掛舵臂外形改進(jìn)

陳月松

（天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司，上海 201612）

0 引 言

半懸掛舵是船舶常用的一種舵系，由舵葉和掛舵臂組成（見(jiàn)圖1）。掛舵臂的主要作用是固定舵葉，承受舵葉產(chǎn)生的水平力和彎矩，同時(shí)能提高船舶的航向穩(wěn)定性。掛舵臂的常規(guī)外形是按舵葉的外形擴(kuò)展而成的，水平剖面是流線型剖面。

圖1 半懸掛舵的基本形式

圖2 掛舵臂的組成部分

掛舵臂由舵鈕、側(cè)板、后端板、水平隔板（或水平筋）和垂向隔板（或垂向筋）等構(gòu)件組成（見(jiàn)圖2）。按照制造材料分類(lèi)，掛舵臂主要分為鑄鋼掛舵臂和鋼板掛舵臂2種，其中：鑄鋼掛舵臂是指采用鑄造法制造而成的掛舵臂，除了水平隔板和垂向隔板的原材料可以是鋼板以外，其他構(gòu)件的原材料都是鑄鋼；鋼板掛舵臂是指通過(guò)一定的加工工藝，先將鋼板制造成構(gòu)件，再對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行拼裝和焊接，最終形成的掛舵臂，除了舵鈕是鑄造的以外，其他構(gòu)件的原材料都是鋼板。

在制造掛舵臂的過(guò)程中，存在以下難點(diǎn)。

1) 鑄鋼掛舵臂：水平隔板和垂向隔板的鑄造。若在掛舵臂內(nèi)部鑄造隔板，不僅制造鑄模的難度較大，而且在鑄造后期隔板會(huì)妨礙掛舵臂內(nèi)部鑄模的清理工作。對(duì)于該問(wèn)題，當(dāng)前常用的解決方法有2種：第1種方法是當(dāng)掛舵臂體形較小、施工人員無(wú)法進(jìn)入掛舵臂內(nèi)部空間時(shí)，將隔板改為筋（見(jiàn)圖2），或?qū)⒏舭迦∠坏?種方法是當(dāng)掛舵臂體形較大、施工人員可進(jìn)入掛舵臂內(nèi)部空間施工時(shí)，先將隔板改為鋼板制造，再將隔板焊接在掛舵臂內(nèi)部。

2) 鋼板掛舵臂：側(cè)板的加工。從圖2中可看出：后端板和隔板都是平面構(gòu)件，可直接用鋼板切割成形；側(cè)板是曲面構(gòu)件，只有通過(guò)加工才能將鋼板彎曲成所需側(cè)板的形狀。在目前的生產(chǎn)技術(shù)條件下，側(cè)板加工不僅難度較大，而且加工工作量是所有構(gòu)件加工中最高的。

對(duì)于上述困難點(diǎn)，目前已有針對(duì)鑄鋼掛舵臂的解決方案，但還沒(méi)有針對(duì)鋼板掛舵臂的有效解決方案。為了消除鋼板掛舵臂的制造難點(diǎn)，提出一種新的掛舵臂外形，即折線型外形，側(cè)板的外表面由平面、圓弧面和圓柱面連接而成，取代常規(guī)的曲面。該方案對(duì)降低鑄鋼掛舵的成本也是有利的，因?yàn)樵阼T模的制作中，平面制作的難度和成本均比曲面低一些。

1 折線型外形說(shuō)明

從施工的角度來(lái)說(shuō)，采用折線型外形的目的是減少曲面面積，從而降低加工工作量。因此，采用折線型外形就是將常規(guī)的連續(xù)變化的曲面改為平面、圓弧面和圓柱面的組合體。圖3為折線型外形示意，在導(dǎo)邊的法線方向，掛舵臂的外形由正平面、圓弧面、斜平面和圓柱面等4部分組成。

1) 正平面位于掛舵臂的后端區(qū)域。兩側(cè)的正平面相互平行，兩側(cè)之間的間距等于掛舵臂后端處的寬度。該寬度按常規(guī)方法確定，等于舵葉在后端板處的寬度。

2) 圓弧面的作用是連接正平面和斜平面，保證外形光順，避免臺(tái)階。為了保證冷軋質(zhì)量和滿(mǎn)足船級(jí)社的要求，圓弧面的內(nèi)緣半徑不小于鋼板厚度的10倍[1]。

圖3 折線型外形示意

3) 斜平面與連接圓弧、圓柱面均為相切連接。斜平面與剖面中心線的夾角參照船體線型中的水線半進(jìn)流角取值[2]。半進(jìn)流角的大小與阻力有關(guān)，主要取決于船舶航速，低速船為32°～36°，中速船為15°～25°，高速船為6°～12°。另外，折線型外形應(yīng)盡量接近常規(guī)外形，減少差異。因此，斜平面與剖面中心線的夾角取為10°～20°。

4) 圓柱面位于掛舵臂的導(dǎo)邊處。圓柱面的半徑等于常規(guī)外形導(dǎo)邊頂點(diǎn)的半徑，即舵葉導(dǎo)邊頂點(diǎn)的半徑。例如，NACA系列舵葉導(dǎo)邊處的圓弧半徑其中：t為舵葉的厚度；i為舵葉的厚度比；b為掛舵臂區(qū)域內(nèi)的平均舵葉舷長(zhǎng)。

2 側(cè)板加工工藝分析

側(cè)板的原材料是平面鋼板，需通過(guò)適當(dāng)?shù)募庸摪寮庸こ伤璧男螤睢?/p>

1) 對(duì)于常規(guī)外形的側(cè)板，目前常用的加工方法是：將側(cè)板分成前后2部分，先分別加工，再焊接起來(lái)（見(jiàn)圖4）。

(1) 后側(cè)板加工使用的設(shè)備是油壓機(jī)。在加工時(shí)，先沿著曲線方向在鋼板上設(shè)置若干道壓軋位置，再在每道位置上進(jìn)行軋制（見(jiàn)圖5）。從左向右（或從右向左）依次在各道位置上軋制1次，記為1個(gè)加工周期。由于鋼板具有較強(qiáng)的彈性，每次軋制都會(huì)對(duì)周邊區(qū)域產(chǎn)生一些影響，故各位置上不能一次軋制到位，需多次軋制。因此，后側(cè)板需進(jìn)行多個(gè)周期的加工。

(2) 導(dǎo)邊板加工分2個(gè)步驟進(jìn)行。第1步，用油壓機(jī)將鋼板壓制成V形板，方法與軋制后側(cè)板相似，也需進(jìn)行多個(gè)周期的加工（見(jiàn)圖6）。第2步，先按掛舵臂的線型制作樣箱（見(jiàn)圖7），再將V形板覆置在樣箱上，最后通過(guò)外力使鋼板變形，將鋼板一點(diǎn)一點(diǎn)地貼合到樣箱上，直到全部貼合為止（見(jiàn)圖8）。在第2步中，局部區(qū)域可采用水火加工法加工。

圖4 側(cè)板的分區(qū)

圖5 后側(cè)板的加工

圖6 導(dǎo)邊板的加工

圖7 樣箱

圖8 用樣箱加工導(dǎo)邊板

2) 對(duì)于折線型外形的側(cè)板，依照線型分成正平面、圓弧面、斜平面和圓柱面等4部分。在加工時(shí)，同樣先分別對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行加工，再焊接起來(lái)。

(1) 正平面和斜平面是平面構(gòu)件，只需從鋼板上切割出來(lái)，無(wú)須進(jìn)行其他加工。

(2) 圓弧面可用卷板機(jī)或油壓機(jī)加工。若用卷板機(jī)加工，可一次性將圓弧面加工完成；若用油壓機(jī)加工，加工方法與后側(cè)板相同。

(3) 對(duì)于圓柱面的加工，建議先制造專(zhuān)用的模具，再用油壓機(jī)軋制，方法與導(dǎo)邊板相同。為了降低模具成本和對(duì)油壓機(jī)的要求，圓柱面模具的長(zhǎng)度只需取圓柱面整體長(zhǎng)度的一部分即可。

表1為2種側(cè)板加工方法對(duì)比。從表1中可得出，加工折線型外形側(cè)板的總工作量約為加工常規(guī)外形側(cè)板總工作量的50%，特別是減少了大量手工工作量。因此，折線型外形在側(cè)板加工方面具有極大的優(yōu)勢(shì)。

續(xù)表1

3 掛舵臂外形對(duì)掛舵臂強(qiáng)度的影響

根據(jù)船級(jí)社的要求[3]，掛舵臂在任意水平剖面上的強(qiáng)度均需滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)剖面模數(shù)、剪切應(yīng)力和相當(dāng)應(yīng)力的要求。剪切應(yīng)力校核的是后端板強(qiáng)度，無(wú)論是常規(guī)外形還是折線型外形，后端板的形狀都是相同的，故剪切應(yīng)力也是相等的。在一般情況下，只要剖面模數(shù)和剪切應(yīng)力滿(mǎn)足要求，相當(dāng)應(yīng)力就能滿(mǎn)足要求。

圖9 剖面模數(shù)的計(jì)算模型

4 掛舵臂外形對(duì)舵的水動(dòng)力特性和裸船阻力的影響

根據(jù)《船舶設(shè)計(jì)手冊(cè)》的說(shuō)明[2]，半懸掛舵的水動(dòng)力特性不僅取決于其展弦比和剖面形狀，而且受到掛舵臂的影響，情況十分復(fù)雜，至今沒(méi)有可靠的計(jì)算方法，確定舵水動(dòng)力特性相對(duì)可靠的方法是進(jìn)行模型試驗(yàn)。因此，當(dāng)掛舵臂外形改為折線型之后，要研究其對(duì)舵水動(dòng)力特性的影響，必須進(jìn)行模型試驗(yàn)，本文不做詳細(xì)討論。

在現(xiàn)有的船舶中，單槳單舵船的舵阻力為裸船總阻力的1%～2%[2]，雙槳雙舵船的舵阻力為裸船總阻力的3%～5%。在半懸掛舵中，舵阻力是舵葉阻力與掛舵臂阻力之和，而掛舵臂的側(cè)投影面積不超過(guò)整個(gè)舵系面積的25%（如圖1所示），故單個(gè)掛舵臂的阻力為裸船總阻力的0.4%～1.0%。因此，改變掛舵臂的外形對(duì)裸船總阻力的影響不大，即折線型外形掛舵臂與常規(guī)外形相比在對(duì)裸船阻力的影響方面沒(méi)有明顯的差別。

5 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)鋼板掛舵臂采用折線型外形時(shí)，在保證掛舵臂的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求和對(duì)裸船阻力的影響很小的情況下，能減少制造掛舵臂時(shí)的工作量，有效降低制造成本，從而較好地應(yīng)對(duì)勞動(dòng)力成本日趨上漲的行情。

若通過(guò)模型試驗(yàn)?zāi)艽_定斜平面與剖面中心線的夾角、圓弧半徑和圓柱面半徑相對(duì)于各種掛舵臂尺寸的理想取值，則折線型外形就能成為通用模型，為掛舵臂的設(shè)計(jì)提供一種新的思路。