25000t化學(xué)品船舵系試驗(yàn)問題的分析與對策

江衛(wèi)東

（中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司 設(shè)計(jì)研究院 上海200135）

引 言

舵系是實(shí)現(xiàn)船舶操縱性能的最主要的設(shè)備，其性能會(huì)關(guān)系到船舶的航行安全、經(jīng)濟(jì)性和快速性。舵系設(shè)計(jì)是船舶設(shè)計(jì)中非常重要的一部分。設(shè)計(jì)人員一般都是以船舶所入級的船級社規(guī)范為依據(jù)、結(jié)合積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果來進(jìn)行舵系設(shè)計(jì)的［1］，其設(shè)計(jì)效果往往需要到船舶海試時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。因此，一旦出現(xiàn)舵系設(shè)計(jì)問題，解決過程會(huì)非常麻煩，甚至?xí)?dǎo)致延期交船或交不了船的風(fēng)險(xiǎn)。本文通過對首制25 000 t 化學(xué)品船（以下簡稱“本船”）在第一次試航時(shí)出現(xiàn)的舵系相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果不能滿足規(guī)范要求問題的原因進(jìn)行梳理、分析，找到問題的癥結(jié)所在，并實(shí)施相對簡單可行的解決對策，最終解決了實(shí)際問題。

1 本船主要參數(shù)

本船船體及舵系相關(guān)的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 船體及舵系主要參數(shù)表

2 相應(yīng)規(guī)范要求

在國際規(guī)范中涉及到在船舶航海試驗(yàn)時(shí)與舵系試驗(yàn)相關(guān)要求的規(guī)范主要有兩個(gè)：一是國際海事組織（IMO）制定的《國際海上人命安全公約》（SOLAS）；二是國際海上安全委員會(huì)關(guān)于船舶操縱性標(biāo)準(zhǔn)的MSC.137（76）決議。具體要求如下：

SOLAS 公約的第Ⅱ- 1 章29 條第3 款規(guī)定：主操舵裝置應(yīng)能在船舶處于最深航海吃水并以最大營運(yùn)航速前進(jìn)時(shí)將舵自一舷的35°轉(zhuǎn)至另一舷的35°以及于相同條件下在不超過28 s 內(nèi)將舵自任一舷的35°轉(zhuǎn)至另一舷30°； 第2 款規(guī)定了承受內(nèi)部液壓的管系和部件的設(shè)計(jì)壓力是在此運(yùn)行狀況下可能出現(xiàn)的最大工作壓力的1.25 倍，并且應(yīng)設(shè)置安全閥以避免過度升高的壓力超過設(shè)計(jì)值；第6 款規(guī)定了對于貨船，當(dāng)所有動(dòng)力設(shè)備都運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主操舵裝置應(yīng)能按照第3 款的要求操舵。［2］因此，在舵機(jī)試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際扭矩不能超過最大扭矩，液壓系統(tǒng)的工作壓力不能超過最大油壓。

MSC.137（76）決議第5 條規(guī)定船舶的操縱性應(yīng)符合下列衡準(zhǔn)：

（1）偏航糾正和航向穩(wěn)定能力

10°/10° Z 形試驗(yàn)時(shí)，第一次的航向超越角值不能超過（5+1/2L/V）°；第二次的航向超越角不能 超 過（17.5 + 0.75L/V）°。20°/20° Z 形 試 驗(yàn) 時(shí)，第一次的航向超越角值不能超過（5+1/2L/V）°。（式中：L為船舶垂線間長，m；V指不小于相應(yīng)的85%主機(jī)最大輸出功率時(shí)，船速的90%，m/s）。

（2）回轉(zhuǎn)能力

回轉(zhuǎn)圈操縱時(shí)，船舶縱距離應(yīng)不超過4.5 倍船長，回轉(zhuǎn)圈直徑應(yīng)不超過5 倍船長。［3］

3 舵系試驗(yàn)問題

舵系是實(shí)現(xiàn)船舶轉(zhuǎn)向、直航等操縱的重要裝置［4］。根據(jù)本船的航海試驗(yàn)大綱，舵機(jī)試驗(yàn)是在船舶結(jié)構(gòu)吃水（9.2 m）以及全速航行（15.5 kn）情況下進(jìn)行的。操舵過程是：0°→ 右35°→左35°→0°→ 恢復(fù)直線航行和航速→ 左35°→ 右35°→ 0°；測試分為三種組合情況，即：No.1 動(dòng)力單元、No.2 動(dòng)力單元以及No.1 & No.2 動(dòng)力單元。第一次試航時(shí)舵機(jī)試驗(yàn)的結(jié)果如表2 所示。

表2 第一次海試時(shí)舵機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

從中可以看出，在三種組合試驗(yàn)時(shí)，舵機(jī)液壓油的壓力接近或達(dá)到23 MPa，是最大工作壓力18.4 MPa 的1.25 倍左右。此時(shí)系統(tǒng)的安全閥是已經(jīng)或接近開啟；另外，馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最大電流也超過了它的額定電流。因此，舵機(jī)試驗(yàn)結(jié)果無法滿足SOLAS 公約要求。

船舶的Z 形試驗(yàn)是一種衡量船舶機(jī)動(dòng)性能的試驗(yàn)方法［5］。該實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)條件與上面提及的舵機(jī)試驗(yàn)條件一致。根據(jù)本船試驗(yàn)大綱，10°/10° Z形試驗(yàn)試驗(yàn)過程為：舵0°→ 舵右10°→航向右10° → 舵左10° → 航向左10° → 舵右10°→ 航向右10° → 舵左10° → 航向0°；20°/20° Z 形試驗(yàn)也是按照上述程序進(jìn)行，只是把舵的轉(zhuǎn)角由10°改為20°。本船第一次海試時(shí)Z 形試驗(yàn)的結(jié)果記錄如表3 所示。從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，10°/10° Z形試驗(yàn)的第一超越角值（26°）超出了規(guī)范計(jì)算值（16.5°）達(dá)9.5°，20°/20° Z 形試驗(yàn)第一超越角值（27°）超出了規(guī)范規(guī)定值（25°）2°。顯然，Z 形試驗(yàn)結(jié)果無法滿足MSC.137（76） 決議要求。

船舶的回轉(zhuǎn)試驗(yàn)是檢驗(yàn)船舶回轉(zhuǎn)性能的試驗(yàn)方法。其主要試驗(yàn)過程為：舵右35°→ 航向約右540°→ 舵0°→ 航向0°；舵左35°→ 航向約左540°→ 舵0°→ 航向0° 。本船第一次試航時(shí)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果記錄如表4 所示。雖然回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的結(jié)果是能完全滿足MSC.137（76） 決議要求，但是回轉(zhuǎn)圈的直徑大約是規(guī)范允許值的一半，余量偏大。

表3 第一次海試時(shí)Z形試驗(yàn)記錄

表4 第一次海試時(shí)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果m

4 問題分析與對策

4.1 問題分析

經(jīng)分析，舵機(jī)油壓偏高的原因可能有以下幾個(gè)方面：舵機(jī)選型問題（包括計(jì)算錯(cuò)誤、舵機(jī)選擇扭矩過小等）、舵桿轉(zhuǎn)動(dòng)問題（包括舵系校中問題、舵葉止跳塊間隙過小、舵葉被異物卡阻、舵機(jī)本身卡阻等）、舵葉制作問題（實(shí)際舵葉尺寸與圖紙不符）、試驗(yàn)儀表問題、以及舵葉面積設(shè)計(jì)偏大等。除舵葉面積偏大，其他原因通過各種簡單易行的方法被逐一排除。比如：通過再次計(jì)算及核對舵機(jī)出廠報(bào)告，排除了計(jì)算錯(cuò)誤和舵機(jī)扭矩過小問題；通過外觀檢查及測量，排除了舵葉被漁網(wǎng)卡阻及止跳塊間隙過小的原因；通過碼頭轉(zhuǎn)舵時(shí)的油壓小于2 MPa 以及應(yīng)變片測試舵桿扭矩較小的結(jié)果，排除了舵系校中及舵機(jī)本身被卡阻問題；通過測量實(shí)際舵葉尺寸并對比圖紙，排除了舵葉制作偏大的原因；通過壓力表及電流表在試驗(yàn)臺的校驗(yàn)，排除了測試儀表不準(zhǔn)的問題。因此，舵葉面積偏大成為舵機(jī)油壓偏高最為可能的原因。

另外，Z 形試驗(yàn)的第一超越角值偏大，說明舵葉的操縱性能好，也間接說明舵葉面積可能偏大。根據(jù)半經(jīng)驗(yàn)公式諾賓（Norrbin）公式（表5 中的公式1）可知，回轉(zhuǎn)圈直徑越小，舵葉面積越大［6］。而試驗(yàn)結(jié)果中回轉(zhuǎn)圈的直徑大約是規(guī)范允許值的一半，也說明了本船選用的舵葉面積可能偏大。

表5 舵葉面積計(jì)算公式

4.2 解決對策

根據(jù)4.1 節(jié)的分析，舵機(jī)液壓油壓力過高、Z形試驗(yàn)的第一超越角值偏大以及船舶回轉(zhuǎn)圈的直徑偏小的原因很可能是由于選用的舵葉面積偏大造成的。因此選用面積較小的舵葉成為最有效的解決方案。

船舶舵葉面積的確定主要有以下幾種方式［7］：據(jù)大量實(shí)船統(tǒng)計(jì)資料來選擇、按半經(jīng)驗(yàn)的公式和圖譜來確定、根據(jù)船級建造規(guī)范推薦的公式來確定或者根據(jù)船模操縱性試驗(yàn)結(jié)果來確定。本船為首制船，設(shè)計(jì)時(shí)選用舵葉的型式為NACA-0020，舵葉面積則是按照之前挪威船級社（DNV）規(guī)范推薦的計(jì)算公式（表5 中的公式2）確定的。按照推薦公式的計(jì)算結(jié)果為舵葉面積應(yīng)不小于28.1 m2，再加上經(jīng)驗(yàn)余量，最終確定舵葉總面積為30.51 m2。

本船當(dāng)時(shí)已經(jīng)接近完工待交付狀態(tài)，通過船模操縱性試驗(yàn)或重新設(shè)計(jì)來制作舵葉顯然不太可能，于是修改現(xiàn)有舵葉便成為比較明確的解決方向。船廠又根據(jù)其他舵葉的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出舵葉的最小面積進(jìn)行比較分析，比如：根據(jù)寶田公式（表5 中的公式3）計(jì)算結(jié)果為27.5 m2；根據(jù)國際船級社組織（IACS）《散貨船結(jié)構(gòu)共同規(guī)范》（CSR）中推薦的舵葉面積計(jì)算公式（表5 中的公式4）計(jì)算結(jié)果為26.4 m2。

綜合以上信息，船東、船級社、舵機(jī)廠家及船廠最終確定了修改后舵的總面積是27.48 m2。實(shí)施方案為：把現(xiàn)有的舵葉后緣切掉375 mm，并以半圓鋼焊接封閉后緣。此外，決定修改成這個(gè)數(shù)值還有一個(gè)原因是，這種尺寸的半圓鋼在市場上有現(xiàn)貨供應(yīng)，從而可以減少物料的供應(yīng)時(shí)間。

圖1 為舵葉典型截面修改前后對比圖。從圖中可以看出，修改后的舵葉后緣形狀沒有修改前的平滑，因此可能會(huì)造成船舶尾流突變，進(jìn)而會(huì)影響到航速以及容易在流線突變處產(chǎn)生空泡腐蝕?？紤]到本船在實(shí)際營運(yùn)航速較低（一般低于13 kn），因此空泡腐蝕的影響有限。

圖1 舵葉修改典型截面圖

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

舵葉修改以后，本船進(jìn)行了第二次航海試驗(yàn)以確定舵葉修改后的最終效果。表6 列出了船舶進(jìn)行舵機(jī)試驗(yàn)、Z形試驗(yàn)以及回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果。由此可以看出，舵機(jī)試驗(yàn)時(shí)的油壓為15 MPa左右，低于其最大工作壓力18.4 MPa；馬達(dá)的電流為42 A 左右，低于其額定電流50 A。因此，舵機(jī)試驗(yàn)結(jié)果能夠滿足SOLAS 公約的要求。

10°/10° Z 形試驗(yàn)時(shí)的第一超越角值為11°，第二超越角值為12°，分別低于規(guī)范計(jì)算值16.5°和34.5°；20°/20° Z 形試驗(yàn)時(shí)的第一超越角值為22°，低于規(guī)范規(guī)定值25°。因此，Z 形試驗(yàn)結(jié)果能滿足MSC.137（76）決議的要求。

根據(jù)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的結(jié)果，縱距相對于第一次海試增加了60 m 左右，回轉(zhuǎn)圈直徑約增加180 m，但都分別低于規(guī)范計(jì)算值756 m 和840 m。因此，試驗(yàn)結(jié)果也能完全滿足MSC.137（76）決議的要求。

第一次海試時(shí)測試的服務(wù)航速為15.64 kn，第二次海試時(shí)測試結(jié)果為15.71 kn。據(jù)此可以排除舵葉的修改對航速的影響。

另外，船廠對船舶營運(yùn)情況進(jìn)行了近一年的跟蹤，從船東反饋的信息看，舵葉后緣半圓鋼部分沒有發(fā)生明顯的氣蝕現(xiàn)象。

表6 第二次海試試驗(yàn)記錄

5 結(jié) 論

本文針對25 000 t 化學(xué)品船在試航時(shí)出現(xiàn)的舵機(jī)試驗(yàn)結(jié)果不能滿足規(guī)范要求的情況，結(jié)合與舵機(jī)相關(guān)的船舶性能試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了較為細(xì)致深入的分析，最終找到了比較切合實(shí)際的解決方案。在舵系設(shè)計(jì)時(shí)，舵葉面積基本是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式或規(guī)范推薦公式計(jì)算確定的，具有一定的不準(zhǔn)確性，并且船級社都是根據(jù)海試結(jié)果對舵系進(jìn)行最終認(rèn)可的。因此，在首制船的舵葉設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量找到母型參考船，并采用不同的計(jì)算公式進(jìn)行結(jié)果相互驗(yàn)證，必要時(shí)再通過自航模操縱性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，以便將舵葉面積在設(shè)計(jì)階段就控制在合理范圍內(nèi)，避免將問題延伸到實(shí)船試驗(yàn)階段。