船艇螺旋槳防纏繞裝置設(shè)計

寧海強，崔宇峰，李 舒，洪嘯虎

(陸軍軍事交通學(xué)院鎮(zhèn)江校區(qū) 船艇動力系，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

螺旋槳是船艇推進裝置的重要組成部分，為船艇的航行提供了源源不斷的動力，因此，其工作可靠性直接影響船艇的航行安全。目前，在船艇進出港灣及航行水域中普遍存在著漁網(wǎng)、繩索、水草等帶狀物，這些浮游物常會無規(guī)則地纏繞在螺旋槳和尾軸上，造成螺旋槳和尾軸轉(zhuǎn)動阻力增大，船艇主機超負荷運轉(zhuǎn)，嚴重時可能造成螺旋槳停轉(zhuǎn)，甚至導(dǎo)致螺旋槳變形、尾軸傳動部分損壞和船艇失去動力的故障，嚴重影響船艇航行安全和任務(wù)的執(zhí)行[1–6]。螺旋槳防纏繞裝置可以有效避免螺旋槳卡死停轉(zhuǎn)、主機停機、船艇失去動力等故障發(fā)生，減少船艇人員的工作強度，提高船艇裝備完好率以及確保船艇安全，對國民經(jīng)濟發(fā)展和國防安全具有重要意義。

1 船艇相關(guān)參數(shù)及性能指標

1.1 相關(guān)參數(shù)

本文以某小型船艇相關(guān)參數(shù)為依據(jù)，對螺旋槳防纏繞裝置的性能指標進行設(shè)計計算與工作過程分析。已知船艇相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

1.2 性能指標

根據(jù)表1 的相關(guān)船艇參數(shù)，可計算出船艇主要性能指標如下：

1）螺旋槳得到的功率P1

表1 某船艇相關(guān)參數(shù)Tab.1 Ship correlation parameter

其中： ηf， ηj， ηz分別是發(fā)動機，減速齒輪箱和軸系的傳動效率。

2）船艇尾軸轉(zhuǎn)速n

2 螺旋槳防纏繞裝置結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)組成

船艇螺旋槳防纏繞裝置由主刀片、副刀片、防滑橡膠圈、主刀片支架以及副刀片支架、螺栓組成，根據(jù)船艇尾軸及尾管直徑，設(shè)計主副刀片結(jié)構(gòu)及尺寸，如圖1 所示。主刀組和副刀組，主刀組有3 個相互之間成120°的主刀片、防滑橡膠圈、主刀片支架組成；副刀組有一個副刀片和副刀片支架。主刀片外緣設(shè)計為外凸的圓弧形結(jié)構(gòu)，圓弧形外側(cè)有鋸齒形刀刃，刀刃為內(nèi)凹的斜齒紋刃，刃角選擇在50°～60°，刀片的兩側(cè)為內(nèi)凹的圓弧狀刀刃，能夠減小主副刀片的體積和質(zhì)量，盡可能地降低主副刀組對螺旋槳水動力的影響[7–11]。副刀片與主刀片形狀相同，外邊緣無鋸齒形結(jié)構(gòu)。防滑橡膠圈和主刀片支架是主刀片和船艇尾軸之間的部件；副刀片支架用于將副刀片固定于船艇尾管正上方。主副刀片采用焊接技術(shù)分別固定于主刀片支架和副刀片支架上，螺栓用于固定副刀片支架。

圖1 主副刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.1 Structural parameters of main and auxiliary blades

2.2 材料選擇

防纏繞裝置在工作過程中，主副刀片最為關(guān)鍵，其材料選擇的好壞，不僅影響裝置的使用壽命，還體現(xiàn)著裝置的切割性能[12–14]。作為刀具材料，耐磨性是刀具材料的必備條件，它關(guān)系著主副刀片的使用壽命。W18Cr4V 高速鋼硬度可達63～66HRC，并且耐磨性良好，高硬度能保證刀片的切割性能，適合在重負荷下工作，其抗彎強度達340 MPa，沖擊韌性為0.18～0.32 MJm2，在切割和剪切過程中能夠有效減少鋸齒的崩損和主副刀片的磨損。涂層刀具已成現(xiàn)代切削刀具的代表，它彌補了刀具材料耐磨和硬度、強度和韌性之間相互矛盾的弊端，在W18Cr4V 材料刀具和30CrMnSi材料支架表面涂覆一薄層耐磨性好的氮碳化鈦涂層，用以提升裝置的耐腐蝕性。綜合考慮主副刀組工作環(huán)境和使用要求，通過相關(guān)材料性能分析比較，擬選用材料：主副刀片為W18Cr4V 高速鋼表面涂層氮碳化鈦；主副刀片支架為30CrMnSi 調(diào)質(zhì)鋼表面涂層氮碳化鈦；滾子用GCr4 滾動軸承鋼。

2.3 參數(shù)設(shè)計與計算

根據(jù)船艇相關(guān)參數(shù)和性能指標，可以計算得到螺旋槳防纏繞裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

1）主刀片受到的力臂 R（ F2取臨界值）

2）主刀片長度L

3）主副刀片的厚度h

根據(jù)設(shè)計強度要求[15]，取刀片厚度 h=5 mm；已知材料W18Cr4V 的抗拉強度為 [σ]=340 Mpa，可得到作用在刀片上的應(yīng)力σ

式中： F 和 S分別為作用在主刀片單位面積上的力和單位面積，故主副刀片厚度取5 mm 滿足要求。副刀片形狀尺寸與主刀片相同，厚度和主刀片一樣，可知其強度也滿足條件。

4）副刀片支架聯(lián)接螺栓直徑df

已知以45 號鋼為材料的螺栓抗拉強度 σb=588 MPa，由螺栓直徑計算公式得：

式中：c 為 系數(shù)， F為 螺栓受到的拉力，即主副刀片配合剪切時的作用力。根據(jù)計算結(jié)果，經(jīng)查閱資料，應(yīng)選螺栓直徑 df=16 mm，即M16×30 螺栓，螺栓總數(shù)為8 個。

5）主刀片的轉(zhuǎn)矩T

已知螺旋槳的功率 P1和尾軸轉(zhuǎn)速 n，可得到扭矩[16]為：

6）順利切斷纏繞物所需的力F1

已知漁網(wǎng)的主要材料為尼龍，其抗剪應(yīng)力 τ1≈87 MPa，鋼絲繩的抗剪應(yīng)力 τ2≈500 MPa， τ2>τ1。要切斷直徑為8 mm 的鋼絲繩所需的力為：

主刀片在水中轉(zhuǎn)動時會遇到水的阻力，由于主刀片沿著切割方向旋轉(zhuǎn)，受到水的阻力較小于切割力的3%，因此防纏繞裝置設(shè)計切斷纏繞物所需的力 F1為：

2.4 螺旋槳防纏繞裝置裝配

螺旋槳防纏繞裝置與船艇尾軸的裝配如圖2 所示。主刀組與船艇尾軸為過盈配合，保證主刀片隨尾軸轉(zhuǎn)動時的穩(wěn)定。副刀組與船艇尾管為過渡配合，過渡配合便于副刀片支架的安裝，并且能提供一定的摩擦力。主副刀片支架之間為間隙配合，保證主副刀片的相對位置，避免主副刀片碰撞。主、副刀片端面平行，間距可由主副刀片支架控制，約在1～2 mm，間隙過小會引起主副刀片摩擦或碰撞，嚴重損害刀片使用壽命甚至造成事故，間隙過大則會導(dǎo)致剪切效果不佳或者毫無效果。

圖2 防纏繞裝置裝配示意圖Fig.2 Schematic diagram of the anti-twisting device

首先，將主、副刀片分別焊接于其支架上。焊接方式采用滿焊，其所能達到的強度可以滿足焊接物做抗拉試驗時，斷開點不在焊接處，所以也滿足裝置所需的強度要求。目前激光焊接技術(shù)最為先進，其所能達到的強度遠高于使用螺栓。第2 步，安裝副刀片支架，由于副刀片支架和船艇尾管為過渡配合，易于安裝，裝好后使用螺栓固定，之前需在副刀片支架和船艇尾管處鉆孔，孔的深度不會影響到尾軸。第3 步，進行防滑橡膠圈的安裝，通過整體加熱后將防滑橡膠圈裝于尾軸，保證防滑橡膠圈可以隨尾軸一起轉(zhuǎn)動。第4 步，安裝主刀片支架，將滾子裝于副刀片支架的同時將主刀片支架裝于防滑橡膠圈外沿，采用加熱安裝的方法。

3 螺旋槳防纏繞裝置功能及工作過程

3.1 功能

主刀片通過焊接技術(shù)固定于主刀片支架上，主刀片支架依靠防滑橡膠圈固定在船艇尾軸處，整個主刀組隨尾軸一起轉(zhuǎn)動。主刀組隨尾軸高速旋轉(zhuǎn)的過程中，能夠?qū)拷菪龢臐O網(wǎng)、水草等帶狀物進行有效切割。副刀片固定于副刀片支架上，副刀片支架通過螺釘固定于船艇艉管。副刀組屬于靜刀組，但是它相對于主刀組運動，副刀片與主刀片形成相互剪切的結(jié)構(gòu)，作用是配合主刀片對進入尾軸的漁網(wǎng)、水草等帶狀物進行剪切。

防滑橡膠圈在螺旋槳和船艇尾管之間的尾軸外沿，保證主刀片支架在隨尾軸轉(zhuǎn)動過程中更加牢固，不易脫落，更能有效保護尾軸，起到抗滑防震的作用。主、副刀片支架用于固定主副刀片，其間由一圈滾子聯(lián)接，作用是控制主副刀片的相對位置，提高了防纏繞裝置的安全性和穩(wěn)定性。

3.2 工作過程

船艇尾軸作為連接主機和螺旋槳的傳動部件，具有較高的轉(zhuǎn)速，如船艇在全速航行時，其尾軸理論轉(zhuǎn)速能達到約400 r/min，由于水流和異物的影響，尾軸實際轉(zhuǎn)速約為370 r/min。主刀組隨尾軸轉(zhuǎn)動，相當于每分鐘作1110 次切割，即使船艇在低速航行時，尾軸轉(zhuǎn)速為160 r/min，主刀片每分鐘也能工作480 次。主刀片做如此高速旋轉(zhuǎn)運動再加上海洋鋼的強度，使得船艇在航行過程中能有效切割靠近的漁網(wǎng)、水草等帶狀物。如果有漏過主刀片切割而進入尾軸的纏繞物，主副刀片配合對其進行剪切，為裝置增加了第二重保險。切割后的纏繞物隨著船艇前進和螺旋槳轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的水流遠離螺旋槳，裝置的兩級切割功能實現(xiàn)了船艇在航行過程中螺旋槳不被異物纏繞的作用。該裝置還密封了最易纏繞異物的尾軸部位，起到了一定的防護作用。船艇螺旋槳大都有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)2 種狀態(tài)，因此主刀片設(shè)計采用對稱結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了防纏繞裝置動平衡特性，使其對帶狀物進行切割的同時，基本上不影響螺旋槳和尾軸轉(zhuǎn)動。

4 結(jié) 語

1）螺旋槳防纏繞裝置采用主副刀片對稱設(shè)計，優(yōu)化了裝置的動平衡特性，在工作過程中基本上不影響螺旋槳和尾軸轉(zhuǎn)動，主刀片組還密封了最易纏繞帶狀物的尾軸和船艇尾管間的空隙，起到了一定的防護作用。

2）該裝置兼?zhèn)浼羟惺胶弯忼X式防纏繞裝置的優(yōu)點，無需破壞螺旋槳和尾軸結(jié)構(gòu)，便于安裝，能夠?qū)崿F(xiàn)兩級切割效果。

3）該裝置能使船艇在航行過程中將靠近螺旋槳的纏繞物切斷、主副刀片配合對進入尾軸的纏繞物進行剪切，避免了螺旋槳纏繞異物后費時費力的清理工作和造成的損失，節(jié)省大量的維修經(jīng)費，保證了船艇航行安全。