冰區(qū)加強船舶推進齒輪箱設(shè)計

邱迎賓

摘要：總結(jié)了當(dāng)前各主要船級社對冰區(qū)航行船舶的冰級規(guī)定，對冰區(qū)加強船舶主推進系統(tǒng)中齒輪箱的冰載扭矩和加強系數(shù)進行了分析對比，為冰區(qū)航行船舶主推進齒輪箱的設(shè)計提供了參考。

關(guān)鍵詞：船用齒輪箱;冰區(qū)加強;冰級

引言

隨著全球氣候持續(xù)變暖、極地海冰不斷融化，高寒地區(qū)油氣資源的開發(fā)以及俄羅斯等國市場的逐漸開放，在冰區(qū)航行的船舶數(shù)量越來越多，新造船要求冰區(qū)加強的也越來越多，冰區(qū)船舶即將迎來大的發(fā)展。對于在冰區(qū)航行的船舶，其推進系統(tǒng)除了要傳遞額定的扭矩和推力之外，還要承受頻繁的冰塊撞擊，這對推進系統(tǒng)中各傳動部件的強度和疲勞強度提出了很高的要求，其設(shè)計要求與傳統(tǒng)的推進系統(tǒng)有著很大的區(qū)別。為了保障冰區(qū)加強船舶的航行安全，世界主要船級社對冰區(qū)船舶推進系統(tǒng)均有各自的附加要求。

1 冰級規(guī)定

經(jīng)過多年的研究和努力，目前各主要船級社和相關(guān)國際組織對冰區(qū)航行船舶的加強規(guī)范已經(jīng)比較完善和統(tǒng)一。按照航行區(qū)域內(nèi)冰況的嚴(yán)重程度，可以將冰區(qū)劃分為當(dāng)年冰冰區(qū)、多年冰冰區(qū)、破冰船冰區(qū)3大類，針對不同的冰區(qū)，加強程度各有不同。

1.1當(dāng)年冰冰區(qū)

當(dāng)年冰冰區(qū)以芬蘭-瑞典冰級規(guī)范（FSICR）為典范，適用于當(dāng)年冰況、冬季航行于波羅的海的船舶。FSICR 2010版吸收了最新的研究成果，相較于2002版修改頗多，目前已被各大船級社采納和參考。個別船級社的冰級符號有所不同，但與FSICR冰級之間也有著一一對應(yīng)的關(guān)系;有的船級社對當(dāng)年漂流浮冰等輕微冰況也做了定義，如CCS的ICE-B等，但這些冰級只要求對船體局部進行加強，不要求對輪機進行加強。

1.2多年冰冰區(qū)

多年冰冰區(qū)主要是極地冰區(qū)，國際船級社聯(lián)合會極地冰區(qū)（IACS PC2007）規(guī)定了PC1～PC7共7個冰區(qū)等級，規(guī)范已于2008年3月開始執(zhí)行。該規(guī)范中的薄冰冰級如PC6、PC7，分別與FSICR中的IA Spuer、IA近似。ABS、BV、DNV/GL、RMRS均采納了IACS極地冰區(qū)的規(guī)定。RINA、CCS未對此做出規(guī)定。

1.3破冰船

除了與FSICR2010和IACS PC2007相當(dāng)?shù)谋鶇^(qū)等級之外，部分船級社如ABS、BV、DNV/GL、RMRS等，還對更強的冰區(qū)等級做了規(guī)定，主要是各類破冰船。破冰船的加強規(guī)范目前尚未統(tǒng)一。

2推進齒輪箱加強

作為傳動系統(tǒng)的一個部件，冰區(qū)加強齒輪箱在設(shè)計時受到螺旋槳、主機等其它部件參數(shù)的影響很大。在不同的設(shè)計階段，根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)的詳細(xì)程度，存在著不同的設(shè)計、校核計算方法。

2.1疲勞強度校核

FSICR 2010規(guī)定傳動系統(tǒng)的強度設(shè)計應(yīng)考慮到冰塊與槳葉撞擊產(chǎn)生的冰致載荷，安全系數(shù)不低于1.3;規(guī)定傳動系統(tǒng)設(shè)計采用金字塔原則，即各部件的強度不低于螺旋槳槳葉的強度。規(guī)范給出了冰塊作用到螺旋槳上的扭矩、彎矩和推力的計算公式，通過載荷譜可以計算疲勞安全系數(shù)。IACS PC2007也給出了冰塊作用到螺旋槳上的扭矩、彎矩和推力的計算公式，但與FSICR 2010的公式不盡相同。

這一方法的優(yōu)點是計算結(jié)果比較準(zhǔn)確，但需要用到的參數(shù)和數(shù)據(jù)較多（槳轂直徑、槳葉直徑、螺距、葉厚、轉(zhuǎn)速、整個系統(tǒng)各部件的轉(zhuǎn)動慣量等），在螺旋槳和系統(tǒng)設(shè)計結(jié)束之前，無法進行有效的設(shè)計計算，更適合于設(shè)計完成后的校核計算。

2.2強度校核

FSICR 2002版曾給出了不同冰級的冰區(qū)扭矩估算公式：

其中M是冰塊撞擊螺旋槳產(chǎn)生的傳動系統(tǒng)附加扭矩;

D——螺旋槳直徑。

這樣通過冰區(qū)等級和螺旋槳直徑即可獲得冰區(qū)扭矩的估值，然后計算冰區(qū)系數(shù)：

——冰區(qū)放大系數(shù)

Tn——額定傳遞扭矩

Jm——折算到螺旋槳軸的主機轉(zhuǎn)動慣量

Jp——螺旋槳及軸系的轉(zhuǎn)動慣量，含附連水

齒輪箱的功率在常規(guī)設(shè)計的基礎(chǔ)上，在放大倍即可。

這一方法不需要螺旋槳的詳細(xì)設(shè)計參數(shù)，簡化了計算，但仍然需要主機和螺旋槳的轉(zhuǎn)動慣量。

2.3簡單估算

在系統(tǒng)設(shè)計的早期階段，螺旋槳及軸系的轉(zhuǎn)動慣量有可能也無法得到。作為初步選型的參考，德國船級社GL2002版曾給出過一個簡化公式：

——系數(shù)，柴油機驅(qū)動取17.5，渦輪機驅(qū)動取30

——冰區(qū)加強系數(shù)，取代

——冰區(qū)級系數(shù)

——主機功率

——螺旋槳轉(zhuǎn)速

這樣可以通過功率和轉(zhuǎn)速獲得簡單粗估的冰區(qū)加強系數(shù)。

2.4放大系數(shù)法

俄羅斯船級社RMRS2018直接給出了不同冰區(qū)等級的扭矩放大系數(shù)KA：

3結(jié)語

本文對當(dāng)前主要船級社的冰區(qū)加強規(guī)范做了統(tǒng)計對比，對冰區(qū)加強船舶推進齒輪箱的計算方法進行了歸納梳理，對各種方法的特點和適用的條件進行了比較分析，為冰區(qū)船舶推進齒輪箱的設(shè)計選型提供參考。

通過實例計算驗證，可以發(fā)現(xiàn)GL2002提供的簡單估算方法是偏保守的，按此方法選型的齒輪箱安全裕度過大，作為初步選型時可考慮適當(dāng)減小該放大系數(shù)。

參考文獻

[1]Finnish-Swedish Ice Class Rules[S]. Finnish & Swedish Maritime Administration，2010

[2]IACS UR I Requirements concerning Polar Class[S]. IACS，2006

（作者單位：南京高精船用設(shè)備有限公司）