù)，取0.5～0.6；Fo為推薦預(yù)緊力, N；As為螺栓公稱應(yīng)力截面積，mm2；σs為螺栓材料的屈服點，MPa。

然而，式(1)和式(2)適用于一般機械設(shè)計中一般聯(lián)接用鋼制螺栓的情況，對于船舶螺旋槳軸和螺旋槳液壓螺母這樣特殊的螺紋聯(lián)接，以上2個公式顯然不能直接應(yīng)用，必須經(jīng)過優(yōu)化、修正才可能求解出相對準(zhǔn)確的結(jié)果。上海江南長興造船有限責(zé)任公司曾經(jīng)應(yīng)用上述式(2)對公司建造的9 400 TEU集裝箱船(I型)進(jìn)行相關(guān)計算，實際結(jié)果(見表1)顯示：理論計算值約是廠家推薦值的104倍，兩者相差非常大。

表1 9 400 TEU集裝箱船(I型)理論計算預(yù)緊力與廠家推薦值

螺母轉(zhuǎn)角法則是先將螺栓副擰緊至“緊貼位置”，然后將螺母擰轉(zhuǎn)一定角度θ?！熬o貼位置”指的是：螺母從原始位置擰緊至與被聯(lián)接件緊貼；或螺栓被擰緊而拉力達(dá)到屈服強度的30%～80%時。在大量生產(chǎn)的裝配作業(yè)中，其使用條件為：被聯(lián)接件的壓力增長率必須呈線性；各工件間的壓力增長率必須一致；在擰緊終止前，工具旋轉(zhuǎn)速度必須很小，以免超擰；在使用該種方法之前，應(yīng)按實際應(yīng)用條件進(jìn)行必要的試驗，以確保安全規(guī)范。一般認(rèn)為這種方法有±15%的誤差。螺母轉(zhuǎn)角法在美國和德國汽車工業(yè)及鋼結(jié)構(gòu)件中被廣泛使用。在使用沖擊扳手的條件下，該方法控制的效果較為可靠，中國船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦螺母轉(zhuǎn)角法[7]。根據(jù)船舶行業(yè)的通常做法，在無鍵螺旋槳液壓螺母安裝后，確認(rèn)無鍵螺旋槳無滑動后，需要用扳手棒等旋緊并緊固液壓螺母，常用做法有：使用扳手棒、錘或?qū)Ｓ霉ぱb使液壓螺母向旋緊方向再旋緊10°～15°；或根據(jù)船舶所有人、船檢等實際要求，旋緊至一個大家都認(rèn)可的角度；使用專用工裝(滑輪組、重塊等)，利用專用工裝本身的重力，使液壓螺母旋緊至一個大家都認(rèn)可的角度。但是，以上做法缺少理論、計算的依據(jù)，往往受船舶所有人、船檢等主觀意識的影響，船廠包括設(shè)計人員等往往缺少科學(xué)、有力的計算來說服船舶所有人、船檢，螺旋槳安裝過程比較被動，甚至發(fā)生影響船塢周期、建造大節(jié)點(出塢時間、交船時間等)的情況。

2.2 計算螺旋槳液壓螺母緊固力(力矩)新方法

本文結(jié)合上海江南長興造船有限責(zé)任公司已經(jīng)建造完工的各種船型的實際情況，根據(jù)現(xiàn)場施工和對外報驗的真實數(shù)據(jù)，結(jié)合傳統(tǒng)螺母轉(zhuǎn)角法與公司及船舶標(biāo)準(zhǔn)等規(guī)范性文件，對傳統(tǒng)螺母轉(zhuǎn)角法進(jìn)行修正和優(yōu)化，提出一種新的求解螺旋槳液壓螺母安裝預(yù)緊力的方法。這種新方法比一般機械設(shè)計中的方法更能夠適用于船舶螺旋槳液壓螺母安裝的實際要求，從公司已經(jīng)建造完工的船舶實際情況分析，其有效性、準(zhǔn)確性和實用性得到了有效的驗證。

在軸系安裝完成后，接著進(jìn)行螺旋槳的安裝工作，采用式(3)求解螺旋槳液壓螺母安裝的預(yù)緊力，通過實踐檢驗，這種新方法的準(zhǔn)確性得到了有效的驗證，相關(guān)的計算方法正在申請國家發(fā)明專利。新方法主要是通過螺旋槳液壓螺母螺距、剛度和擰緊因數(shù)等參數(shù)，可以較準(zhǔn)確地求解出螺旋槳液壓螺母安裝的預(yù)緊力：

F=a×p×Φ/[360×(1/CL+1/CF)×b]

(3)

式中：F為預(yù)緊力，N；a為擰緊因數(shù)，一般取a=0.12；p為液壓螺母螺距，mm；Φ為液壓螺母轉(zhuǎn)角，一般取10°～15°；CL為螺旋槳軸的剛度， N/mm；CF為螺旋槳的剛度， N/mm；b為修正因數(shù)，一般取b=2.6。

以9 400 TEU大型集裝箱船 (I型)實際應(yīng)用為例，當(dāng)取螺旋槳液壓螺母轉(zhuǎn)角Φ為10°、螺距p為24 mm，螺旋槳軸剛度CL(螺旋槳剛度CF)分別為106N/mm和9×106N/mm時求得的最小預(yù)緊力Fmin和最大預(yù)緊力Fmax分別為15 385 N和138 462 N。

現(xiàn)場實際采用的廠家推薦的最小預(yù)緊力為14 700 N，對比采用式(3)求出的最小預(yù)緊力Fmin，可以明顯說明：式(3)計算結(jié)果的準(zhǔn)確性較高，求出的最小預(yù)緊力與廠家推薦值的誤差為4.7%。

3 螺旋槳與尾軸止動技術(shù)

在螺旋槳液壓螺母安裝完成后，可采用簡單、實用的止動技術(shù)防止螺旋槳與螺旋槳軸發(fā)生相對位移的不利情況，防止螺旋槳在船舶運營中發(fā)生滑動甚至脫落的情況。新型鎖緊(止動)裝置(見圖1)可以采用T型結(jié)構(gòu)，在安裝位置處的螺旋槳軸上開圓孔槽，將鎖緊(止動)裝置插入圓孔槽中，通過螺栓固定鎖緊(止動)裝置與尾軸，從而達(dá)到液壓螺母止動的目的。為了提高新型鎖緊(止動)裝置的受力強度，可采用單邊圓弧形T型結(jié)構(gòu)，圓弧的弧度與安裝位置處螺旋槳軸的圓弧度相同。

圖1 某新型鎖緊(止動)裝置

新型鎖緊(止動)裝置采用小巧輕便、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)(圓弧形T型)的設(shè)計理念，與國內(nèi)行業(yè)中通常采用的鎖緊止動(防松)裝置(見圖2)相比，新型鎖緊(止動)裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量較小(最小質(zhì)量可以控制在幾千克范圍內(nèi))、安裝方便(一個人即可輕松搬運和安裝)、制作工作量(切割、焊接等)較小以及制作費用較低(所需材料僅為通常止動板的1/5或者更少)等顯著的競爭優(yōu)勢，如表2所示。

表2 不同鎖緊(止動)裝置綜合對比

在螺旋槳液壓螺母安裝完成后，可以監(jiān)測螺旋槳與螺旋槳軸相對位移的實時情況，可采用測力(測扭矩)應(yīng)變片(見圖3)或其他傳感器監(jiān)測螺旋槳與螺旋槳軸發(fā)生相對位移的情況，可以把上述測量裝置安裝在艉密封附近(尾軸管鑄鋼件端面附近)，利用尾軸管前、后軸承上的油槽，將測量裝置測得的實時數(shù)據(jù)(螺旋槳與螺旋槳軸相對位移數(shù)據(jù))經(jīng)過信號電纜線路，輸送到機艙(集中控制室)監(jiān)控系統(tǒng)中。在船舶實際運營中，先設(shè)定軸系正常運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的扭矩值(力)：如果發(fā)生螺旋槳液壓螺母松動的情況，上述測量裝置測得的扭矩值(力)將會迅速減?。蝗绻菪龢簤郝菽杆蓜拥那闆r較為嚴(yán)重，上述測量裝置測得的扭矩值(力)有向最低設(shè)定值或更低值發(fā)展的趨勢。通過這樣的基本原理，值班輪機人員或其他船員就可以判斷是否發(fā)生了螺旋槳液壓螺母松動的情況，可以監(jiān)控螺旋槳與螺旋槳軸是否發(fā)生了相對位移，隨即采用相應(yīng)的措施恢復(fù)并保持船舶推進(jìn)螺旋槳、軸系的正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)，確保船舶的正常運營和安全航行。

圖3 測力(測扭矩)應(yīng)變片

4 結(jié) 語

螺旋槳液壓螺母緊固和止動所遇到的問題背景各不相同，解決的方法也不完全相同。本文提出了目前螺旋槳液壓螺母緊固力計算和止動技術(shù)遇到的實際問題及解決方案，并且提出了一種新的計算螺旋槳液壓螺母緊固力(力矩)的方法以及一些新的螺旋槳液壓螺母止動方案。新的緊固力(力矩)計算方法和新的止動方案具有通用性，結(jié)合起來應(yīng)用可以解決船舶設(shè)計、建造過程中遇到的螺旋槳液壓螺母的常見問題，這可為相關(guān)研發(fā)設(shè)計、工程技術(shù)人員提供有益的參考和信息，特別是對現(xiàn)場實際施工具有較強的指導(dǎo)意義。