一體化舵槳系統(tǒng)安裝研究

王忠強， 趙志華， 姜志強

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司 LNG技術(shù)研究所， 上海 200129)

0 引 言

對標(biāo)國際造船，韓國主流船廠已實現(xiàn)在分段階段安裝完成軸系和舵系，能有效縮短船塢建造周期10～15 d。圖1為韓國某船廠的軸系和舵系安裝場景。

圖1 韓國某船廠的軸、舵系安裝場景

反觀國內(nèi)船廠，目前還很難做到在分段階段安裝軸系和舵系，通常是在艉部區(qū)域整體搭載合攏之后再進(jìn)行舵系和軸系安裝。國內(nèi)船廠的顧慮是在總組搭載階段，由于船體結(jié)構(gòu)的焊接變形/塢墩受壓變形和自重變形,可能會造成舵系和軸系的裝配超出公差范圍，引發(fā)嚴(yán)重的返工后果，報廢尾管重新鏜孔安裝軸系或報廢舵桿筒重新定位和安裝舵系。若要在分段階段實現(xiàn)舵系和軸系安裝，需要進(jìn)行大量的理論計算和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)積累分析，對艉部結(jié)構(gòu)搭載引起的焊接變形影響、塢墩受壓變形影響和自重變形影響等進(jìn)行分析之后,在分段階段預(yù)設(shè)反變形。韓國造船業(yè)前期積累了大量數(shù)據(jù)，各大船廠進(jìn)行過技術(shù)研究和探討，且針對這些技術(shù)制定了相應(yīng)的工藝規(guī)范和校驗標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過了實踐檢驗，獲得了船東和船檢的認(rèn)可。國內(nèi)船企在這些方面還有待進(jìn)一步學(xué)習(xí)、研究和實踐。

1 研究目的

本文以滬東中華造船(集團(tuán))有限公司建造的45 000載重噸集滾船為例，對舵系和軸系在分段階段安裝的技術(shù)進(jìn)行研究，以期實現(xiàn)軸系和舵系預(yù)裝，從而達(dá)到該領(lǐng)域的先進(jìn)水平，有效縮短船塢周期。由于該船采用了先進(jìn)的一體化舵槳系統(tǒng)，因此對其舵槳安裝的研究可覆蓋以下數(shù)項常規(guī)舵槳系統(tǒng)安裝的研究：分析舵桿筒在分段階段預(yù)裝的精度控制，確保舵系的實際中心線與理論中心線的偏差在允許的公差范圍內(nèi)；分析軸系在分段階段預(yù)裝的精度控制，確保軸系的實際中心線與理論中心線的偏差在允許的公差范圍內(nèi)；分析舵桿筒所處總段和軸系所處總段搭載的精度控制，確保舵系與軸系的裝配偏差在允許的公差范圍內(nèi)；分析舵機安裝墊片的精度控制，確保舵球中心線與軸系中心線之間的高度偏差在允許的公差范圍內(nèi)。

2 一體化舵槳系統(tǒng)簡介

一體化舵槳系統(tǒng)由具有全懸掛、扭曲、帶有舵球等特性的高效舵和帶有凹球面槳帽的螺旋槳組成，可實現(xiàn)船舶推進(jìn)的高效性和節(jié)能性,其布置示意見圖2。

注:2為舵機平臺;3為舵桿筒頂板;4為舵桿筒;11為假舵;12為艉軸；13為槳轂；14為槳葉；15為槳帽；16為舵球;17為舵機;18為舵葉;19為舵機基座;H1為舵球中心線距基線的高度；H2為軸系中心線距基線的高度;L1為舵系中心線；L2為基線；L3為舵球中心線；L4為螺旋槳中心線；L5為槳轂首端面

一體化舵槳系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

1) 采用全懸掛舵，有效增大舵的可動部分，從而在滿足船舶操縱性要求的條件下，減少舵面積，節(jié)省約30%的舵系重量，進(jìn)而降低空船重量。

2) 當(dāng)螺旋槳在獲得推力的同時帶動水流旋轉(zhuǎn)時，螺旋槳總能量的15%～30%會以動能的形式殘留在艉流場。舵與槳的艉流場更充分地配合，可消化部分艉流場的殘留能量，因此可提高船的推進(jìn)效率，從而節(jié)省2%～3%的燃料。

3) 扭曲舵的線型能有效降低水流在舵葉導(dǎo)緣處的速度損失，使螺旋槳艉部的水流能更加順暢地通過舵葉表面，減少壓力損失，從而使流體內(nèi)的空泡能順利通過舵葉，有效避免空泡腐蝕。

3 一體化舵槳系統(tǒng)安裝精度

一體化舵槳系統(tǒng)的安裝精度要求：

1) 舵系中心線L1與軸系中心線L4的相交偏差控制在±4 mm以內(nèi)[3]；

2) 舵球中心線H1與螺旋槳中心線H2的高度差控制在|H1-H2|≤4 mm；

3) 舵球前端面與槳帽后端面的距離Δ控制在20 mm±1 mm。

4 艉部總組搭載的變形分析

艉部總組搭載過程中的變形主要是焊接變形、塢墩受壓變形和結(jié)構(gòu)自重變形等3個因素綜合作用的結(jié)果，據(jù)此對艉部總組搭載變形作以下分析和預(yù)測。

4.1 焊接變形

根據(jù)船廠的建造工藝和精度數(shù)據(jù)分析預(yù)測總組搭載焊接收縮變形，加放焊接收縮變形的余量，為軸系總段EB01Z的搭載精度控制提供數(shù)據(jù)參考。在采用總組形式搭載時，艉部分段的艏端環(huán)縫和底部對接焊縫需要焊接，在嚴(yán)格保證對稱焊接的前提下，由焊接引起的收縮變形為3～5 mm[5]，因此建議提前放置+5 mm的反變形量,以抵消焊接引起的收縮影響。此外，韓國船廠的無余量裝配技術(shù)和自動焊接機器人的大規(guī)模應(yīng)用良好地保證了裝配質(zhì)量,最大程度地控制了焊接收縮變形。反觀國內(nèi)船廠,其自動化焊接仍處在初級的局部應(yīng)用階段，存在大量的手工焊接，焊接收縮影響比較明顯。

4.2 塢墩受壓變形

根據(jù)船廠建造經(jīng)驗和船塢的塢墩實際布置情況，由于艉部無法布置較多的塢墩，在總組搭載時會產(chǎn)生較大的變形量。對于塢墩受壓變形,可參照主尺度和船重相近的船舶建造經(jīng)驗數(shù)據(jù)得出，結(jié)果較為準(zhǔn)確。同時,結(jié)合有限元分析，在受壓比較明顯的區(qū)域選用鋼質(zhì)塢墩，可近似忽略鋼質(zhì)塢墩的受壓變形，因而可僅考慮塢墩枕木的受壓變形為6～9 mm[6]。

4.3 結(jié)構(gòu)自重變形

結(jié)構(gòu)自重變形可通過配合有限元等專業(yè)計算分析軟件進(jìn)行建模計算，以預(yù)測變形結(jié)果。通過對艉部總段的下沉量進(jìn)行有限元分析，結(jié)合船舶建造方面的經(jīng)驗積累，為舵桿筒總段AB01Z的搭載精度控制提供依據(jù)，艉部總段搭載時加放反下沉量。

綜上分析:在艉部總組搭載時，考慮放置+15 mm的反變形量,以抵消焊接和下沉變形的影響;在艏部總組搭載時,考慮放置+5 mm的反變形量,以抵消焊接引起的收縮影響。

5 一體化舵槳系統(tǒng)安裝

整個一體化舵槳系統(tǒng)安裝過程主要分為5步,即:舵桿筒分段預(yù)裝;軸系和螺旋槳分段預(yù)裝;艉部總組搭載;舵葉安裝;槳帽安裝。

5.1 舵桿筒分段預(yù)裝

1) 對舵桿筒分段AB01C進(jìn)行調(diào)平，依次調(diào)節(jié)舵機平臺和舵桿筒頂板的水平度。

2) 在舵桿筒分段上測得理論舵系中心線L1，并將其投影到水平基線L2上。

3) 在吊裝舵桿筒過程中，采用全站儀測量舵機平臺的整體水平度，并實時調(diào)整。

4) 在舵桿筒裝配結(jié)束之后，對舵桿筒與船體結(jié)構(gòu)之間的連接加強進(jìn)行有序焊接。

在該舵槳系統(tǒng)中，舵桿筒的圓筒壁上共有8根加強筋。舵桿筒與船體結(jié)構(gòu)之間的焊接(見圖3)按步驟[5]有序推進(jìn),依次對下述加強筋每2根實施同時對稱焊接:No.1和No.2加強筋;No.3和No.4加強筋;No.5和No.6加強筋;No.7和No.8加強筋。

圖3 舵桿筒與船體結(jié)構(gòu)之間連接筋板的焊接順序

5) 對舵桿筒頂板與船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接，在舵桿筒頂板上以舵桿筒所在的圓心為中心做十字交叉線，該十字交叉線與舵桿筒的外緣會相交于X點、Y點、M點和N點(見圖4)，焊接順序要求如下依次實施:從X點逆時針方向焊接至Y點;從M點順時針方向焊接至Y點;從N點逆時針方向焊接至X點;從N點順時針方向焊接至M點。

圖4 舵桿筒頂板與船體結(jié)構(gòu)之間圓周角焊縫示意

5.2 軸系和螺旋槳分段預(yù)裝

1) 軸系拉線:采用拉鋼絲線的方法初步測定軸系的理論中心線。

2) 軸系照光:采用激光照射的方法精確測定軸系的理論中心線。

3) 軸系鏜孔：通過鏜排加工軸系的理論中心線。

4) 安裝軸系中的艉軸、槳轂和槳葉。

在上述軸系安裝過程中,應(yīng)注意以下精度控制：

1) 控制軸系中心線L4與船體中心線的偏差在±4 mm之內(nèi)[3];

2) 控制軸系中心線與水平基線的垂直距離H2，使得H2的實際值與理論值的偏差小于等于4 mm；

3) 適時監(jiān)測槳轂首端面在船長方向的位置，確保實際值與理論值的偏差在-8～20 mm范圍內(nèi)。

5.3 艉部總組搭載

1) 根據(jù)艉部總組搭載變形的預(yù)測數(shù)據(jù)，在艉部總段搭載階段放置反變形量，并做好數(shù)據(jù)記錄，以便在搭載完成之后進(jìn)行數(shù)據(jù)測量分析;

2) 對舵桿筒所處分段AB01C與AB01P和AB01S進(jìn)行搭載總組，形成舵桿筒總段AB01Z，將舵系實際中心線與理論中心線的偏差控制在許可范圍內(nèi)(±4 mm);

3) 在舵桿筒總段AB01Z進(jìn)塢搭載過程中，在嚴(yán)格保證施工工序和焊接順序的前提下，加放反下沉量和艏端焊接收縮量,保證舵系實際中心線與理論中心線的偏差控制在許可范圍內(nèi)(±4 mm);

4) 將軸系總段進(jìn)塢搭載，為有效控制軸系總段的搭載精度，在嚴(yán)格保證對稱焊接的前提下，加放焊接收縮變形量，同時做好數(shù)據(jù)記錄，焊接完成之后實測收縮量;

5) 在搭載過程中實時測量艉部實際下沉數(shù)據(jù)和焊接引起的變形，為舵球中心線L3和軸系中心線L4的高度定位提供依據(jù)。

5.4 舵葉安裝

1) 在船塢內(nèi)用液壓車將舵葉移動至舵桿筒的正下方;

2) 將舵桿從上而下經(jīng)舵桿筒吊裝插入舵葉中;

3) 液壓緊配舵桿和舵葉;

4) 操作液壓車，調(diào)整舵葉的高度,使|H1-H2|≤4 mm;

5) 測量舵機與舵機基座的間距，從而確定舵機安裝墊片的厚度;

6) 測量舵葉上表面與假舵下表面之間的間隙;

7) 根據(jù)測得的間隙數(shù)據(jù)加工舵葉止跳塊;

8) 安裝止跳塊。

5.5 槳帽安裝

1) 測量螺旋槳的槳帽尾面與舵葉上的舵球首面之間的距離Δ;

2) 根據(jù)實測的Δ機加工槳帽的調(diào)節(jié)墊圈，保證Δ的誤差在±1 mm以內(nèi);

3) 安裝槳帽。

6 結(jié) 語

本文對一體化舵槳系統(tǒng)安裝過程的精度要求、總組搭載變形、施工工序和相應(yīng)的精度控制等進(jìn)行研究，確保滿足舵槳匹配的高精度技術(shù)要求,為施工生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)，從而方便船廠在實際施工過程中采取預(yù)防舉措,實現(xiàn)對施工過程的適時控制，同時為國內(nèi)造船實現(xiàn)舵系和軸系在分段階段的完全預(yù)裝提供技術(shù)參考，以期達(dá)到國際造船先進(jìn)水平。