團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《船用中空螺旋槳》的研究與解讀

鄭衛(wèi)兵，朱珉虎

（臺(tái)州市創(chuàng)馳螺旋槳廠，浙江臺(tái)州 318058）

0 引言

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《船用中空螺旋槳》歷經(jīng)數(shù)年的研究制訂，已于2019年4月15日由中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)（CANSI）發(fā)布并實(shí)施，并于2019年8月正式出版（見圖1）。它涉及一項(xiàng)創(chuàng)新的螺旋槳生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品研究成果。標(biāo)準(zhǔn)的制訂與發(fā)布為這項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用和新產(chǎn)品的推廣奠定了基礎(chǔ)。

圖1 團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《船用中空螺旋槳》封面

1 團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)在我國(guó)來(lái)說(shuō)，也算是新生事物。自從2017年11月，我國(guó)通過(guò)的“標(biāo)準(zhǔn)化法”首次明確了團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的法律地位以來(lái)，團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的制訂和發(fā)布逐年增長(zhǎng)，僅2019年，全國(guó)新增團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)6 227項(xiàng)[1]，對(duì)于我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化工作起到了很大的推動(dòng)作用。

在船舶行業(yè)中，團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)是船舶工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的重要組成部分，是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的有益補(bǔ)充。

在國(guó)際上，除了ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)覆蓋范圍比較廣泛，為各國(guó)普遍采用之外，一些協(xié)會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)（團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)）也被普遍接受，如SAE（汽車工程師協(xié)會(huì)）是以美國(guó)為基礎(chǔ)的專業(yè)化協(xié)會(huì)，頒布汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它所頒布的標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)際汽車行業(yè)所普遍接受，甚至擴(kuò)展到航空航天領(lǐng)域。

《船用中空螺旋槳》申請(qǐng)的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)是中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。

中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)是由船舶制造與修理、船舶配套設(shè)備制造企業(yè)和科研設(shè)計(jì)院所，與船舶行業(yè)相關(guān)聯(lián)的高等（專業(yè)）院校和企、事業(yè)單位以及符合條件的同業(yè)經(jīng)濟(jì)組織，按平等自愿的原則組成的非營(yíng)利性的全國(guó)性船舶工業(yè)行業(yè)組織。中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)現(xiàn)有團(tuán)體會(huì)員530余家，包含了全國(guó)船舶行業(yè)規(guī)模以上的大、中型企事業(yè)單位，其產(chǎn)品產(chǎn)量占全國(guó)船舶工業(yè)總產(chǎn)量的95%以上。因此，它所發(fā)布的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)適用范圍廣，在我國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)中有重要影響。

我國(guó)開展團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的制定只有一年多的時(shí)間，《船用中空螺旋槳》是中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)立項(xiàng)的第四批計(jì)劃，發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為：T/CANSI 6-2019（其中，T表示團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，CANSI是中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)的縮寫，6是標(biāo)準(zhǔn)的順序號(hào)），說(shuō)明這是中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的第6項(xiàng)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。

2 船用中空螺旋槳開發(fā)的背景

“船用中空螺旋槳”是一種新穎的螺旋槳的產(chǎn)品。

傳統(tǒng)的船用螺旋槳極大部分是實(shí)心的銅質(zhì)槳，用鑄造的方法制造出來(lái)的。它雖然能滿足大多數(shù)船舶的使用要求，但隨著時(shí)代的變遷，也產(chǎn)生了許多新的問(wèn)題。

首先是海水的污染導(dǎo)致銅質(zhì)槳的腐蝕加速。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，港灣和江河水域的海水污染加劇，銅合金螺旋槳的耐蝕性能也開始出現(xiàn)問(wèn)題。因工業(yè)廢水和城市污水的排放，使海水中的有機(jī)物大量增加，導(dǎo)致厭氣性硫酸鹽還原菌大量繁殖。海水中的硫酸鹽被還原后產(chǎn)生了對(duì)銅合金具有強(qiáng)烈腐蝕作用的硫離子。因此,銅合金螺旋槳因這種腐蝕所造成的破壞常有發(fā)生，甚至僅使用數(shù)日螺旋槳表面便發(fā)黑且粗糙不堪。

取代銅合金的最佳材料便是不銹鋼。從 1972年以來(lái)，日本幾乎有一半的螺旋槳是用不銹鋼制造的。瑞典的米化公司和塞爾士達(dá)公司在所生產(chǎn)的螺旋槳中,不銹鋼螺旋槳占90%[2]。

不銹鋼作為螺旋槳材料的優(yōu)點(diǎn)如下：

1）可以高強(qiáng)度化。在相同的設(shè)計(jì)條件下，螺旋槳的重量與銅合金相比可大幅度減少。螺旋槳重量的減輕有利于防止船尾軸承磨損，減少槳的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2）由于強(qiáng)度高，有利于大側(cè)斜槳的設(shè)計(jì)。葉片可以減薄，并可制成多葉槳，不僅使螺旋槳的推進(jìn)效率提高，而且減少了槳的振動(dòng)，降低了噪聲。

3）由于不銹鋼的腐蝕疲勞強(qiáng)度和抗空泡剝蝕性能是銅合金的幾倍甚至十幾倍，使槳的壽命得以提高，特別是在污染海水中，不銹鋼更有優(yōu)勢(shì)。

這里要說(shuō)明一下。日本使用的不銹鋼是鑄造不銹鋼，而我國(guó)使用的是軋制出來(lái)的不銹鋼板材，如304不銹鋼板，它的性能比鑄造出來(lái)的不銹鋼更加優(yōu)越。

其次是傳統(tǒng)螺旋槳使用鑄造工藝，俗稱“翻砂”。它先要做一個(gè)螺旋槳葉片的型模，然后在砂箱中造型（即形成空腔），再把熔化了的銅合金澆灌進(jìn)去，待冷卻后，損壞掉砂型，把螺旋槳取出來(lái)，切除冒口和飛邊，表面磨光，形成光潔的螺旋槳。這種工藝的缺點(diǎn)是：

1）手工作業(yè)量大，不利于機(jī)械化和自動(dòng)化。

2）能耗大。金屬需要在電爐中熔融，螺旋槳廠是能耗大戶。而且熔融的金屬產(chǎn)生熔渣，加上切去的冒口，有色金屬的損耗量大，也是能源消耗，增加了碳排放。

3）螺旋槳翻砂需要優(yōu)質(zhì)的型砂。現(xiàn)在，這種砂的資源極度枯竭，過(guò)度開挖破壞環(huán)境，不利于河床穩(wěn)定。這種型砂在制作砂型時(shí)添加了水玻璃作為粘接劑，因此翻砂后，這些型砂不可再利用，無(wú)論傾倒在田野里還是掩埋在深坑里，都會(huì)造成環(huán)境污染。

4）螺旋槳為了減振降噪，傾向于增加葉數(shù)和加大側(cè)斜。五葉以上的槳由于葉根部分相互產(chǎn)生干擾，用翻砂來(lái)制造很困難。

綜上所述，傳統(tǒng)的螺旋槳鑄造工藝不可持續(xù)。

取代螺旋槳鑄造工藝的最佳方案是采用機(jī)加工分片制造槳葉，再用焊接工藝組裝起來(lái)。

20世紀(jì)90年代初，臺(tái)州市創(chuàng)馳螺旋槳廠研制成功了一種新穎結(jié)構(gòu)的螺旋槳——“不銹鋼板焊接中空螺旋槳”。它首先將螺旋槳葉片劃分成 3個(gè)部件，用不銹鋼板來(lái)制作，如圖2所示。

圖2 中空螺旋槳葉片結(jié)構(gòu)

這種螺旋槳葉片結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。首先用厚的不銹鋼板來(lái)制作，既減小了焊接工作量，又減小了焊接引起的變形，并且使型面十分堅(jiān)挺，受水動(dòng)力作用時(shí)不易變形。其次采用UG三維放樣，直接生成型面切削加工的數(shù)據(jù)，在數(shù)控機(jī)床上一次切削到位，不僅可以加工出極其復(fù)雜的形狀，而且加工的精度很高。第三是研制了一整套裝配焊接的工夾具和焊接順序，保證了葉片與槳轂安裝的定位精度。

葉片制成后再與槳轂焊接組裝，成品螺旋槳如圖3所示。

圖3 焊接組裝后的快艇螺旋槳

用不銹鋼厚鋼板制作的螺旋槳，內(nèi)部是空心的，減輕重量的效果十分顯著，達(dá)到了減重30%左右。螺旋槳重量的減輕減少了扭矩的消耗，減少了軸承的磨損，可以減少主機(jī)的功率，從節(jié)能和減少碳排放量來(lái)說(shuō)，符合國(guó)家提倡的策略。加上摒棄了生產(chǎn)條件惡劣的翻砂工藝，減少了環(huán)境污染，使螺旋槳生產(chǎn)制造工藝發(fā)生了真正的變革。從工廠生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，中空螺旋槳的結(jié)構(gòu)形式和工藝設(shè)計(jì)便于采用機(jī)加工和柔性制造生產(chǎn)方式，適合數(shù)控加工和自動(dòng)化，有利于實(shí)現(xiàn)“工業(yè)4.0”，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本?？傮w上符合工業(yè)制造的發(fā)展趨勢(shì)。

1992年3月，臺(tái)州市創(chuàng)馳螺旋槳廠生產(chǎn)出第一個(gè)屬于這種型式的鋼板螺旋槳（直徑1.6 m），經(jīng)實(shí)船試驗(yàn)，比同時(shí)期漁船使用的鑄鋼螺旋槳航速快、柴油省、耐沖撞。

2013年5月，臺(tái)州市創(chuàng)馳螺旋槳廠設(shè)計(jì)制造了一個(gè)直徑3.5 m的螺旋槳，是目前最大的不銹鋼板焊接中空螺旋槳，已在實(shí)船上安裝使用[3]。

3 《船用中空螺旋槳》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)適用的范圍

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了船用中空螺旋槳（以下簡(jiǎn)稱：中空螺旋槳）的分類、要求、檢驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、包裝、運(yùn)輸和貯存等。

本標(biāo)準(zhǔn)適用于中空螺旋槳的設(shè)計(jì)、制造與驗(yàn)收。

3.2 分類

中空螺旋槳按直徑D分為：

1）大型螺旋槳，D＞3 500 mm；

2）中型螺旋槳，1 500 mm≤D≤3 500 mm；

3）小型螺旋槳，D＜1 500 mm。

中空螺旋槳按制造精度等級(jí)分為S級(jí)、1級(jí)、2級(jí)和3級(jí)，見表1。

表1 中空螺旋槳制造精度等級(jí)

3.3 材料要求

中空螺旋槳宜由奧氏體不銹鋼材料制成，材料應(yīng)符合GB/T 20878以及中國(guó)船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》的要求。

可采用其他的可焊性材料來(lái)取代奧氏體不銹鋼材料，但應(yīng)符合船檢部門的要求。

中空螺旋槳槳葉的面板、背板和撐板的厚度應(yīng)滿足強(qiáng)度要求，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)載荷、葉片形狀和螺旋槳尺度設(shè)計(jì)選用。為了滿足剛度要求，面板和背板的最小厚度應(yīng)不小于螺旋槳直徑的0.7%，撐板的厚度應(yīng)不小于螺旋槳直徑的2%。

3.4 焊接要求

奧氏體不銹鋼宜采用能量集中的焊接方法進(jìn)行焊接（如熔化極惰性氣體保護(hù)焊）。

應(yīng)制訂合理的焊接工藝。厚度超過(guò)10 mm的板必須開坡口。焊前板材表面應(yīng)徹底清除油污物和雜質(zhì)。

為減小焊接變形，應(yīng)適當(dāng)采取反變形措施。反變形量由工廠根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。焊接后產(chǎn)生的（剩余）變形量采用在模具中進(jìn)行壓力加工予以修正。

中空螺旋槳的槳葉與槳轂的焊接結(jié)點(diǎn)形式如圖4所示。為了在槳葉內(nèi)部焊接撐板與槳轂，在背板根部開有工藝孔，見B結(jié)點(diǎn)詳圖。工藝孔的高度為30 mm，待撐板焊接結(jié)束后，在工藝孔里側(cè)加填焊接襯板，然后封填工藝孔。焊接襯板的厚度應(yīng)不小于連接板的板厚的1/2。

圖4 槳葉與槳轂的焊接結(jié)點(diǎn)圖

對(duì)焊腳高度的要求：焊腳高度K1≥t1；K2≥1.5t4。此處t1為面板的厚度，t4為背板的厚度。

槳葉面板、背板與撐板的焊接結(jié)點(diǎn)形式如圖 5所示。要求：焊腳高度 K3≥0.6t5。此處 t5為撐板的厚度。

圖5 槳葉面板、背板與撐板的焊接結(jié)點(diǎn)

背板與面板的填角焊要充分填滿空隙，并盈出板面，然后用砂輪磨去盈余部分，使板面光滑過(guò)渡。

焊接后的槳葉應(yīng)進(jìn)行密性檢查，在0.2 MPa的試驗(yàn)壓力下穩(wěn)壓不少于30 s，焊縫上應(yīng)無(wú)滲漏，試驗(yàn)后槳葉應(yīng)無(wú)殘余變形。

3.5 靜平衡要求

螺旋槳在作靜平衡之前，應(yīng)先進(jìn)行隨遇平衡檢驗(yàn)。

當(dāng)螺旋槳直徑D＞1 500 mm時(shí)，按式（1）計(jì)算掛重G。

當(dāng)螺旋槳直徑D≤1 500 mm時(shí)，按式（2）計(jì)算掛重G。

式中：G為掛重，kg；m為螺旋槳質(zhì)量，kg；R為螺旋槳半徑，mm；n為螺旋槳在額定功率時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，r/min；D為螺旋槳直徑，mm；C為系數(shù)，按螺旋槳轉(zhuǎn)速及螺旋槳精度等級(jí)的系數(shù)K而定。當(dāng) n≥180 r/min時(shí)，C=K；當(dāng) n＜180 r/min時(shí)，C=K(n/180)2。K值按表2選取。

表2 系數(shù)K值

螺旋槳在臥式平衡儀上做靜平衡檢驗(yàn)時(shí)，將掛重分次掛于各槳葉葉梢最大厚度標(biāo)記點(diǎn)上，然后將掛重的槳葉葉梢最大厚度標(biāo)記轉(zhuǎn)到水平位置并使其靜止，當(dāng)去掉支承后，掛重的槳葉向下轉(zhuǎn)動(dòng)即為合格。

3.6 動(dòng)平衡要求

轉(zhuǎn)速500 r/min以上的螺旋槳應(yīng)要求進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，允許的不平衡力矩應(yīng)符合中國(guó)船級(jí)社批準(zhǔn)圖紙的要求。如批準(zhǔn)圖紙無(wú)要求時(shí)，則要求螺旋槳的剩余不平衡質(zhì)量不得超過(guò)按式（3）進(jìn)行計(jì)算得出的衡準(zhǔn)值Uper。

式中：Uper為許用不平衡質(zhì)量，g；G’為平衡品質(zhì)等級(jí)（表3），mm/s；m為螺旋槳質(zhì)量，kg；r為平衡半徑，r取0.8R/mm；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，r/min。

表3 平衡品質(zhì)等級(jí)G’值

3.7 檢驗(yàn)項(xiàng)目

中空螺旋槳型式檢驗(yàn)和出廠檢驗(yàn)的項(xiàng)目和順序按表4進(jìn)行。

表4 中空螺旋槳檢驗(yàn)項(xiàng)目和順序

表中的要求章條號(hào)和檢驗(yàn)方法章條號(hào)系標(biāo)準(zhǔn)中的編號(hào)，如有需要，請(qǐng)查閱標(biāo)準(zhǔn)文本[4]。

4 船用中空螺旋槳強(qiáng)度校核方法

在船級(jí)社制定的船舶建造與入級(jí)范圍中，對(duì)螺旋槳的強(qiáng)度校核是有要求的。雖然各國(guó)船級(jí)社制定的螺旋槳強(qiáng)度校核規(guī)則有所不同，但都是針對(duì)實(shí)心螺旋槳葉片的。中空螺旋槳結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，帶來(lái)了現(xiàn)有船舶建造規(guī)范中規(guī)定的螺旋槳強(qiáng)度公式（方法）不適用的問(wèn)題。

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。為此，需要開發(fā)一套簡(jiǎn)便實(shí)用的、適合中空螺旋槳的強(qiáng)度校核方法。

本標(biāo)準(zhǔn)中附錄A（規(guī)范性附錄）提供了“船用中空螺旋槳強(qiáng)度校核方法”。這個(gè)附錄的內(nèi)容包含兩個(gè)部分。第一部分是螺旋槳所受外力（矩）的計(jì)算方法，基本上是采用上海交通大學(xué)的教科書《船舶原理》[5]第7章“螺旋槳的強(qiáng)度校核——分析計(jì)算法”中的相關(guān)公式。第二部分是中空螺旋槳葉片剖面模數(shù)的計(jì)算，是本標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)新點(diǎn)。因?yàn)槁菪龢~片的剖面形狀十分復(fù)雜，難以用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型來(lái)表達(dá)，尤其是中空螺旋槳的剖面由幾塊板組成，如果采用常規(guī)的幾何圖形公式來(lái)計(jì)算，要確定許多參數(shù)，不僅工作量大，而且不能形成規(guī)范性的計(jì)算模板，使計(jì)算、審核一目了然。

針對(duì)中空螺旋槳的特點(diǎn)，本標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)了一種簡(jiǎn)便、實(shí)用的剖面模數(shù)計(jì)算模型，如圖6所示。

圖6 中空螺旋槳葉片剖面模數(shù)計(jì)算模型

在這個(gè)計(jì)算模型中，把假定軸放在面板的下表面。在背板下表面的頂點(diǎn)作水平線 CD，把背板切分成3塊板（即板2、板4、板3）來(lái)計(jì)算。這樣，板2和板3就近似成了平行四邊形，形心位置在高度的中點(diǎn)。板4成了圓弧形的板，其面積和形心位置可用現(xiàn)成的公式計(jì)算得到，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算程序。

此外，作AC和BD兩條直線，量取導(dǎo)邊角α和隨邊角 β，就能建立起整套剖面要素計(jì)算公式，如表5所示。有了這些要素，就能按結(jié)構(gòu)力學(xué)的常規(guī)方法計(jì)算出中空螺旋槳葉片的剖面模數(shù)，進(jìn)行強(qiáng)度校核了。

表5 剖面要素計(jì)算公式

具體的計(jì)算細(xì)節(jié)在標(biāo)準(zhǔn)中載明。根據(jù)附錄所載的方法，可以用Excel表格編制強(qiáng)度計(jì)算書的模板，只要在輸入數(shù)據(jù)的空格中輸入相關(guān)參數(shù)，依靠Excel表格強(qiáng)大的計(jì)算功能，中空螺旋槳的強(qiáng)度校核就能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)論

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《船用中空螺旋槳》的制定與發(fā)布，為一項(xiàng)創(chuàng)新產(chǎn)品的推廣和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。標(biāo)準(zhǔn)反映了理論研究的成果，也是20多年來(lái)生產(chǎn)和使用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。

臺(tái)州市創(chuàng)馳螺旋槳廠在 20多年中已經(jīng)生產(chǎn)了數(shù)以千計(jì)的不銹鋼板焊接中空螺旋槳，使用在漁船、工程船和中小型船舶上，從未發(fā)生過(guò)槳葉脫落和斷裂的現(xiàn)象，證明強(qiáng)度是足夠的。

這種新穎不銹鋼板焊接中空螺旋槳的產(chǎn)生和完善，為替代傳統(tǒng)的銅合金鑄造螺旋槳?jiǎng)?chuàng)造了條件。這種生產(chǎn)方式符合環(huán)保和生產(chǎn)自動(dòng)化的要求，是傳統(tǒng)螺旋槳鑄造工藝改革和發(fā)展的方向。