船舶輪緣推進(jìn)裝置標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建

寧昶雄，嚴(yán)新平,c，歐陽武,c

(武漢理工大學(xué) a.能源與動力工程學(xué)院 可靠性工程研究所；b.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心；c.船舶動力工程技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點實驗室，武漢 430063)

輪緣推進(jìn)裝置(rim driven thruster，RDT)(見圖1)是近年來備受關(guān)注的電力直驅(qū)式船(艦)推進(jìn)技術(shù)，創(chuàng)造性地將驅(qū)動電機(jī)、螺旋槳、軸承、導(dǎo)管和舵等部件集成一體，螺旋槳安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子環(huán)內(nèi)，定子線圈安裝在導(dǎo)管內(nèi)，通電時定子驅(qū)動鑲嵌有永磁鐵的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)從而帶動螺旋槳產(chǎn)生推力，并由兩端的軸承承載，為船(艦)航行提供動力[1]。

圖1 RDT構(gòu)造

這種直驅(qū)模式具有功率密度高、高效、節(jié)省船艙空間，以及振動噪聲低等顯著優(yōu)點[2]。對于潛艇，由于取消穿過耐壓艙的機(jī)械軸和機(jī)械密封，規(guī)避軸系振動，有助于大幅度降低建造費(fèi)用和提高隱身能力；對于民用船舶，除節(jié)能、提高載貨量之外，模塊化設(shè)計還簡化了裝拆工程，減少了維護(hù)成本，采用水潤滑軸承避免了滑油泄漏污染問題。

2005 年美國海軍在發(fā)布的 Tango Bravo計劃中將 RDT 作為新一代潛艇發(fā)展的第一關(guān)鍵技術(shù)[3]。目前，國內(nèi)外有多家研究機(jī)構(gòu)和公司在從事該推進(jìn)器的研制，并相繼推出產(chǎn)品。國外代表性公司包括：挪威Brunvol公司、德國Schottel公司、德國Voith公司和英國Rolls-Royce公司(其船舶業(yè)務(wù)于2018年出售給挪威Kongsberg公司)等。國內(nèi)的研究單位有各自的研究方向[4-12]，但尚未形成成熟產(chǎn)品。

標(biāo)準(zhǔn)化是先進(jìn)高端裝備創(chuàng)新的驅(qū)動力，是實現(xiàn)研發(fā)過程在各環(huán)節(jié)緊密協(xié)作的必要條件，也是搶占相關(guān)高技術(shù)附加值產(chǎn)業(yè)制高點的重要手段[13]。船舶RDT研制，標(biāo)準(zhǔn)化為RDT提供一個可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)環(huán)境[14]。目前國內(nèi)外尚未見到RDT專用標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，更缺乏其標(biāo)準(zhǔn)化的頂層設(shè)計。為此，在分析國內(nèi)外輪緣推進(jìn)器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)上，提出了標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建思路、目標(biāo)和方法，借鑒相似領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化經(jīng)驗，劃分標(biāo)準(zhǔn)體系所涵蓋的內(nèi)容，建立標(biāo)準(zhǔn)體系的框架，并舉例說明輪緣推進(jìn)器水潤滑軸承專用標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建方案。

1 船舶輪緣推進(jìn)器標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

英國、德國和挪威等國已將發(fā)展全電推進(jìn)系統(tǒng)提升到國家交通領(lǐng)域變革性技術(shù)的戰(zhàn)略層面，相關(guān)跨國公司相繼推出RDT產(chǎn)品，并競相搶占大功率RDT的制高點。

通過檢索國內(nèi)外RDT相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范報道，未發(fā)現(xiàn)RDT專用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。只有少量公司在其產(chǎn)品介紹中列出了機(jī)電通用標(biāo)準(zhǔn)或要求，如表1。對于ROV和AUV應(yīng)用的RDT，還列出了挪威船級社對水下裝備殼體的耐壓要求。

表1 Copenhagen Subsea A/S公司列出的RDT通用標(biāo)準(zhǔn)

吊艙電力推進(jìn)器與RDT同屬于集成電力推進(jìn)器，其標(biāo)準(zhǔn)對RDT有直接參考價值。檢索表明，目前針對前者的標(biāo)準(zhǔn)體系和專用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的報道同樣很少，國內(nèi)外推進(jìn)器產(chǎn)品說明書中一般只給出操作和運(yùn)維指南。中國香港的EPROPULSION公司在其小型吊艙推進(jìn)器說明書中列出了產(chǎn)品應(yīng)符合的標(biāo)準(zhǔn)要求(見表2)，主要是機(jī)械和電氣領(lǐng)域的通用標(biāo)準(zhǔn)。

表2 EPROPULSION公司吊艙推進(jìn)器滿足的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

2017年ITTC國際船模水池試驗會議上提出了吊艙推進(jìn)器的水池測試方法，但并非標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范層次?？偟膩碚f，目前的船舶集成電力推進(jìn)器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)非常缺乏，一方面缺乏對推進(jìn)器標(biāo)準(zhǔn)體系的總體規(guī)劃，另一方面，缺乏推進(jìn)器部件和整體的關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。雖然機(jī)電產(chǎn)品的相關(guān)通用標(biāo)準(zhǔn)可供參考，但仍然缺乏系統(tǒng)整理和針對RDT特點的適用性分析。

2 輪緣推進(jìn)器標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建方案

2.1 構(gòu)建原則

RDT標(biāo)準(zhǔn)體系的建立必須符合國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南中的基本原則，結(jié)合該裝備的國內(nèi)外現(xiàn)狀和需求，形成一個完整的標(biāo)準(zhǔn)集合體，因此須同時遵循以下原則。

1)系統(tǒng)性和拓展性。從RDT系統(tǒng)的角度出發(fā)，做到標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)優(yōu)化、層次清晰、分類明確、規(guī)劃協(xié)調(diào)，形成科學(xué)統(tǒng)一、可拓展的有機(jī)整體，覆蓋該系統(tǒng)的全生命周期，同時考慮產(chǎn)品后續(xù)的發(fā)展和更新，處理好系統(tǒng)的兼容和接口問題。

2)先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性。把握RDT系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢，通過標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的約束，保證其相比其他推進(jìn)技術(shù)的先進(jìn)性；同時，該標(biāo)準(zhǔn)體系要綜合考慮我國實際造船、行業(yè)市場的需求，兼顧應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性。例如涵蓋滿足不同客戶的高低配置要求，降低購置費(fèi)用，將成本分?jǐn)偟酵七M(jìn)器的全生命周期中。

3)實用性和前瞻性。該標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)重視推進(jìn)器的實用性，例如要考慮泥沙磨損、水草纏繞、水下硬物碰撞等場景對RDT及其零部件可靠性的要求；同時，也保留產(chǎn)品未來在特殊領(lǐng)域應(yīng)用的可能性，例如作為深海ROV或AUV的推進(jìn)裝置，要考慮RDT的耐壓能力。

4)共性先立、急用先行。在系統(tǒng)規(guī)劃各標(biāo)準(zhǔn)的前提下，針對有共性的標(biāo)準(zhǔn)先制定、示范性等工程優(yōu)先、快速推行關(guān)鍵專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對于研發(fā)、審圖和推廣過程中急需的標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)先研制。

2.2 構(gòu)建目標(biāo)

構(gòu)建立足國情、對接國際的RDT標(biāo)準(zhǔn)體系。按照上述4條原則，圍繞RDT產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、專用材料、工藝、測試檢驗方法、運(yùn)維管理等重點領(lǐng)域開展標(biāo)準(zhǔn)研制工作，從下至上逐步制定出RDT企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和若干行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，再進(jìn)一步推進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)上升為國家標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 構(gòu)建方法

總體構(gòu)思、內(nèi)容組成、框架設(shè)計3個部分，按照“三步法”來建立RDT標(biāo)準(zhǔn)體系。

2.3.1 構(gòu)建思路

如圖2所示，首先對RDT設(shè)計制造技術(shù)體系進(jìn)行梳理分析，形成設(shè)計制造技術(shù)譜系，進(jìn)而分析對具體標(biāo)準(zhǔn)的需求。同時對國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范開展收集、篩選、適用性分析工作，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范適用性研究及轉(zhuǎn)化，成果可以指導(dǎo)RDT專用標(biāo)準(zhǔn)的制定。構(gòu)建內(nèi)容具體包括標(biāo)準(zhǔn)體系框架、標(biāo)準(zhǔn)體系項目明細(xì)表、自主研制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、搭建標(biāo)準(zhǔn)信息管理平臺，并在RDT制造中實施該標(biāo)準(zhǔn)體系，通過生產(chǎn)實踐向標(biāo)準(zhǔn)信息管理平臺反饋，不斷修訂完善標(biāo)準(zhǔn)體系?？偨Y(jié)引申為以下3點。

圖2 RDT標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建思路

1)自主研發(fā)與吸收借鑒并行：基于國內(nèi)外沒有RDT專用標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，大量標(biāo)準(zhǔn)需要自行研發(fā)；同時，積極開展國際上電力推進(jìn)器等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的收集工作，為RDT的標(biāo)準(zhǔn)編制提供參考。

2)確保標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)的緊密結(jié)合：標(biāo)準(zhǔn)是技術(shù)的統(tǒng)一規(guī)范，是技術(shù)成果的結(jié)晶，失去技術(shù)基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)猶如空中樓閣，因此標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建要與技術(shù)路線緊密結(jié)合，才能有生命力。充分體現(xiàn)技術(shù)是標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)對技術(shù)的引領(lǐng)。

3)以示范性、典型項目需求為牽引，加快推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：一方面從全局出發(fā)開展RDT標(biāo)準(zhǔn)體系的整體設(shè)計，另一方面，抓住示范性、典型項目的機(jī)會，加快推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)體系中關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的編制和完善。

2.3.2 標(biāo)準(zhǔn)體系組成

RDT標(biāo)準(zhǔn)體系的組成見圖3，涵蓋了RDT零部件的設(shè)計、制造、檢驗、運(yùn)維等領(lǐng)域。具體標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容如下。

圖3 RDT標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi)容組成

1)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)?；A(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)指RDT及其零部件所涉及領(lǐng)域的共性標(biāo)準(zhǔn)，用于指導(dǎo)規(guī)范產(chǎn)品從設(shè)計到制造再到服務(wù)的全生命周期，包括標(biāo)準(zhǔn)化通則、定義及術(shù)語、標(biāo)識及符號、量和單位、極限與配合、標(biāo)志包裝貯運(yùn)。

2)通用標(biāo)準(zhǔn)。通用標(biāo)準(zhǔn)分為五類，分別是零部件、設(shè)計與開發(fā)、安全、管理和可靠性通用標(biāo)準(zhǔn)。通過將RDT細(xì)化拆解成各零部件，收集與之相似的通用標(biāo)準(zhǔn)，作為專用標(biāo)準(zhǔn)制定的基礎(chǔ)和參考；整理船舶設(shè)備及機(jī)電產(chǎn)品具有共性的設(shè)計與開發(fā)方法，這些標(biāo)準(zhǔn)對RDT的研制將起到啟發(fā)和指導(dǎo)作用；而安全、管理和可靠性則是智能制造總體標(biāo)準(zhǔn)中的重要內(nèi)容[15]，對RDT的應(yīng)用與推廣起著保障和促進(jìn)作用。

3)專用標(biāo)準(zhǔn)。專用標(biāo)準(zhǔn)分為產(chǎn)品研發(fā)階段的專用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和服務(wù)階段的專用管理標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合現(xiàn)有的零部件大類通用標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計與開發(fā)的共性標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)RDT的專用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括RDT與船體的匹配、水下電機(jī)、RDT軸承、槳葉及導(dǎo)管、齒輪電機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、RDT控制系統(tǒng)、RDT狀態(tài)監(jiān)測和RDT設(shè)計與開發(fā)。專用運(yùn)維管理標(biāo)準(zhǔn)包括特征提取、故障診斷、壽命預(yù)測和維修決策，屬于視情維修(condition-based maintenance, CBM)體系中具有RDT產(chǎn)品特色的部分。

2.3.3 標(biāo)準(zhǔn)體系設(shè)計

根據(jù)GB/T15497—2017中對技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)形式的描述，分為序列結(jié)構(gòu)和層級結(jié)構(gòu)，鑒于RDT是由多個零部件組成的，更適合層級結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)也廣泛應(yīng)用在機(jī)電系統(tǒng)[16]等多個領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)體系中。參考國家標(biāo)準(zhǔn)體系的縱向結(jié)構(gòu)布局，將RDT標(biāo)準(zhǔn)體系設(shè)計為3個層次，見圖4。通過層級來確定標(biāo)準(zhǔn)間的從屬關(guān)系，上層標(biāo)準(zhǔn)是下層標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)和指導(dǎo)，是對下層標(biāo)準(zhǔn)的總結(jié)提升，而下層標(biāo)準(zhǔn)要滿足上層標(biāo)準(zhǔn)的要求和約束。橫向結(jié)構(gòu)則按照RDT對技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的需求設(shè)計成并列關(guān)系，同一屬下的若干概念為相容并列關(guān)系，不同屬下面的概念為不相容并列關(guān)系。

圖4 RDT標(biāo)準(zhǔn)體系框架

3 水潤滑推力軸承標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建思路

目前，我國已經(jīng)形成了油潤滑滑動軸承的標(biāo)準(zhǔn)體系[17]，RDT軸承一般采用水潤滑滑動軸承，后者可以參考前者建立相關(guān)專用標(biāo)準(zhǔn)。通過分析水潤滑軸承研制各階段對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的需求，將軸承標(biāo)準(zhǔn)分為六類，見圖5，具體研究思路如下。

圖5 RDT水潤滑軸承專用標(biāo)準(zhǔn)

1)術(shù)語、分類及符號。GB/T 18844-2002中只對油潤滑的金屬軸承進(jìn)行了軸承損壞和外觀變化的術(shù)語、特征及原因的描述，沒有考慮水潤滑高分子軸承的故障情況；GB/T 23893-2009中給出了滑動軸承用熱塑性聚合物的分類，但現(xiàn)在廣泛使用的水潤滑軸承材料Thordon(賽龍)是一種熱固性樹脂，有必要對熱固性聚合物等材料進(jìn)行分類。

2)設(shè)計計算。RDT軸承處于低速、重載、變工況和泥沙侵?jǐn)_等嚴(yán)苛環(huán)境中，軸承潤滑、承載和減振機(jī)制復(fù)雜。GB/T 23892-2009的適用范圍是載荷、轉(zhuǎn)速恒定工況下的剛性點支撐可傾瓦推力軸承，并假設(shè)處于完全油膜潤滑狀態(tài)，且不適用于重載工況。GB/T 21466—2008為徑向軸承的計算標(biāo)準(zhǔn)，同樣是面向完全油膜潤滑的金屬軸承，載荷和轉(zhuǎn)速恒定或者僅載荷恒定工況。顯然水潤滑軸承設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)還需要考慮混合潤滑、熱彈流潤滑和瓦塊支撐變形等因素的影響，通過分析軸承潤滑性能計算的數(shù)值解和解析解，擬合出水潤滑軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計的解析公式集合，形成RDT水潤滑軸承設(shè)計計算方法，從而擬定出水潤滑軸承設(shè)計計算標(biāo)準(zhǔn)。

3)材料。水潤滑軸承最早采用鐵梨木，近年來已逐漸被高分子材料替代，如目前普遍采用的橡膠、聚氨酯、纖維增強(qiáng)酚醛樹脂等人工合成高分子材料，具有優(yōu)良的抗振、減噪、耐磨等特點。目前，僅JB/T 3199—94是熱固性塑料水潤滑耐磨材料的標(biāo)準(zhǔn)，其余均為油潤滑金屬軸承標(biāo)準(zhǔn)。CB/T 769-2008中對船舶整體式橡膠艉軸承的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)做了一些規(guī)定，但在材料、性能測試和技術(shù)指標(biāo)方面仍有欠缺。因此，需要整理各品牌軸承的特性來建立水潤滑軸承材料的概念設(shè)計準(zhǔn)則，最后根據(jù)設(shè)計計算值的指標(biāo)范圍，構(gòu)建符合條件的低速、重載水潤滑軸承材料標(biāo)準(zhǔn)。

4)質(zhì)量保證。目前滑動軸承的質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)有2個。GB/T23895—2009描述了縮小金屬軸承間隙范圍的選擇裝配標(biāo)準(zhǔn)，RDT軸承水膜厚度遠(yuǎn)小于油潤滑軸承膜厚，對軸承間隙更加敏感，而且兆瓦級RDT的軸承直徑達(dá)到了數(shù)米，軸承各瓦的平面度、加工表面粗糙度和安裝精度對軸承服役性能影響較大，需要給出RDT水潤滑軸承加工、裝配和檢測相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；GB/T 23896—2009的內(nèi)容是金屬軸承設(shè)計階段的失效模式和效應(yīng)分析(FEMA)，以此為參考，研究RDT水潤滑軸承失效模式和機(jī)制，建立新的FEMA標(biāo)準(zhǔn)，幫助判定軸承的潛在故障并在設(shè)計階段消除這些故障。

5)檢驗方法。該標(biāo)準(zhǔn)是針對產(chǎn)品性能與質(zhì)量的檢測、試驗等方面制定的標(biāo)準(zhǔn)，是對試驗設(shè)備、試驗條件、操作步驟等進(jìn)行的統(tǒng)一規(guī)定。RDT水潤滑軸承的檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)可分為四個部分開展研究：軸承材料基礎(chǔ)性能檢驗、軸承性能檢驗、軸承服役狀態(tài)監(jiān)測、軸承產(chǎn)品質(zhì)量檢驗。

6)產(chǎn)品技術(shù)要求。該標(biāo)準(zhǔn)是對產(chǎn)品的理化性能、服役性能、可靠性和使用要求等方面提出的技術(shù)規(guī)范。目前僅JB/T 5985—92適用于水潤滑熱固性塑料軸承，包括推力軸承和徑向軸承?？蓞⒖荚摌?biāo)準(zhǔn)對RDT水潤滑軸承的結(jié)構(gòu)形式、材料、標(biāo)記分類、尺寸和公差表、性能等使用要求進(jìn)行規(guī)范。

4 結(jié)論

1)目前國內(nèi)外尚無RDT專用標(biāo)準(zhǔn)及頂層設(shè)計，根據(jù)GB/T 13016-2018和國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南，提出四條原則和思路來構(gòu)建立足國情、對接國際的RDT標(biāo)準(zhǔn)體系。

2)參考GB/T15497—2017的結(jié)構(gòu)形式，將RDT標(biāo)準(zhǔn)體系設(shè)計為三層結(jié)構(gòu)，包括基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、通用標(biāo)準(zhǔn)和專用標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)容涵蓋了RDT各部件的設(shè)計、制造、檢驗、監(jiān)測、運(yùn)維等領(lǐng)域，在其全生命周期內(nèi)形成閉環(huán)規(guī)范。

3)借鑒油潤滑軸承的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，以RDT水潤滑軸承為例，提出六類專用標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建思路，包括術(shù)語、分類及符號、設(shè)計計算、材料、質(zhì)量保證、檢驗方法、產(chǎn)品技術(shù)要求。