全懸掛舵舵承設計

張 黎， 管慶祥， 王海波， 王運才

(大連船舶重工集團設計研究院有限公司， 遼寧 大連 116011)

0 引 言

目前船舶市場普通船舶通常選用半懸掛平衡舵，舵承布置在位于舵機甲板上方的舵承座上。對于全懸掛舵，由于設計有舵套筒結構，如果按照常規(guī)舵承設計，舵承座將影響舵套筒上方舵系部件的安裝，而且全懸掛舵舵桿的設計值相對較大，如果按照常規(guī)舵承設計，舵桿的長度及質量也相對較大。為此，本文著重對全懸掛舵的舵承設計及與常規(guī)舵承的不同之處進行研究，達到合理設計全懸掛舵舵承的目的。

1 常規(guī)及嵌入式舵承受力計算分析

以某大型集裝箱船的船型和舵型參數(shù)(見表1和表2)進行計算，結合船級社規(guī)范[1]中帶舵套筒的全懸掛舵受力圖[1](見圖1)，對舵系受力進行分析。

表1 某大型集裝箱船船型參數(shù)

表2 某大型集裝箱船舵型參數(shù)

圖1 全懸掛舵受力分布圖

Mb=MCR2-MCR1

(1)

(2)

(3)

(4)

B2=CR+B3

(5)

式(1)～式(5)中：MCR1為下舵鈕下方舵葉的彎曲力矩，N·m；MCR2為下舵鈕上方舵葉的彎曲力矩，N·m；Mb為舵桿的彎曲力矩，N·m；CR1為A1舵葉區(qū)域的舵力，N；CR2為A2舵葉區(qū)域的舵力，N；CR為舵葉的舵力，N；B2為舵桿下舵鈕處的作用力，N；B3為舵桿上舵鈕處的作用力，N。

由式(1)～式(5)可以看出：常規(guī)舵承位于舵機甲板上端和優(yōu)化后嵌入舵套筒中的型式，只有l(wèi)30數(shù)值發(fā)生變化，其他變量數(shù)值是一樣的，l30由常規(guī)舵承的8.154 m變?yōu)榍度胧蕉娉械?.941 5 m。通過式(1)～式(3)計算，兩種舵承設計型式的舵桿的彎曲應力Mb是一樣的。通過式(4)和式(5)計算：常規(guī)舵承設計時B2=10 518 534 N，B3=2 500 808 N；優(yōu)化后的嵌入式舵承設計時B2=10 853 014 N，B3=2 835 288 N。

雖然舵承嵌入舵套筒中的型式較常規(guī)舵承設計型式在舵桿上下舵鈕處的作用力都有所增大，但是可以降低系統(tǒng)高度，減小舵桿長度及質量。

2 嵌入式舵承結構設計

常規(guī)的舵承設計[2-3]是在舵機甲板上布置舵承座，再將舵承放置在舵承座上方用于承受整個舵系的重量，如圖2所示。這種設計的優(yōu)點在于舵承安裝時簡單方便。對于全懸掛舵，需要布置舵套筒使之與船體結構相連，舵套筒上平面還需要布置相應的注油孔和透氣孔用于舵套筒內部油脂的注入。由于舵桿安裝時需要自上而下穿入舵套筒，對于全懸掛舵來說，舵桿下方的相對較大，這易導致舵套筒的內徑相對較大。如果舵承布置在舵套筒上方，首先舵桿的長度將增加，其次舵桿與套筒之間的間隙也變大，且對于舵承座內次環(huán)板來說，直徑需加大以保證其可焊接在舵套筒之上。舵套筒內部還需考慮注入油脂，注入孔和透氣孔也布置于舵套筒上平面，舵承座的布置則很可能阻礙油脂的注入施工。綜合考慮上述各因素，可以將全懸掛舵舵承設計為嵌入舵套筒內部的型式。

圖2 常規(guī)舵承示例

首先需設計舵承本體，使其外端和上端與舵套筒內徑和上平面接觸，上端通過螺栓與舵套筒上平面固定，內端布置豎直襯套和舵桿軸套進行配合；其次需考慮舵承的密封作用，在舵承底部布置密封填料，使其與舵桿配合以保證海水無法從舵桿軸套和襯套中流入。密封填料的上下部分通過密封環(huán)座和壓蓋進行固定，保證設計的合理性。對于舵套筒內徑和上平面部分，需布置2個密封圈，保證海水不能進入舵機甲板上方；然后需要在舵承本體上方布置水平襯套，確保在船舶運行過程中舵桿轉動時舵承能安全使用。舵承上方在高度方向上也需要固定，這就需要布置支撐環(huán)和卡箍，且這2個部件需要與舵桿一起轉動。嵌入式舵承如圖3所示。

圖3 嵌入式舵承示例

3 嵌入式舵承潤滑設計

由于舵承布置有水平和豎直襯套，舵桿轉動時有相對摩擦，這就需要對舵承進行潤滑設計。對于常規(guī)舵承，由于舵承高度和位置的允許，水平和豎直襯套各自布置單獨的潤滑管路。對于嵌入式舵承，由于舵承本體大部分嵌入在舵套筒內部，根據(jù)其結構特點，可以在舵承本體位于舵套筒上方的區(qū)域布置一套集成的油路，使之通向水平和豎直襯套，確保舵承的正常使用。

結合嵌入式舵承的設計，布置3個舵承潤滑點，通過油脂泵注入油脂時舵承正常運行。同時，還需布置3個透氣孔，使舵承潤滑能形成回路。這些注油和透氣管路設計應該均勻交叉分布，以確保舵承的均勻潤滑。嵌入式舵承的潤滑設計如圖4所示。

圖4 嵌入式舵承潤滑設計示例

4 嵌入式舵承止推設計及計算校核

對于全懸掛舵的型式，舵套筒需要與船體結構呆舵焊接，焊接不可避免地使舵套筒內孔產(chǎn)生變形，進而導致舵承與舵套筒在不同位置的安裝間隙各不相同。舵承與舵套筒上平面使用普通螺栓進行連接，在船舶運行中舵桿轉動會導致舵承發(fā)生位移，產(chǎn)生摩擦響聲。為了有效解決這一問題，需要在舵承本體法蘭外端布置止推。

舵承承受整個舵系的重量，舵桿運行轉動時，舵承處產(chǎn)生徑向力，一般將止推均勻分布在舵承外側，確定止推的數(shù)量后，還需對舵承止推進行計算校核。對于強度校核，可以采用有限元軟件進行建模分析[4]，也可利用力學公式進行簡化計算，本文采用后者進行舵承止推的計算校核。

摩擦力矩為

(6)

式中：FR為徑向力，2 835 kN；DB為豎直襯套內徑，804 mm；μ為襯套摩擦因數(shù),0.15。

摩擦力矩下的作用力為

(7)

每個止推的總受力為

(8)

式(7)和式(8)中：Lt為扭轉力臂長度，885 mm，位置如圖5所示；QS為止推數(shù)量,6個；ES為每個方向徑向力上的有效止推個數(shù),2個；FM為摩擦力矩下的作用力。

圖5 舵承止推總布置及Lt位置示例

焊縫的截面模數(shù)為

(9)

式中：L1為焊腿長度，415 mm，位置如圖6所示；L1Q為焊縫L1的數(shù)量,6個；a為焊縫尺寸，12 mm。

圖6 舵承止推結構及焊腿長度位置示例

彎曲應力為

(10)

剪切應力為

(11)

等效應力為

(12)

式(10)～式(12)中：TF為舵承法蘭的厚度，115 mm，位置如圖7所示；L2為舵套筒與舵機甲板的厚度差，20 mm，位置如圖7所示。

圖7 舵承止推布置及尺寸位置示例

經(jīng)過計算：MFC=170.95 kN·m；FM=32.19 kN；FS= 1 433.60 kN；Wy= 2 066 700 mm3；σb=53.76 N/mm2，τⅡ=47.98 N/mm2，σv=98.97 N/mm2。允許的等效應力σw=115 N/mm2，σv<σw，說明舵承止推的設計滿足要求。

5 結 語

對全懸掛舵舵承的設計方法進行研究，從受力方面對常規(guī)舵承和嵌入式舵承進行分析，并根據(jù)全懸掛舵的結構特點，進行了嵌入式舵承的結構和潤滑設計，其結構滿足全懸掛舵舵承的設計。結合舵套筒實際焊接安裝的特點，對舵承利用止推進行固定，并進行相應的強度分析，通過分析，止推的等效應力小于允許值，滿足設計要求。

全懸掛舵舵承設計作為全懸掛舵系整體設計的一部分，舵承與舵系其他部件設計相互關聯(lián)、相互制約，合理的舵承設計也將使全懸掛舵系整體設計更加合理。全懸掛舵舵承設計方法的研究，可為任何采用全懸掛舵船舶的舵承設計提供設計方法參考。