不銹鋼焊接中空螺旋槳研制技術(shù)總結(jié)

鄭衛(wèi)兵 朱珉虎

（1.浙江省臺(tái)州市創(chuàng)馳螺旋槳廠 臺(tái)州318058； 2.江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所 鎮(zhèn)江212003）

引 言

不銹鋼焊接中空螺旋槳是在傳統(tǒng)銅質(zhì)實(shí)心鑄造螺旋槳的基礎(chǔ)上采用新材料（不銹鋼）、新型結(jié)構(gòu)（分部件制造經(jīng)過(guò)組裝焊接成整體槳）、新穎制作工藝（數(shù)控型面加工技術(shù)和焊接工藝）而形成的新螺旋槳品種。它由臺(tái)州市創(chuàng)馳螺旋槳廠首創(chuàng)，故也稱之為“創(chuàng)馳槳”。

傳統(tǒng)的船用螺旋槳生產(chǎn)工藝是采用錳黃銅或類似材料熔煉后澆鑄到砂型箱中成型，在冷卻后切去冒口，再經(jīng)過(guò)型面修正加工（如拋光、車削）才成為合格產(chǎn)品。螺旋槳的鑄造加工工藝復(fù)雜，屬于高耗能、耗資源和高污染的行業(yè)。

螺旋槳制造對(duì)環(huán)境的污染主要是廢砂的污染和噪聲。目前業(yè)內(nèi)螺旋槳的鑄造普遍使用水玻璃二氧化碳固化砂，這種砂無(wú)法再生，只能一次性使用，而廢砂多用于填?；蛱盥駵羡?。水玻璃廢砂對(duì)環(huán)境目前雖還未發(fā)現(xiàn)特別嚴(yán)重的危害，但廢砂會(huì)使農(nóng)田與土地沙化，其中殘存的水玻璃又是一種含氧化鈉的強(qiáng)堿性材料，可使土壤鹼化和板結(jié)，污染水源或地下水。此外，螺旋槳手工加工時(shí)，采用風(fēng)動(dòng)工具產(chǎn)生的高分貝噪聲至今仍無(wú)法解決，成了環(huán)保難題。

為了克服傳統(tǒng)螺旋槳鑄造工藝的缺陷，有必要開發(fā)一種新穎的螺旋槳結(jié)構(gòu)和工藝制造技術(shù)來(lái)替代傳統(tǒng)的螺旋槳制造技術(shù)，“創(chuàng)馳槳”就是在這種背景和指導(dǎo)思想下產(chǎn)生的。

臺(tái)州市創(chuàng)馳螺旋槳廠早期以生產(chǎn)漁船用的小型不銹鋼焊接中空螺旋槳為主，其節(jié)省油耗的效果受到漁民的歡迎，后逐漸在漁船上推廣起來(lái)。其節(jié)能原因有二：①槳轂比銅質(zhì)鑄造槳小，焊接槳的轂徑比在0.15～0.18之間，而鑄造銅槳的轂徑比常處于0.18～0.22區(qū)間；轂徑比小有利于提高螺旋槳效率。②達(dá)到同等的推力，焊接中空槳比實(shí)心槳輕，所需功率可略微減小。

經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的更新?lián)Q代，近十年來(lái)，這類槳在一些中型運(yùn)輸船和工程船上也開始采用，最大的不銹鋼焊接中空螺旋槳直徑已達(dá)到2.6 m。創(chuàng)馳廠也曾生產(chǎn)制造過(guò)高速艇用的不銹鋼焊接中空螺旋槳和特種用途（如水下潛體）的不銹鋼焊接中空螺旋槳，在使用中均經(jīng)受了嚴(yán)格的環(huán)境考驗(yàn)，性能也得到用戶的一致好評(píng)。

1 鋼板焊接螺旋槳的發(fā)展史

早在20世紀(jì)70年代，部分內(nèi)河船（拖船和自航駁）上就開始使用鋼板焊接螺旋槳。其起因是當(dāng)時(shí)普遍使用的鑄鐵螺旋槳強(qiáng)度不足且韌性差，碰到淤泥（觸底）或漂浮物，螺旋槳葉片常常斷裂和脫落，造成海損事故。有鑒于此，一些小型船廠開始自行設(shè)計(jì)制造鋼板焊接螺旋槳來(lái)替代鑄鐵槳，起到較好的效果。這種槳的槳葉和槳轂分別制作，槳轂用鍛鋼車削而成，槳葉的壓力面和吸力面（又稱葉背面）分別用2片薄鋼板在模子中敲擊成型，然后焊接成一個(gè)個(gè)葉片，再把這些葉片按照一定的角度裝焊到槳轂上，即構(gòu)成鋼板焊接中空槳。這種槳的特點(diǎn)是牢靠，在使用中從未發(fā)現(xiàn)丟掉葉片的現(xiàn)象，即使碰撞到淤泥、卵蛋石、漂浮物等，槳葉打歪了仍能繼續(xù)航行，回來(lái)后通過(guò)火工校正即可修復(fù)使用。

鋼板焊接槳具有造價(jià)低廉，耐沖擊、不易損壞、能在各種惡劣環(huán)境下使用的突出優(yōu)點(diǎn)。因此，一直受到京杭運(yùn)河和江浙一帶船東的青睞［1］，但限于當(dāng)時(shí)生產(chǎn)廠的條件，這種槳的制作精度較差，只能適用于功率不大的內(nèi)河船使用。1996年，山東省交通科研所的許云飛研究員設(shè)計(jì)制造了兩個(gè)1 176 kW、2.2 m直徑的鋼板焊接槳，為當(dāng)時(shí)中國(guó)同類產(chǎn)品之最［2］。圖1為鋼板焊接螺旋槳葉片的結(jié)構(gòu)型式。這2個(gè)螺旋槳委托江蘇省鎮(zhèn)江船廠制造，并于同年11月?lián)Q裝到“黃河”號(hào)滾裝船上。據(jù)了解，該輪換裝螺旋槳后已營(yíng)運(yùn)十多年，至今未出現(xiàn)槳損壞現(xiàn)象。

圖1 鋼板焊接螺旋槳葉片的結(jié)構(gòu)型式

創(chuàng)馳槳雖同屬于鋼板焊接中空螺旋槳，但其設(shè)計(jì)與制造理念不盡相同。首先它采用了厚板概念，無(wú)論是壓力面面板還是吸力面背板都用厚度為15～30 mm的不銹鋼厚板制作；無(wú)需加強(qiáng)筋，葉片的強(qiáng)度和剛度都有保證，其空心的部分所占的比例不大。以直徑D=1.85 m的螺旋槳為例，0.2R處（即葉根處）的截面厚度為75.2 mm，扣除上下板厚度30 mm，其最大的空隙厚度為45.2 mm，約占總截面厚度的60%。這個(gè)空隙向葉梢逐漸減少，到0.7R處減少到0，即從0.7R到葉梢為實(shí)心槳。

由于采用厚板，其導(dǎo)邊和隨邊的形狀，乃至整個(gè)葉片的形狀都可以采用數(shù)控機(jī)床切削成形，其制造精度可以達(dá)到很高的等級(jí)，保證了葉片形狀的準(zhǔn)確性，這也是創(chuàng)馳槳不同于以往鋼板焊接螺旋槳的特征之一。

2 不銹鋼焊接中空螺旋槳與傳統(tǒng)銅質(zhì)鑄造實(shí)心槳的比較

不銹鋼焊接中空螺旋槳從其性能設(shè)計(jì)原理上說(shuō)，是和目前廣泛使用的銅質(zhì)鑄造螺旋槳完全一致的，也即它的槳葉形狀和螺旋槳的主要參數(shù)，如槳的直徑、螺距、盤面比、后傾角、槳葉截面的寬度和厚度、槳的轉(zhuǎn)速、旋向、工作性能和效率是和銅質(zhì)鑄造螺旋槳完全一致的，因此目前普遍使用設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的銅質(zhì)槳的圖紙來(lái)制造，只是在結(jié)構(gòu)形式和制作方法上作些改變。

現(xiàn)將兩種槳的不同之處作一比較，詳見表1。

表1 兩種槳的特征和優(yōu)缺點(diǎn)比較

由表1可見，不銹鋼焊接中空螺旋槳的優(yōu)點(diǎn)很多，唯組裝焊接會(huì)產(chǎn)生誤差為其不足，若能控制裝焊質(zhì)量，則其優(yōu)越性能充分發(fā)揮，符合國(guó)家的發(fā)展方針和環(huán)保政策，是一種很有發(fā)展前途的新產(chǎn)品，完全可能逐步替代傳統(tǒng)的銅質(zhì)槳，引起螺旋槳生產(chǎn)的革命性轉(zhuǎn)型。

3 不銹鋼焊接中空螺旋槳的材料、結(jié)構(gòu)和制作工藝

3.1 材 料

不銹鋼焊接中空螺旋槳使用的材料為奧氏體不銹鋼熱軋厚板，其化學(xué)成分和力學(xué)性能符合CCS《材料與焊接規(guī)范》第1篇（金屬材料）第3章（鋼板、扁鋼與型鋼）第8節(jié)（奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼）所列要求［3］。

3.2 結(jié) 構(gòu)

中空螺旋槳的葉片輪廓、截面形狀與銅質(zhì)鑄造槳完全一致，只是結(jié)構(gòu)形式和制造工藝不同。

中空螺旋槳由螺旋槳葉片和槳轂兩個(gè)部件組成。這兩個(gè)部件分別加工成型后通過(guò)組裝焊接工藝形成一個(gè)整體螺旋槳。

槳轂結(jié)構(gòu)和形狀基本和鑄造槳相同，采用與葉片一樣的不銹鋼材料通過(guò)機(jī)械加工成型。由于不銹鋼的強(qiáng)度高于1級(jí)和2級(jí)錳青銅材料，且韌性好，故相對(duì)來(lái)說(shuō)，不銹鋼制的槳轂直徑可略小于鑄銅槳轂的直徑。

槳葉為厚鋼板焊接中空結(jié)構(gòu)（如圖2所示），由3塊不銹鋼板經(jīng)過(guò)型面切削后焊接而成［4］。這3塊不銹鋼板分別為面板、背板和撐板。面板和背板分別加工成型后，通過(guò)焊接連接成一體，構(gòu)成螺旋槳葉片。在圖2中的左半部可以看到面板與背板的焊接區(qū)，這種焊接屬于填角焊形式。焊接后用砂輪打磨表面，使兩塊板的型面（形狀）光滑過(guò)渡，便成為完整的葉片。撐板是放在中空結(jié)構(gòu)里面的，起到加強(qiáng)作用，同時(shí)也增加葉根與槳轂的焊接連接強(qiáng)度。

圖2 焊接中空槳葉結(jié)構(gòu)

3.3 型面加工

型面加工技術(shù)是創(chuàng)馳螺旋槳的創(chuàng)新技術(shù)特征之一，它關(guān)系到螺旋槳葉片形狀的正確性，正因?yàn)檫@種制造工藝加工出來(lái)的葉片形狀非常精確，因此可以同鑄造螺旋槳的葉片形狀相媲美。

首先是3塊板的放樣。采用UG三維建模技術(shù)在計(jì)算機(jī)上按設(shè)計(jì)院提供的螺旋槳圖紙和葉型剖面型值表生成整體螺旋槳形狀，然后把它分解為葉片和槳轂兩個(gè)部件。槳轂是一個(gè)旋轉(zhuǎn)體，內(nèi)部開有鍵槽，直接可送去車削加工。葉片部件再按確定的設(shè)計(jì)板厚劃分為3塊板，并形成空心結(jié)構(gòu)。每塊板的形狀可以直接生成數(shù)控代碼，用于數(shù)控機(jī)床進(jìn)行型面加工。第二步是按3塊板的周邊輪廓形狀在數(shù)控機(jī)床上下料，其中撐板的形狀基本成型，無(wú)需再進(jìn)行加工，但還要開坡口，滿足焊接要求。第三步是進(jìn)行面板和背板的型面加工，即加工成要求的形狀。在加工前，為了將來(lái)裝配的精確，在葉片的輻射參考線上鉆兩個(gè)定位孔。加工時(shí)，用螺栓將葉板在機(jī)床上做基準(zhǔn)定位?，F(xiàn)舉面板的加工為例。面板是一塊平板，其兩面都可以作為加工的基準(zhǔn)面，若是弓背形剖面，則其推水的一面為平面，將它覆在機(jī)床加工平臺(tái)上，在其上面用數(shù)控銑床銑削出導(dǎo)邊和隨邊形狀即可完成。若是機(jī)翼型剖面，則需一面加工好后翻過(guò)來(lái)，再對(duì)正面（即推水的一面）進(jìn)行導(dǎo)邊和隨邊上翹形狀的加工。背板的拱度較大，可以先用壓力機(jī)床在模具中壓成拱形，然后把與面板的結(jié)合平面作為基準(zhǔn)面，對(duì)其邊緣和上表面（即葉背面）用數(shù)控銑床銑削出要求的形狀。面板和背板加工到位后，進(jìn)行定位和焊接。

3.4 裝 配

槳葉和槳轂的裝配是一道關(guān)鍵工藝。整個(gè)裝配工作在特制的平臺(tái)上完成，圖3是槳葉現(xiàn)場(chǎng)裝配的實(shí)景照片。加工好的槳葉用三個(gè)支架固定到鐵制平臺(tái)上，每個(gè)支架的高度都是可以調(diào)節(jié)的。平臺(tái)的一端設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)盤，用以固定槳轂。螺距測(cè)量?jī)x的芯軸穿過(guò)槳轂安裝在轉(zhuǎn)盤上，可以來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)。它的懸臂上裝有測(cè)量螺距的滑桿和電子顯示屏。

圖3 槳葉現(xiàn)場(chǎng)裝配的照片

葉片和槳轂的定位有兩個(gè)角度需要控制：一個(gè)是葉片的后傾角（又稱槳葉的縱斜），它是通過(guò)控制葉梢和葉根中點(diǎn)兩個(gè)點(diǎn)的高度差來(lái)實(shí)現(xiàn)的，螺距儀能夠精確測(cè)出這兩點(diǎn)的高度差。另一個(gè)是螺距角，它可以用螺距儀按規(guī)定的半徑畫圓弧，電子顯示屏上就會(huì)顯示該半徑處的螺距（局部螺距）。經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)后，用螺距儀反復(fù)測(cè)量幾遍就能達(dá)到正確的定位。此時(shí)用點(diǎn)焊固定。焊接后的螺旋槳，仍可在此裝配平臺(tái)上測(cè)量出焊接后的變形量，然后采取校正措施，反復(fù)檢測(cè)并校正，直到達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)允許的誤差為止。采用這樣的裝配定位工藝可保證槳葉安裝的正確性。

4 焊 接

4.1 結(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

槳葉面板、背板與槳轂的焊接結(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)見圖4。焊接接頭的設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到連接強(qiáng)度，而且關(guān)系到焊接的可實(shí)施性（可達(dá)性）。如圖4的A 結(jié)點(diǎn)詳圖所示，槳葉的面板在內(nèi)側(cè)開有45°的坡口，其外側(cè)的鈍邊是用數(shù)控機(jī)床精確加工出來(lái)的，可與槳轂緊密接觸，而背板與槳轂之間留有30 mm的工藝間隙。焊絲通過(guò)這個(gè)間隙先把面板內(nèi)側(cè)的坡口填平，再進(jìn)行內(nèi)側(cè)坡口外面的填角焊，填角焊的焊腳高度K1要求不小于板厚度t。接下來(lái)進(jìn)行撐板與槳轂的焊接。撐板是預(yù)先安裝在葉片根部的，由于撐板比較厚，一般用30 mm厚的板來(lái)做，需要開雙面坡口，如圖5所示。

圖4 槳葉與槳轂的焊接

圖5 槳葉焊接的細(xì)節(jié)

焊腳高度K要求不小于板厚度t。撐板焊好后，就可以進(jìn)行背板與槳轂的焊接了。由于工藝間隙較大，在焊接前先把一長(zhǎng)條襯板放進(jìn)間隙進(jìn)行點(diǎn)焊定位，然后用焊絲把空隙全部填滿，并用小的圓弧與槳轂表面平滑過(guò)渡（參見圖4的B結(jié)點(diǎn)詳圖）。最后還要進(jìn)行面板與槳轂的圓弧過(guò)渡焊，如圖4的A結(jié)點(diǎn)詳圖所示，過(guò)渡焊腳K2要求不小于1.5t。經(jīng)過(guò)這樣的雙面焊接，連接強(qiáng)度可獲得保證。

4.2 焊接技術(shù)

目前奧氏體不銹鋼焊接大都采用熔化極混合氣體保護(hù)焊。焊絲材料應(yīng)選用其熔敷金屬的化學(xué)成分與母材基本相當(dāng)?shù)暮附硬牧稀?/p>

焊工應(yīng)經(jīng)過(guò)相關(guān)的培訓(xùn)，熟練掌握不銹鋼焊接的技術(shù)。焊接工作結(jié)束后，應(yīng)進(jìn)行退火處理以消除焊接應(yīng)力。

4.3 焊接變形的校正

焊接變形的校正可分為兩個(gè)階段：第一階段是葉片焊接變形的校正；第二階段是葉根（與槳轂）焊接變形的校正。

槳葉經(jīng)過(guò)焊接后會(huì)產(chǎn)生如圖6的變形情況，即葉面（板）產(chǎn)生波浪形，葉背（板）的拱度減小。目前采用的校正方法是壓力校正方法。即以葉背的形狀做一個(gè)模子，這個(gè)模子也是原先加工葉背拱度的模子。葉片焊接完成后再放入這個(gè)模子中，上面用壓力頭加壓，直到葉背與模子貼合為止。一般葉面板經(jīng)過(guò)壓力加工后會(huì)產(chǎn)生極小的拱度，這種拱度對(duì)螺旋槳的性能影響不大，甚至?xí)幸稽c(diǎn)好處。

圖6 葉片焊接變形示意圖

葉根焊接變形后，往往會(huì)使槳葉后傾角減小。所以第一步是采取反變形措施，一般是在裝配時(shí)讓葉梢往上抬高幾毫米，視螺旋槳直徑而定，直徑大，抬高量也大。工廠經(jīng)過(guò)一段實(shí)踐后，得出了一套經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其次是焊接后再測(cè)量后傾角的變化情況，如仍有少許誤差，可采用壓力加工的方法加以校正，直到滿足要求為止。

4.4 焊縫檢驗(yàn)

所有焊縫應(yīng)進(jìn)行外觀檢查。焊縫表面應(yīng)成型均勻，并平緩地向兩側(cè)過(guò)渡。焊縫表面不應(yīng)有裂紋、氣孔、未填滿、焊瘤和咬邊等缺陷。焊縫的內(nèi)部質(zhì)量應(yīng)經(jīng)無(wú)損檢測(cè)方法檢查。無(wú)損檢測(cè)的范圍、數(shù)量及其所采用的工藝和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合CCS接受的標(biāo)準(zhǔn)的要求。

5 強(qiáng)度校核

這種槳的強(qiáng)度問(wèn)題引起了船檢部門的關(guān)注，因此有必要進(jìn)行詳細(xì)論證。

5.1 CCS規(guī)范要求

對(duì)于常規(guī)運(yùn)輸船的螺旋槳，CCS規(guī)范規(guī)定了螺旋槳葉片在葉根處和0.60R處的最大厚度要求。一般的鑄鋼、鑄銅實(shí)心螺旋槳如果按照規(guī)范要求確定葉片的最大厚度，即強(qiáng)度有了保障，可以省去理論計(jì)算的麻煩。

按CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（2006年）第三分冊(cè)的規(guī)定，固定螺距螺旋槳要求核算0.25R和0.60R半徑處的螺旋槳槳葉厚度t，這是因?yàn)槌Ｒ?guī)銅質(zhì)鑄造螺旋槳的轂徑比（即槳轂直徑與螺旋槳直徑之比）一般達(dá)到0.2～0.22，因此槳葉根部的薄弱剖面處于0.25R處。對(duì)于不銹鋼焊接中空螺旋槳來(lái)說(shuō)，轂徑比一般不大于0.18，因此槳葉根部的薄弱剖面可以取0.2R處的剖面模數(shù)來(lái)校核。如果0.2R處的強(qiáng)度滿足要求，若葉片厚度按直線分布規(guī)律，則0.60R處的強(qiáng)度綽綽有余，因此0.60R的葉片厚度可以不進(jìn)行校核。

不銹鋼焊接中空螺旋槳的材料為不銹鋼厚板，其力學(xué)性能好于鑄銅，由于槳葉內(nèi)部有空隙，因此不能用規(guī)范的公式來(lái)校核螺旋槳的強(qiáng)度，只能采用理論計(jì)算方法來(lái)校核螺旋槳的強(qiáng)度。

5.2 螺旋槳強(qiáng)度的理論校核方法

當(dāng)規(guī)范的強(qiáng)度校核公式不能適用時(shí)，規(guī)范允許采用理論計(jì)算方法或其他的等效方法來(lái)校核。這里采用的校核方法來(lái)源于參考文獻(xiàn)［5］中第7章“螺旋槳的強(qiáng)度校核——分析計(jì)算法”。

5.2.1 螺旋槳上作用的力矩

圖7表示在葉根剖面處葉切面承受彎矩情況。

圖7 螺旋槳承受的彎矩圖

其中MF是旋轉(zhuǎn)阻力產(chǎn)生的彎矩；MT是螺旋槳推力產(chǎn)生的彎矩；MS和MC是離心力產(chǎn)生的彎矩。

螺旋槳葉片根部強(qiáng)度的主要校核方向是η-η軸線方向，在圖7中θ角稱為螺距角，它的值等于：

式中：θ為螺距角，°；

H為螺距，m；

D為螺旋槳直徑，m。

將所有的彎矩投影到η-η軸線上，則得到Mη：

5.2.2 螺旋槳推力產(chǎn)生的彎矩

螺旋槳推力產(chǎn)生的彎矩MT：

式中：MT為螺旋槳推力產(chǎn)生的彎矩，N·m；

T為螺旋槳產(chǎn)生的推力，N；

R為螺旋槳半徑，m；

Z為螺旋槳葉片數(shù)，片；

d為槳轂直徑，m；

D為螺旋槳直徑，m；

KT為螺旋槳的推力系數(shù)，可從圖譜中根據(jù)進(jìn)速系數(shù)和螺距比查到；

ρwater為水的密度，kg/m3；

n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，s-1；

xp為校核截面相對(duì)半徑，xp=rp/R，其中rp為校核截面處的半徑m。

5.2.3 螺旋槳扭矩產(chǎn)生的彎矩

螺旋槳阻力（扭矩）產(chǎn)生的彎矩MF：

式中：MF為螺旋槳扭矩產(chǎn)生的彎矩，N·m；

Q為螺旋槳產(chǎn)生的扭矩，N·m；

PD為螺旋槳收到功率，kW；

N為螺旋槳轉(zhuǎn)速，r/min。

5.2.4 離心力產(chǎn)生的彎矩

螺旋槳離心力C的作用如圖8所示。

圖8 螺旋槳離心力C的作用

不銹鋼焊接中空螺旋槳的葉片是分片制造的，所以單片槳葉的質(zhì)量WB（單位為kg）可通過(guò)稱重得到。

槳葉重心至軸線的距離：

單片槳葉產(chǎn)生的離心力C：

式中：C為離心力，N；

g為重力加速度，g＝9.81 m/s2；

WB為單片槳葉的質(zhì)量，kg；

n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，s-1；

rG為槳葉重心至軸線的距離，m。

因槳葉后傾引起的離心力彎矩MS：

式中：lG為后傾槳葉重心至葉根剖面形心的水平距離，m。

式中：ε為槳葉后傾角，°。

因葉面彎曲引起的離心力彎矩MC：

式中：lS為葉根剖面的形心與通過(guò)葉片重心的輻射線之間的距離，m。常規(guī)螺旋槳的lS= 0.199bmax（bmax為葉片最大寬度，m）。

5.2.5 槳葉強(qiáng)度校核

槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，彎曲力矩Mη則在其葉背面C點(diǎn)產(chǎn)生最大的壓縮應(yīng)力，故著重點(diǎn)是校核C點(diǎn)的應(yīng)力。若C點(diǎn)應(yīng)力小于許用應(yīng)力［σ］，則其他各處的應(yīng)力都能滿足強(qiáng)度要求。產(chǎn)生于C點(diǎn)的壓應(yīng)力σC可用式（12）計(jì)算：

式中：σC為C點(diǎn)應(yīng)力，Pa；

M為彎矩，N·m；

W為剖面模數(shù)，m3；

I為剖面慣性矩，m4。

圖9 “創(chuàng)馳”中空槳葉型剖面

不銹鋼焊接中空螺旋槳葉根剖面形狀如圖9所示，采用分塊法計(jì)算。該方法理論上適用于任何復(fù)雜的剖面形狀。

圖9中，“創(chuàng)馳”中空槳葉由面板1、背板2-4-3和撐板5組成。假定軸線與底邊AB線重合。e為中和軸距底邊的距離。

過(guò)剖面內(nèi)中空部分的頂點(diǎn)作AB的平行線CD，將背板劃分為2、3、4三段。再作AC和BD兩條直線，∠ABD稱為導(dǎo)邊角α；∠BAC稱為隨邊角β，均可從圖紙上求得。已知葉片寬度為b，最大厚度為t，面板的厚度為t1，背板的厚度為t4，撐板厚度t5。現(xiàn)將各塊板的面積Ai、形心距假定軸的距離ui、自身慣性矩Ii的計(jì)算公式推導(dǎo)如下：

運(yùn)用剖面模數(shù)計(jì)算的公式即能求得合成面積的剖面模數(shù)。

如果計(jì)算得出的剖面模數(shù)不能滿足許用應(yīng)力水平的要求，可以通過(guò)增加板的厚度來(lái)滿足要求。

5.3 許用應(yīng)力

螺旋槳常用材料的許用應(yīng)力在表2中給出。

表2 螺旋槳常用材料的許用應(yīng)力MPa

5.4 不銹鋼焊接中空螺旋槳強(qiáng)度校核實(shí)例

為了說(shuō)明不銹鋼焊接中空螺旋槳的強(qiáng)度是有保證的，現(xiàn)以85 m工程船配套螺旋槳作為強(qiáng)度校核實(shí)例。該槳采用寧波海星船舶設(shè)計(jì)所提供的鑄銅槳圖紙，由臺(tái)州市創(chuàng)馳螺旋槳廠改制成不銹鋼焊接中空螺旋槳，但其涉及使用性能的參數(shù)并未改變。

5.4.1 85 m工程船螺旋槳的原始數(shù)據(jù)

圖號(hào)：998-107-02

設(shè)計(jì)單位：寧波海星船舶設(shè)計(jì)所

批準(zhǔn)單位：浙江省船舶檢驗(yàn)局（寧波檢驗(yàn)處）

批準(zhǔn)號(hào)：ZNB 11137

批準(zhǔn)日期：2012年2月10日

型式：MAU

葉數(shù)：5

盤面比：0.696

直徑：1.85 m

螺距：1.178 m

螺距比：0.637

主機(jī)功率：353 kW

后傾角：10°

航速V：7.5 kn

下面是不銹鋼焊接中空螺旋槳（“創(chuàng)馳”螺旋槳）相關(guān)數(shù)據(jù)：

材料：1Cr18Ni9Ti

抗拉強(qiáng)度：550 MPa

不銹鋼密度：7.93 g/cm3

延伸率：35%

槳重：360 kg

轂徑：0.26 m

轂長(zhǎng)：0.37 m

單片葉重：56 kg

主機(jī)轉(zhuǎn)速：1 200 r/min

速比：5∶1（即槳的額定轉(zhuǎn)速為4 s-1）

槳葉根部厚度t0.2R=70 mm=0.07 m

槳葉根部寬度b0.2R=387 mm=0.387 m

槳葉面最大寬度bmax=580 mm=0.580 m

面板厚度t1=14 mm=0.014 m

背板厚度t4=14 mm=0.014 m

撐板厚度t5=30 mm=0.030 m

導(dǎo)邊角α=41.2°

隨邊角β=20.2°

5.4.2 彎矩計(jì)算

收到功率PD=0.9×353 kW=317.7 kW（0.9為傳動(dòng)效率）

轂徑比d/D=0.14

海水密度ρwater=1 026 kg/m3

tanθ=0.202 685 5

螺距角θ=0.2 rad

推力T=28 843.337 8 N

推力彎矩MT=-2 555.196 N·m

扭矩Q=12 640.885 9 N·m

阻力彎矩MF=-1 650.636 N·m

rG=0.368 5 m

離心力C=1 328.734 6 N

lG=0.048 3 m

離心力彎矩MC=153.362 6 N·m

離心力彎矩MS=64.2 N·m

η-η軸彎矩Mη=2 269.767 N·m

5.4.3 剖面模數(shù)計(jì)算

如圖9的“創(chuàng)馳”中空槳葉型剖面模數(shù)計(jì)算列于表3。

表3 葉型剖面模數(shù)計(jì)算

5.4.4 強(qiáng)度校核

校核結(jié)果如下：

主彎矩Mη=2 269.767 N·m

葉根剖面的最小剖面模數(shù)Wmin=0.000 102 68 m3

最薄弱處C點(diǎn)應(yīng)力σC=Mη/Wmin=22.1 MPa

許用應(yīng)力（不銹鋼）［σ］=50 MPa

σC<［σ］說(shuō)明鑄銅實(shí)心螺旋槳改變?yōu)椴讳P鋼焊接中空螺旋槳后，在葉根剖面尺度不變的情況下，強(qiáng)度也完全滿足要求。

事實(shí)上，創(chuàng)馳螺旋槳廠已經(jīng)生產(chǎn)了數(shù)以千計(jì)的不銹鋼焊接中空螺旋槳，在使用十多年以后，沒有一個(gè)槳因強(qiáng)度不夠而損壞。即使有的葉片打歪了，葉根部位仍然完好。

6 結(jié) 論

綜合上述分析與比較，我們可以得到如下結(jié)論：

（1）不銹鋼焊接中空螺旋槳是在傳統(tǒng)螺旋槳的基礎(chǔ)上采用新材料（不銹鋼）、新型結(jié)構(gòu)（分部件制造經(jīng)過(guò)組裝焊接成整體槳）、新穎制作工藝（數(shù)控型面加工技術(shù)和焊接工藝）而形成的新螺旋槳品種。它具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)耐用等優(yōu)點(diǎn)，有較好的發(fā)展前途。

（2）傳統(tǒng)的螺旋槳鑄造工藝復(fù)雜、手工作業(yè)繁重且耗能、耗材、耗工時(shí)、也不夠環(huán)保，因此開發(fā)新型不銹鋼焊接中空螺旋槳具有重要意義。

（3）不銹鋼焊接中空螺旋槳的生產(chǎn)已經(jīng)形成一套完整的工藝方法（包括焊接結(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、裝配質(zhì)量的控制和檢測(cè)手段），其成品質(zhì)量可與鑄造槳相媲美。

（4）提出了不銹鋼焊接中空螺旋槳強(qiáng)度校核的理論計(jì)算方法，并做了實(shí)例計(jì)算，結(jié)果表明不銹鋼焊接中空螺旋槳按照鑄銅螺旋槳的尺度來(lái)生產(chǎn)，其強(qiáng)度完全可以滿足規(guī)范要求。

［1］ 郭建民，許云飛.鋼板槳葉焊接時(shí)導(dǎo)隨邊升高值H估算公式的生成及應(yīng)用［J］.中外船舶科技，2008（4）：12-17.

［2］ 許云飛.大功率大直徑鋼板焊接槳的研制［J］.江蘇船舶，1998（4）.

［3］ 中國(guó)船級(jí)社.材料與焊接規(guī)范［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［4］ 朱珉虎.一種創(chuàng)新的不銹鋼螺旋槳制造方法［J］.中外船舶科技，2011（2）：21-22.

［5］ 盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理（下）［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2010.