某船舵系故障修復(fù)與分析

摘 要：某船舵葉在航行中非正常丟失，舵葉掉落過程中產(chǎn)生了極大的扭力，導(dǎo)致舵桿彎曲變形;拆卸中發(fā)現(xiàn)舵托座孔銹蝕嚴重，舵托軸套在座孔內(nèi)部可以自由轉(zhuǎn)動。鑒于該船整個舵系損傷嚴重，需要對整個舵系進行修理恢復(fù)，測量各個軸承位置的軸線對中情況，根據(jù)測量結(jié)果對各個軸承逐步進行修復(fù)，最終修復(fù)完成并使該船達到能夠正常航行的狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：舵桿;船舶修理;軸系校中

中圖分類號：U672.2? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）12-0065-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.12.018

0? ? 引言

船舶舵系是推進系統(tǒng)的重要組成部分，舵系發(fā)生故障會影響船舶的安全運行，關(guān)于舵系性能的優(yōu)化，近年來國內(nèi)外學者們做過大量的研究工作。劉正鋒等人[1]為解決舵參與動力定位控制時的優(yōu)化推力分配問題，通過建立模型進行了主推進器和舵聯(lián)合作用下的水動力模型試驗研究，通過對不同轉(zhuǎn)速及不同舵角下組合單元的推力測量結(jié)果分析，對槳舵組合單元推力的理論模型進行了初步驗證。張興濤[2]在能量算法的基礎(chǔ)上，利用Matlab編制程序，通過程序直接計算出舵系的支反力和彎矩，并利用有限元軟件ANSYS對計算結(jié)果進行了驗證，以便于后續(xù)舵系的設(shè)計優(yōu)化。關(guān)于舵系故障診斷和修復(fù)，各船舶公司和修造船企業(yè)根據(jù)實例均進行過探討和分析。林長明等人[3]在“邦建”輪舵系設(shè)備搶修過程中，根據(jù)實際檢測情況，采用非常規(guī)修理方法，不但達到了維修的目的，而且節(jié)省了修理時間和費用。徐戎等人[4]根據(jù)實際案例對一古巴籍散貨船辛浦萊型平衡舵的舵桿、舵軸的成功修理過程進行了論述。

某輪為國內(nèi)航行的散貨船，舵槳為單主機單舵單槳型式，該輪舵葉為懸掛式舵，舵桿由上舵承支承，穿過船體上的舵桿套筒內(nèi)的下舵承與舵葉連接，舵葉通過上下舵銷支承在舵托及舵鈕上，舵系軸承由上舵承、下舵承、舵托軸承三部分組成，三處軸承呈同心狀態(tài)，三處軸承的圓心即為舵系的軸線，工作時由舵機驅(qū)動舵桿帶動舵葉繞舵系軸線轉(zhuǎn)動。該輪在航行過程中舵葉意外脫落，為了保證船舶安全，該船由拖輪拖帶至我廠水塢內(nèi)進行舵系搶修，進塢前該船狀態(tài)如圖1所示。本文結(jié)合實際案例，主要對該輪舵系故障的修理過程進行論述，為將來類似故障診斷及檢修提供參考。

1? ? 修理過程

經(jīng)過現(xiàn)場勘驗，該輪除舵葉已掉落丟失外，舵桿與舵葉連接處法蘭連接螺栓均已斷裂，上下舵銷也已經(jīng)隨舵葉一起掉落，舵桿連接端法蘭螺栓孔均有不同程度的損壞，舵托舵銷座內(nèi)軸承銅套磨損嚴重，舵銷座孔銹蝕嚴重。以上問題均需要逐步進行修復(fù)。

首先根據(jù)船方提供的原舵葉圖紙重新加工制作了舵葉、法蘭連接螺栓及上下舵銷。舵葉制作完成后尺寸檢驗合格;為保證舵葉連接端法蘭面尺寸，加工過程中與舵桿法蘭面研配加工，加工后兩法蘭面契合情況良好;由于原法蘭連接螺栓受剪切力斷裂，舵桿連接法蘭螺栓孔均有不同程度的損傷，舵桿法蘭面螺栓孔焊補后與舵葉法蘭面裝配重新鏜孔，按照鏜孔尺寸加工螺栓，螺栓扭緊后檢查舵桿與舵葉連接法蘭面之間是否存在間隙，使用0.03 mm厚度塞尺塞不進，證明法蘭接觸面無縫隙;舵銷按照圖紙尺寸加工后與錐面銅套研磨，保證舵銷與銅套接觸面大于75%，以避免因點接觸造成摩擦力不足導(dǎo)致舵銷與銅套相對轉(zhuǎn)動。舵葉加工完成后對上下舵銷孔拉線校中，同軸度小于1 mm，滿足規(guī)范要求，且舵葉本體密性試驗無泄漏。

舵葉加工完成后上船安裝，安裝過程中發(fā)現(xiàn)舵葉無法安裝到位，舵桿及上舵銷安裝后，下舵銷與船體舵銷孔位置偏差較大，粗略測量位置偏差約為100 mm。由于舵葉為新制且尺寸與圖紙相符，排除舵葉本身的原因，初步懷疑為船體變形或舵桿變形導(dǎo)致。

首先對船體是否變形進行驗證，將舵桿及舵銷拆下，將舵承座及舵承安裝到位，采用拉線的方式，檢驗舵承及上下舵銷座的同軸度。

自上而下分別設(shè)舵承上端面中心點為A點，上舵銷上端面中心點為B點，上舵銷下端面中心點為C點，下舵銷上端面中心點為D點，下舵銷下端面中心點為E點。以A點和B點為基準拉線，采用重錘拉線的方式測量鋼絲與C點、鋼絲與D點的偏差，數(shù)據(jù)如表1所示。

此數(shù)據(jù)雖然顯示舵系各點同軸度偏差較大，但考慮到船舶坐墩后不是水平狀態(tài)，此數(shù)據(jù)不足以說明船體有變形，于是重新確定基準點：以A點和E點為基準拉線，測量B點、C點、D點三點的距離，數(shù)據(jù)如表2所示。

此次拉線避免了船舶傾斜對拉線結(jié)果的影響，舵系各點同軸度偏差較小，船體無較大變形。排除了船體變形的可能性，基本可以肯定為舵桿變形。

利用數(shù)控龍門銑床將舵桿在胎架調(diào)平，找出中心線，測量各個位置的數(shù)據(jù)并與圖紙尺寸對比，得出舵桿的變形量為：舵桿法蘭向后偏移106.2 mm，向左偏移36 mm;舵桿法蘭后上翹24.2 mm，左上翹6.5 mm。此數(shù)據(jù)與舵葉安裝過程中的偏移量基本吻合。

由于舵桿直徑為350 mm，而且變形量較大，火攻整形難以達到整形效果，還有可能因反復(fù)受熱造成舵桿材料性能改變，所以只能采用冷壓矯正的方法。為了檢查舵桿發(fā)生變形后是否產(chǎn)生了缺陷，在整形前對舵桿進行探傷，探傷結(jié)果顯示內(nèi)部及表面均無缺陷。

由于舵桿變形量大，無法一次整形到位，首先對舵桿初步進行粗整形，利用數(shù)控龍門銑床分別找出舵桿的實際軸線和理論軸線，在舵桿上劃出實際軸線與理論軸線（圖2），找出舵桿變形處，利用液壓機對變形處進行壓制，采用目視測量，當理論線和實際軸線在變形處（交匯點）接近順直的時候，可以認為粗整形已完成，可以進行下一步整形工作。

再次利用數(shù)控龍門銑床測量粗整形后舵桿的實際軸線與理論軸線，記錄數(shù)據(jù)后可以計算出舵桿當前狀態(tài)下的變形量，根據(jù)當前變形量計算后續(xù)的下壓量。

如圖3所示，加裝2個剛性支撐點將舵桿墊高，為避免整形過程中支撐點對舵桿表面造成損傷，支撐點上平面鋪設(shè)0.1 mm厚銅板以保護舵桿表面。利用液壓機對變形點進行壓制整形，在變形點與支撐點2之間選取一合適位置安裝磁力百分表測量該位置的形變c，設(shè)法蘭端垂直方向位移量為a1，軸頭端垂直方向位移量為a2，變形處垂直方向位移量為a3，變形處垂直方向?qū)嶋H軸線與理論軸線的差值為H，測量點和支撐點2之間的水平間距為b1，變形點和支撐點2之間的水平間距為b2，支撐點2和軸頭端的水平距離為b3。其中，H值在數(shù)控龍門銑床上已測量出數(shù)據(jù)，b1、b2、b3值在壓制前測量出數(shù)據(jù)。

操作液壓機開始下壓，當百分表讀數(shù)達到量程極限時停止下壓，使用銅錘持續(xù)敲擊壓制點背面以消除應(yīng)力，等待10 min后升起液壓機，記錄百分表讀數(shù)即為c值，根據(jù)公式c/b1=a1/b2=a2/b3可分別計算出a1、a2的值，a3即a1、a2兩值相加的和。

將舵桿拆下重新上數(shù)控龍門銑床調(diào)平后測量變形處垂直方向?qū)嶋H軸線與理論軸線的差值H1，H和H1兩數(shù)的差值與a3數(shù)值相同，證明該方法是實際可行的。

后續(xù)重復(fù)上述矯正過程，矯正過程中每受力一次后重新找正測量，直到舵桿尺寸接近理論尺寸，矯正后尺寸為：舵桿法蘭向后偏移5.2 mm，向左偏移0.9 mm;舵桿法蘭前上翹0.08 mm，左上翹0.25 mm。最后對舵桿火攻整形進行微調(diào)，使舵桿恢復(fù)到出廠尺寸后，再次對舵桿進行探傷，確認無缺陷。舵桿修復(fù)后，在胎架上與舵葉連接后整體拉出中心線，測量舵桿與上下舵銷孔同軸度均小于1 mm，滿足安裝要求。

舵桿修復(fù)完成后，還需解決下舵銷座銹蝕嚴重的問題。原船船體下舵銷座內(nèi)銅套為偏心套，銅套與銷座應(yīng)為過盈配合，由于今年該船未對下舵銷座及銅套進行過檢修，原銅套內(nèi)壁磨損量已超過使用極限，銷座內(nèi)壁由于銹蝕嚴重，銅套在座內(nèi)已能夠自由轉(zhuǎn)動，需要重新加工新銅套。由于舵系中心線重新校中，加工偏心套與銷座過盈配合實際加工難度很大，且需要耗費較長的時間進行測量加工，對后續(xù)舵系安裝的要求也很高，考慮到加工成本和時間成本，決定采用加工中心銅套后澆注環(huán)氧樹脂的方式對舵托座及下舵銷軸承進行改造。

首先安裝舵桿，連接舵柄，舵承座閉合后復(fù)位，螺栓緊固。連接舵桿與舵葉，法蘭連接螺栓安裝緊固，檢查連接情況，使用0.03 mm塞尺塞不進法蘭連接面，證明連接面無縫隙。上舵銷安裝后測量下舵銷與舵銷孔內(nèi)壁間隙，測量結(jié)果如圖4所示。

本次澆注材料選用CHOCKFAST環(huán)氧樹脂，CHOCKFAST的粘度低且表面張力小，因而在澆注時可以很容易地注入澆注?？騼?nèi)，并與?？騼?nèi)任何不規(guī)則的表面完全接觸，從而不需要對澆注表面進行機械加工，就能達到理想的安裝質(zhì)量。CHOCKFAST環(huán)氧層的厚度要求為10～100 mm，新加工的下舵銷軸承銅套為了保證強度，厚度至少達到20 mm，而目前舵銷與內(nèi)壁間距最小處只有17.5 mm，采用碳弧刨的形式對舵托局部不具備澆注空間的區(qū)域進行碳刨，加工出至少12 mm的澆注區(qū)域，碳刨后對碳刨區(qū)域進行打磨處理，去除氧化物等雜質(zhì)，保證澆注區(qū)域清潔。銅套加工完成后用頂絲固定在座孔內(nèi)，穿好下舵銷后調(diào)整下舵銷與銅套的安裝間隙，調(diào)整完成后進行轉(zhuǎn)舵試驗，轉(zhuǎn)舵過程中無阻滯現(xiàn)象，證明轉(zhuǎn)舵性能良好。在座孔和銅套之間進行澆注工作，靜置24 h后環(huán)氧樹脂完全固化，此時再次試驗轉(zhuǎn)舵性能良好。舵葉打到0位時，測量舵承及上下舵銷間隙，間隙滿足規(guī)范要求。間隙測量數(shù)據(jù)如表3所示。

該輪修復(fù)后，經(jīng)航行試驗驗證，舵系運轉(zhuǎn)正常。

2? ? 原因分析

該輪出現(xiàn)這次故障的原因分析為：舵銷處銅套因常年使用磨損量已超過允許使用的極限，導(dǎo)致舵葉整體處于振動狀態(tài)，船舶航行過程中受水流的沖擊，舵葉與舵桿處連接螺栓受力斷裂，同時舵桿也因沖擊產(chǎn)生了變形。

3? ? 結(jié)語

船舶常規(guī)塢修期間，應(yīng)對舵系、軸系等重要設(shè)備各部位進行檢查，對不滿足使用要求的部件或零件及時進行維修或更換，以保證船舶的運行安全。本次舵系修理為日后的船舶修理提供了寶貴的經(jīng)驗，船舶航行過程中舵葉掉落很可能導(dǎo)致舵桿變形，應(yīng)先對舵桿進行中心線測量，排除舵桿變形后再進行其他工作，以縮短施工工期，降低施工費用。

[參考文獻]

[1] 劉正鋒，張隆輝，魏納新.槳舵組合單元推力建模研究[C]//第三十一屆全國水動力學研討會論文集（下冊），2020：396-401.

[2] 張興濤.舵系直接計算與優(yōu)化[J].廣東造船，2006（1）：18-21.

[3] 林長明，鐘建林.淺析船舶舵系故障非常規(guī)修理[J].中國修船，2005（6）：18-19.

[4] 徐戎，吳四川.淺析辛浦萊型平衡舵的修理[J].中國修船，2007（2）：28-30.

收稿日期：2022-03-21

作者簡介：張程（1987—），男，黑龍江肇東人，工程師，研究方向：船舶建造和修理。