某船支承管式懸掛舵舵葉掉落原因分析及改進(jìn)

摘? ? 要：本文以某船支承管式懸掛舵舵葉掉落為例，分析舵葉掉落的原因，提出優(yōu)化改進(jìn)方案，有效提高舵密封裝置的密封性和鎖緊裝置的可靠性，減少海水滲入，為同類型舵裝置的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：懸掛舵；密封裝置；鎖緊裝置

中圖分類號(hào)：U664.36 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Analysis on Causes of the Fall of Support Tube Hanging Rudder Blade Aboard and Improve the Installation

CHEN Change

（ Hudong-Zhonghua Shipbuilding （group） Co.， Ltd.， Shanghai 200129 ）

Abstract： This article takes the phenomenon of the falling rudder blade of a support tube hanging rudder of a ship as an example， analyzes the causes of the phenomenon of rudder blade drop， and puts forward the optimization solution， which can effectively improve the sealing performance of the rudder seal device and the reliability of the locking device， reduce the seawater infiltration， and provide reference for the design of the same type of rudder device.

Key words： Hanging Rudder; Sealing Device; Locking Device

1? ? ?前言

某船在開(kāi)闊海域航行時(shí)，發(fā)現(xiàn)船未按照預(yù)定方向行駛，舵效差而無(wú)法正常航行。拖輪將該船拖帶至碼頭后，經(jīng)潛水員下潛檢查發(fā)現(xiàn)左舷舵葉丟失，而在此航行期間船并未觸底或與其他船碰撞。船舶航行時(shí)舵葉丟失的事故偶有發(fā)生，一般需拖帶至碼頭后進(jìn)塢修理，對(duì)船舶的經(jīng)濟(jì)性有較大影響。本文通過(guò)對(duì)某型船左舵舵葉掉落的原因分析，提出預(yù)防此類事故的優(yōu)化改進(jìn)方案，為避免同類型舵發(fā)生此類事故提供參考。

2? ? 支承管式懸掛舵組成

該船采用四機(jī)雙槳雙舵的推進(jìn)模式，螺旋槳后方設(shè)置有兩套支承管式懸掛舵。該舵由舵葉、舵桿、舵承、舵柄、舵桿接頭、支承管等組成，如圖1所示。舵的工作原理是：通過(guò)舵桿插入舵葉，采用鍵連接將舵桿的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到舵葉結(jié)構(gòu)，使舵葉產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)舵上產(chǎn)生的水動(dòng)力的合力在垂直于船體中心線的方向上的分力形成了轉(zhuǎn)船力矩，起到改變航向的作用。

懸掛舵通常設(shè)置在螺旋槳后方，其舵桿承受較大的彎矩，為使舵桿直徑減小，下舵承盡量安裝在接近船底處[1]。對(duì)于噸位較大、重量控制嚴(yán)格的船舶，通過(guò)設(shè)置支承管承擔(dān)舵桿彎矩，舵桿只承擔(dān)扭矩，從而減少舵裝置重量。

舵裝置作為船的重要附體，關(guān)系著整個(gè)船舶操縱性能的優(yōu)劣，影響船舶的航向穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)性。舵裝置處于螺旋槳后方，水文條件復(fù)雜，航行期間振動(dòng)和沖擊較大，對(duì)其可靠性有較高的要求。

3? ? 舵葉掉落原因分析

該船進(jìn)塢后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)，勘驗(yàn)結(jié)果如下：目測(cè)舵桿支承管位置及形狀無(wú)明顯變化，僅表面凹凸不平，舵桿上與舵葉連接的螺紋有銹跡但螺紋面未發(fā)現(xiàn)損壞；左舷舵葉及密封裝置、舵鎖緊裝置丟失，僅剩舵桿和支承管，底部的舵葉緊固螺栓對(duì)應(yīng)的螺紋有銹跡但螺紋面未發(fā)現(xiàn)損壞；右舷舵葉外觀完好，除表面油漆脫落和銹蝕外，未發(fā)現(xiàn)其他問(wèn)題；進(jìn)一步檢查舵葉緊固螺栓，發(fā)現(xiàn)檢修孔蓋的密封橡膠圈已嚴(yán)重?fù)p壞，同時(shí)有大量水滴從螺栓上方涌入檢修孔內(nèi)，孔內(nèi)的潤(rùn)滑黃油已變?yōu)楹诤稚退旌衔?，舵桿緊固螺栓未銹蝕損壞。

通過(guò)分析左舵、右舵的勘驗(yàn)結(jié)果，初步判斷發(fā)生舵葉掉落現(xiàn)象有三個(gè)方面原因。

3.1? ?舵葉密封裝置失效

舵葉密封裝置布置在舵葉上方，是防止海水、泥沙進(jìn)入舵葉、支承管和舵桿空腔的旋轉(zhuǎn)徑向Ο形密封結(jié)構(gòu)。

該船舵葉密封裝置采用傳統(tǒng)的一道旋轉(zhuǎn)徑向Ο形密封型式（如圖2所示），由舵板壓環(huán)、Ο型密封圈組成，結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單，對(duì)頻繁變化的工況適應(yīng)性差，密封件易出現(xiàn)老化、磨損等現(xiàn)象，密封效果隨著時(shí)間大大降低，嚴(yán)重時(shí)直接失效；密封裝置損壞后，海水、泥沙進(jìn)入舵板軸承、舵葉空腔、舵桿與支承管間空腔，對(duì)舵桿、支承管及襯套、舵鎖緊裝置等形成腐蝕。

3.2? ?舵鎖緊裝置損壞

舵鎖緊裝置損壞造成舵葉與舵桿之間的連接脫離。舵鎖緊裝置是緊固舵葉與舵桿連接防止舵葉松動(dòng)和掉落的一套結(jié)構(gòu)件（如圖3所示），該裝置普遍采用止動(dòng)塊與螺母或止動(dòng)板焊接實(shí)現(xiàn)螺母的鎖緊。舵鎖緊裝置長(zhǎng)期浸泡在海水與黃油的油水混合物中，使焊接的止動(dòng)塊或止動(dòng)板銹蝕斷裂，導(dǎo)致螺母松動(dòng)，同時(shí)，舵裝置處于螺旋槳后方，是振動(dòng)劇烈和水文環(huán)境較復(fù)雜的區(qū)域，這樣會(huì)加劇螺母松動(dòng)脫落導(dǎo)致舵葉因重力脫離舵桿而掉落。

3.3? ?缺少定期維護(hù)保養(yǎng)和檢修

因?yàn)樵摯亩媸怯纱瑥S生產(chǎn)組裝的，在船舶塢修期間可能未納入維修項(xiàng)目中，忽略了對(duì)其水下部分的檢查、維護(hù)，舵葉相關(guān)的密封件在修理周期如有損壞而未及時(shí)更換，或被污染的黃油未清理、更換，在后期航行使用中，使舵裝置的鎖緊裝置腐蝕失效，導(dǎo)致舵脫落故障。

4? ? ?解決方案

4.1? ?改進(jìn)密封裝置結(jié)構(gòu)，提升舵葉密封性能

為解決水密問(wèn)題，提高耐腐蝕、耐磨損性能，對(duì)現(xiàn)有的密封裝置進(jìn)行改進(jìn)：采用多級(jí)密封結(jié)構(gòu)，從徑向、軸向兩個(gè)方向進(jìn)行水密控制；不同部位選用不同形式的密封件，提高密封性能；選取合適的密封結(jié)構(gòu)，保證密封件的壓緊量，達(dá)到密封效果；密封裝置結(jié)構(gòu)件采用高強(qiáng)度、耐海水腐蝕的金屬材料，提高裝置的耐腐蝕性；從結(jié)構(gòu)形式、材料、組合方式等方面提高水密性能，提升裝置耐腐蝕性，延長(zhǎng)使用壽命。

（1）密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

本優(yōu)化方案采用分體式結(jié)構(gòu)形式，其布置圖如圖4所示；優(yōu)化后的舵密封結(jié)構(gòu)由安裝座板、密封座、密封圈座、密封壓蓋和密封組件五部分組成，如圖5所示；結(jié)構(gòu)本體由安裝座板、密封座、密封壓蓋之間通過(guò)螺栓連接的方式進(jìn)行組合，再使用螺釘與舵板軸承連接固定在舵葉上，舵裝置工作時(shí)舵葉繞舵桿支承管旋轉(zhuǎn)。

舵密封裝置各部分構(gòu)成及作用如下：

安裝座板：用螺栓安裝在舵葉上軸承法蘭面上，用于密封座的安裝定位，并安裝一道聚醚型TPU非標(biāo)密封圈；

① 密封座：用于安裝第一道高分子聚合物旋轉(zhuǎn)密封圈和密封圈座及Ο形密封圈；

② 密封圈座：安裝在密封座中，用于安裝第二道高分子聚合物旋轉(zhuǎn)密封圈；

③ 密封壓蓋：用于密封圈座的壓緊安裝，其上安裝有防塵圈和Ο形密封圈，起防泥砂作用；

④ 密封組件：由高分子聚合物旋轉(zhuǎn)密封圈、聚醚型TPU材質(zhì)非標(biāo)密封圈、防塵圈、Ο形密封圈等組成，用于舵葉的旋轉(zhuǎn)密封。

⑤ 舵密封裝置設(shè)計(jì)為多級(jí)密封結(jié)構(gòu)，采用徑向和軸向組合密封方式，徑向布置四級(jí)密封，層層隔絕泥沙、海水，采用旋轉(zhuǎn)密封圈達(dá)到旋轉(zhuǎn)密封性能；軸向每個(gè)組合面設(shè)置1～2個(gè)密封件，有效提升組合面間的密封性能。

（2）密封組件選用方案

舵密封裝置需要在滿足舵密封要求前提下滿足水壓要求，適應(yīng)工況頻繁變化的工作環(huán)境，并兼顧旋轉(zhuǎn)功能。通過(guò)收集相關(guān)密封資料，分析目前用于旋轉(zhuǎn)密封的各型組件，其中高分子聚合物旋轉(zhuǎn)格來(lái)圈密封件用于旋轉(zhuǎn)密封效果良好，能滿足本裝置工作條件，達(dá)到使用效果。故本方案使用高分子聚合物旋轉(zhuǎn)格來(lái)圈結(jié)合非標(biāo)密封圈、防塵圈、Ο形密封圈形成多級(jí)密封形式的密封結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化密封性能，提高密封裝置的使用壽命。

如圖6所示：高分子聚合物旋轉(zhuǎn)密封圈結(jié)構(gòu)，由一個(gè)佐康材質(zhì)的密封圈和一個(gè)作為彈性施力元件的Ο形圈組成，密封圈的密封唇口輪廓是專為高壓低滑速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，同時(shí)該密封件摩擦小、不粘滯、溝槽設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、溝槽尺寸小、溫度適應(yīng)范圍-30 ℃～+100 ℃、工作壓力最高可達(dá)40 MPa，滿足工作水壓要求，密封效果顯著。

（3）密封結(jié)構(gòu)本體材質(zhì)選用

目前舵密封裝置的鋼制零件通常采用不銹鋼材質(zhì)，常用的304不銹鋼材質(zhì)加工性差，同時(shí)強(qiáng)度不是很高。為解決密封結(jié)構(gòu)的耐海水要求，通過(guò)對(duì)不同金屬材質(zhì)性能的對(duì)比，1Cr13Mo材質(zhì)具有良好的耐蝕性和機(jī)加工性能，同時(shí)具有較高的強(qiáng)度和韌性，可滿足舵密封裝置的加工要求和耐腐蝕要求，全面提高本體的使用壽命。

4.2? ?優(yōu)化舵鎖緊裝置，提高維修性

目前使用的舵桿螺母鎖緊采用止動(dòng)塊焊接，基本上實(shí)現(xiàn)了鎖緊防松功能，但是維修保養(yǎng)拆卸不方便，拆卸螺母需割除止動(dòng)塊，螺母回裝鎖緊安裝需重新制作止動(dòng)塊，浪費(fèi)了大量人力、物力。為了改變上述不足，在設(shè)計(jì)合理防松結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了可拆卸重復(fù)使用的鎖緊型式。

優(yōu)化的舵鎖緊裝置由主螺母、承壓墊圈、壓力螺栓和壓力片組成，在船舶舵葉與舵桿安裝到位后，安裝在舵桿的螺桿與承壓墊片之間用于舵葉的鎖緊，詳見(jiàn)圖7所示。

本裝置采用張緊螺母緊固的方式，通過(guò)壓緊螺栓和壓力片使主螺母達(dá)到目標(biāo)預(yù)緊力，壓力片起到彈簧的作用，提高了螺栓連接的彈性，補(bǔ)償沉陷變形，保持預(yù)緊力，能很好的抵抗螺母的松脫。這種緊固方式的使用，使得螺母拆卸簡(jiǎn)便并且可重復(fù)使用，易于安裝又方便拆卸，既保證舵桿鎖緊后的防松抗震質(zhì)量，又實(shí)現(xiàn)后續(xù)維護(hù)時(shí)重復(fù)拆裝的功能，大大提升了可靠性和維修性。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)本船舵葉掉落原因的深入分析，優(yōu)化改進(jìn)了本舵密封裝置和鎖緊裝置。舵密封裝置設(shè)計(jì)為分體式多級(jí)旋轉(zhuǎn)密封形式，從密封結(jié)構(gòu)、密封組件、密封件材質(zhì)等方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，達(dá)到提高密封性能、提升耐腐蝕性、延長(zhǎng)使用壽命的效果，從根源解決舵密封裝置滲水、易腐蝕等問(wèn)題；同時(shí)，改進(jìn)后的舵鎖緊裝置，通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)，防松和抗沖擊性能滿足所規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)和性能要求，具有簡(jiǎn)便、快捷、可靠、安全、可重復(fù)利用的優(yōu)點(diǎn)，鎖緊防松性能和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有船船舶舵螺母鎖緊結(jié)構(gòu)，為同類型舵裝置設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)，? 中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司，? 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)（第3版）舾裝分冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，? 2013.

作者簡(jiǎn)介：陳嫦娥（1985-），女，工程師。主要從事船舶總體設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2023-04-13