柳向陽，李移山

（揚(yáng)帆集團(tuán)船舶設(shè)計研究院，浙江舟山 316100）

36 500 DWT大湖船導(dǎo)管舵設(shè)計和建造技術(shù)分析

柳向陽，李移山

（揚(yáng)帆集團(tuán)船舶設(shè)計研究院，浙江舟山 316100）

對36 500 DWT大湖型船舶的可轉(zhuǎn)動式導(dǎo)管舵設(shè)計特點和建造技術(shù)進(jìn)行論述和分析。重點論述該導(dǎo)管舵的基本參數(shù)和設(shè)計特點以及相關(guān)設(shè)計計算，特別包括該導(dǎo)管舵的結(jié)構(gòu)建造程序和裝配焊接的工藝要點等。通過理論分析以及在實船上的安裝調(diào)試應(yīng)用，論證了該船導(dǎo)管舵設(shè)計合理，建造工藝優(yōu)良，相應(yīng)建造精度完全滿足設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)要求。

導(dǎo)管舵；穩(wěn)向葉；鑄鋼件；裝配工序；焊接工藝

36 500 DWT大湖型船的導(dǎo)管舵是具有特定剖面的環(huán)狀結(jié)構(gòu)[1]，同螺旋槳安裝在同一軸線上，螺旋槳位于導(dǎo)流管最小截面處。該項目船只航行于五大湖和圣勞倫斯航道，由于吃水和航道的限制，為提高推進(jìn)效率和機(jī)動能力而采用可轉(zhuǎn)動式導(dǎo)管舵，同普通船用舵相比，能有效改變螺旋槳尾流的方向，提高船舶的操縱性，特別是能提高低速航行時機(jī)動性能以及提高槳葉推進(jìn)效率。該導(dǎo)管舵具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜[2-3]，安裝精度要求高等特點。

因此合理完善的設(shè)計和行之有效建造和焊接工藝是導(dǎo)管舵滿足設(shè)計和精度要求的基本保證[4]。導(dǎo)管舵在車間完成后并在船塢內(nèi)吊裝結(jié)束以及出海試驗后的各項精度數(shù)據(jù)，各項試驗均已達(dá)到或超過造船規(guī)格書或標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計指標(biāo)[5]，獲得了船東的好評和船級社檢驗時一次性認(rèn)可。

1 轉(zhuǎn)動導(dǎo)管舵特點

本船導(dǎo)管舵采用雙支點安裝形式。導(dǎo)流管的轉(zhuǎn)動軸線通過螺旋槳圓盤面，槳葉端部同該處導(dǎo)流管內(nèi)壁之間的間隙應(yīng)盡可能小，通常不超過螺旋槳直徑的0.5%或1 cm，此處間隙取25 mm（5 200×0.5%）。導(dǎo)管內(nèi)最小直徑為D=5 250 mm。轉(zhuǎn)動導(dǎo)流管的剖面采用改進(jìn)的非對稱剖面，如圖1，具體型值請見表1。相關(guān)參數(shù)為Dp=5 200 mm，ε=25 mm，Dn=5 250 mm，Ln/Dp= 0.6，Ln=3 120 mm，導(dǎo)流管長寬比Kn=5.286，穩(wěn)向葉長寬比Kf=4.952，穩(wěn)向葉寬Lf=1.05 m，穩(wěn)向葉長Hf=5.2 m，V=14 kn，轉(zhuǎn)動角度θ=35°。

圖1 導(dǎo)流管剖面Fig.1 The section of duct tube

表1 導(dǎo)流管截面型值表Tab.1 The value table of duct tube（mm）

穩(wěn)向時剖面的厚度比為其弦長的，使其后緣應(yīng)足夠尖，以保證后退且導(dǎo)流管轉(zhuǎn)動很小時流向穩(wěn)向葉處分離，使得舵桿力矩減小。導(dǎo)管舵內(nèi)外側(cè)外板采用耐低溫鋼或級并與鑄鋼件焊接。導(dǎo)流管上的鑄鋼件由舵桿鑄鋼件和舵銷鑄鋼件組成。并與內(nèi)，外殼板，內(nèi)環(huán)形隔板和縱向筋板焊接而成的環(huán)形結(jié)構(gòu)。

導(dǎo)流管按大湖船規(guī)范和規(guī)范進(jìn)行計算和建造。導(dǎo)流管的穩(wěn)向葉為流線型翼，垂直設(shè)置于導(dǎo)流管尾端后面。處于舵桿軸線平面內(nèi)。設(shè)置穩(wěn)向葉的導(dǎo)流管具有提高推進(jìn)效率及降低舵桿力矩等。轉(zhuǎn)動導(dǎo)流管的基本尺寸和參數(shù)如圖2所示。

圖2 導(dǎo)流管基本尺寸和參數(shù)Fig.2 The basic dimension and parameter of duct tube

為了滿足該船冰級加強(qiáng)要求，導(dǎo)流板的厚度應(yīng)不小于對船艉部分的冰級加強(qiáng)Speed（at ice Class 1C）要求。為了防止導(dǎo)流管內(nèi)壁的腐蝕，在螺旋槳區(qū)域采用耐腐蝕材料SUS316，所有內(nèi)側(cè)對接焊縫應(yīng)磨平。導(dǎo)流管的內(nèi)殼板同環(huán)形隔板的連接應(yīng)采用雙面連續(xù)填角焊，外殼板應(yīng)盡可能同環(huán)形隔板采用連續(xù)焊，外殼板其它區(qū)域采用開孔塞焊。

2 轉(zhuǎn)動導(dǎo)管舵系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 導(dǎo)管舵所受的側(cè)向力和彎矩計算

根據(jù)規(guī)范，分別計算出正車和倒車時，導(dǎo)管舵所受的側(cè)向力和彎矩，計算結(jié)果見表2和表3。

表2 正車規(guī)范計算結(jié)果Tab.2 A head Calculation according to the rules

表2中：An為導(dǎo)流管面積；Af為穩(wěn)向葉面積；Pn為導(dǎo)流管的側(cè)向力；Pf為穩(wěn)向葉的側(cè)向力；P為導(dǎo)管舵的總側(cè)向力；Mn為導(dǎo)流管扭矩；Mf為穩(wěn)向葉的扭矩；Mr為導(dǎo)流舵的總扭矩。

表3 倒車規(guī)范計算結(jié)果Tab.3 A stern Calculation according to the rules

表3中：Pna為倒車狀態(tài)時，導(dǎo)流管的側(cè)向力；Pfa為倒車裝態(tài)時，穩(wěn)向葉的側(cè)向力；Mna為倒車狀態(tài)時，導(dǎo)流管扭矩；Mfa為倒車裝態(tài)時，穩(wěn)向葉扭矩；Mra為倒車狀態(tài)時，導(dǎo)流舵總扭矩。

2.2 舵機(jī)選擇

工作扭矩為1 000 kN·m，最大工作扭矩為1 250 kN·m（在安全釋放壓力21.3 MPa），舵桿直徑為680 mm，舵銷直徑為450 mm。

2.3 導(dǎo)流管結(jié)構(gòu)

螺旋槳區(qū)域的導(dǎo)流管板厚：T=10+3KaS(N/f1)0.5=28 mm(實取32 mm)。在區(qū)域I內(nèi)，導(dǎo)流管板厚不小于0.7T=22.5 mm，實取25 mm（此處S=0.75 m）；在區(qū)域II內(nèi)，導(dǎo)流管板厚不小于0.7T=21.5 mm，實取24 mm（此處S=0.7 m），在導(dǎo)流管外部，區(qū)域II延伸并超過最后一塊環(huán)形隔板；在區(qū)域III內(nèi)，導(dǎo)流管板厚不小于0.6T=18.5 mm，實取20 mm（此處S=0.7 m）。

環(huán)形隔板和前后隔板的厚度不小于（考慮導(dǎo)流管內(nèi)徑為大于4 m）。因此取為24 mm。具體請詳見圖3～4：

圖3 縱向隔板Fig.3 Longitudinal partition

圖4 環(huán)形隔板Fig.4 Circular partition

舵桿與導(dǎo)管舵采用法蘭連接，采用8顆螺栓固定，舵銷與導(dǎo)管舵采用無鍵連接形式，舵銷與導(dǎo)管舵的錐形聯(lián)接（液壓裝配），舵銷推入量：0.3～1 mm。

3 導(dǎo)流管制造概述

3.1 導(dǎo)管舵鋼板與鑄鋼件組合件焊接而成，主尺度為3 120 mm×6 350 mm，重量約t，舵桿垂直回轉(zhuǎn)的軸中心要與艉軸螺旋槳轉(zhuǎn)動中心線相交，導(dǎo)管舵的內(nèi)孔圍繞螺旋槳外徑按操舵指令的要求隨舵角回轉(zhuǎn)，因此本設(shè)備各零部件的制作精度要求很高,建造難度較高，如圖5。

圖5 導(dǎo)流管鋼結(jié)構(gòu)件制作示意圖Fig.5 The sketch of duct tube steel structure

3.2 導(dǎo)管舵內(nèi)外側(cè)曲板的成型

導(dǎo)管舵的馬鞍型雙曲外殼板其型線和結(jié)構(gòu)，決定了其無法用一塊整板加工而成，考慮到鋼模的制作成本以及焊縫線的分布,決定將前、后馬鞍型曲面板均分割成塊。鋼模的設(shè)計和制作，不能簡單的依據(jù)所成型的曲面板的曲率形狀進(jìn)行制作，需將鋼模的曲率略小于工件曲率，這樣可以保證成型的零件更接近理論尺寸。另需制作檢驗樣箱，以便檢測鋼板加工后的線型誤差。

3.3 裝配工藝和要求

在胎架上按板號裝配導(dǎo)管舵內(nèi)側(cè)板，內(nèi)側(cè)板與胎架依靠的工藝板連接點焊點位，不銹鋼板（）定位的工藝板需與不銹鋼材質(zhì)相同，不應(yīng)將內(nèi)側(cè)板和胎架模板直接焊接。

軸向（前后）隔板的安裝是由中間向艏艉端順序吊裝，隔板吊裝時必須控制其位置的正確以及其外側(cè)面的線型與鑄鋼件連接區(qū)域的線型一致性。環(huán)向隔板的安裝應(yīng)檢測與軸向隔板上側(cè)面的線型一致性和直線度要求；上下鑄鋼件采用拉鋼絲進(jìn)行定位，舵中心線位置距圓管底端位置為2 028 mm，上舵桿鑄鋼件為一平面豎直向下距軸中心線為為，舵銷鑄鋼件的下平面距軸中心線為（扣除機(jī)加工余量），利用線錐定位保證斷面的垂直度，確定定位托架位置；塞焊孔外側(cè)蓋板吊裝前應(yīng)檢測軸向、環(huán)向隔板襯墊板線型的一致性，其安裝時必須保證外緣線型的和順，無板厚差變化；在上述導(dǎo)管舵裝焊工作中必須隨機(jī)檢測舵桿中心線。存在問題立即反饋并立即采取措施妥善處理。完工后應(yīng)在鑄鋼件端面劃出十字中心線并敲上洋沖印，如圖6。

4 導(dǎo)管舵的焊接工藝要求

圖6 制作胎架外形圖Fig.6 The contour picture of making jig

導(dǎo)管舵的焊接采用手工電弧焊及CO2氣體保護(hù)焊，焊接材料為低氫型焊條J507，CO2焊絲TWE-711/ 81-K2系列和不銹鋼焊條 A022及不銹鋼焊絲 E316LT1-1/ SW309L。焊條在焊前需經(jīng)350～400℃烘焙1～2 h，并保溫使用。焊條在使用中不得受潮，否則嚴(yán)禁使用。內(nèi)部結(jié)構(gòu)的角焊縫可以用CO2氣體保護(hù)焊代替手工電弧焊；導(dǎo)管舵的構(gòu)件在焊接前應(yīng)根據(jù)“結(jié)構(gòu)圖”上的具體要求開好焊接坡口及塞焊孔；導(dǎo)管舵上凡是鑄鋼件的所有焊接區(qū)域在焊接前應(yīng)預(yù)熱到150～250℃，焊接時層間溫度不得低于預(yù)熱溫度。焊后立即用保溫材料包好保溫冷卻。焊接坡口及兩側(cè)30 mm范圍內(nèi)應(yīng)打磨干凈，不得有鐵銹、毛刺、油污、水分等雜質(zhì)；導(dǎo)管舵焊接時除鑄鋼件外，其余結(jié)構(gòu)的焊接均采用CO2氣體保護(hù)焊，角焊縫的焊喉厚度應(yīng)嚴(yán)格控制在要求的范圍內(nèi)，不得過高，以減少導(dǎo)管舵的焊接變形；焊接舵葉鑄鋼件與其結(jié)構(gòu)的對接縫和角焊縫時，應(yīng)采用手工電弧焊，在位置狹小時可采用CO2襯墊焊，在焊縫坡口反面加裝加強(qiáng)馬板以防止變形，焊接時采用多層多道焊，控制層間溫度在100℃以下。焊后將馬腳打磨干凈；為保證導(dǎo)流罩的圓度，必須在焊接順序上加以控制，實際工作中，采取對稱焊接的工藝，先焊平角焊，后燒立角焊。對于平角焊，由對稱的焊工對稱燒焊，從中間向兩邊燒焊即可，對于立角焊，如圖7。

圖7 導(dǎo)管包板焊接順序Fig.7 The welding sequence of duct tube plate

焊接鑄鋼件時，應(yīng)由雙數(shù)焊工同時進(jìn)行對稱焊接，焊速應(yīng)盡量均勻一致。在焊接過程中，應(yīng)有質(zhì)檢員予以配合，每焊完一道焊縫，檢測一次舵桿孔中心精度，若有異常變形情況，應(yīng)立即采取適當(dāng)工藝，及時調(diào)整焊接程序或焊接速度予以解決。鑄鋼件焊完后，以防止其焊后快速冷卻；采用單面焊接時，打底焊道若采用手工焊時須采用φ3.2焊條，對接縫應(yīng)保證根部焊透。每道焊縫的焊接接頭要錯開，焊下道焊縫前，徹底清除焊渣、飛濺等。打磨清潔后方可進(jìn)行下道焊接。每道焊道宜連續(xù)焊完。焊縫中不能有氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，否則要將缺陷消除后方可繼續(xù)焊接；不得在不銹鋼上隨意引熄弧，無論是對接焊縫定位焊還是角焊縫內(nèi)定位焊，引熄弧均需在引熄弧板上或焊縫內(nèi)進(jìn)行，且定位焊藥渣必須清除。在于不銹鋼板與異種鋼焊接時，第一道焊須靠異種鋼一側(cè)先打底焊作為過渡，然后再對過渡層與不銹鋼進(jìn)行焊接，以此類推。

導(dǎo)管舵需先焊接內(nèi)側(cè)的縱向板縫，再焊上下內(nèi)側(cè)板與不銹鋼的環(huán)縫，該焊縫采用十字交叉逐步退焊法，焊接時注意采用小電流；表面焊縫焊完后，反面焊縫清根必須用批鏟清除，嚴(yán)禁采用碳刨。為避免仰焊，環(huán)向肋板與內(nèi)測板的焊接下部分角焊位置，必需在所有軸向、環(huán)向（除仰焊部分）均焊接完成后，翻身定位，再焊接；焊后打磨完整報驗。

5 精度要求

保證槳葉與導(dǎo)管舵內(nèi)壁表面間隙達(dá)到理論值，而導(dǎo)管舵的結(jié)構(gòu)焊接量非常大，為此制作胎架及零件放樣需加放收縮余量：內(nèi)圈中板內(nèi)徑5 250 mm加放2 mm余量放樣，制作胎架時所有內(nèi)徑同時加放2 mm；導(dǎo)管舵前后方向按1 mm/m加放余量。

胎架制作要求：軸向胎板與導(dǎo)管舵軸向肋板對應(yīng)，在距胎架基線mm高度處噴水平線和板縫斷線，并在2 092 mm水平線處打定位點方便結(jié)構(gòu)定位安裝。具體精度要求如下：軸向胎板垂直直度；軸向胎板與胎架平臺理論劃線偏差±1 mm；水平胎板高度與理論高度尺寸±1 mm；軸向和水平胎板位置偏差≤2.0 mm；導(dǎo)管舵最小直徑處與實際尺寸偏差±2 mm。

裝配工序流程:導(dǎo)管舵環(huán)向肋板與軸向肋板先預(yù)制，先裝焊后火工校正。因?qū)Ч芏嫱鈧?cè)為錐形，環(huán)向肋板面板裝配時需有一定角度及弧度，以保證外錐筒與大、小圓鋼的線型光順。裝配和焊接工藝，以及焊接完畢導(dǎo)管舵需測量數(shù)據(jù)并記錄,導(dǎo)管舵制造檢驗除按船體部件檢驗標(biāo)準(zhǔn)檢查外觀和焊縫質(zhì)量外，導(dǎo)管舵的制作還需滿足相關(guān)中國船舶建造質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)論

大湖散貨船的導(dǎo)管舵成功設(shè)計和順利建造，重點解決了大型轉(zhuǎn)動導(dǎo)管舵在設(shè)計和建造過程中所面臨的設(shè)計重點和難點,得到了船東的稱贊。該項目船導(dǎo)流管的提前完工并進(jìn)塢安裝，加快了船塢內(nèi)的周期，使項目船能按期下水。同時船廠對復(fù)雜導(dǎo)流管等舵系舾裝的建造水平也得以進(jìn)一步的提高，完善和提高了船廠建造水平和焊接工藝，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，對后續(xù)船舶的設(shè)計和建造積累了寶貴經(jīng)驗。

[1]《船舶設(shè)計實用手冊》編委會.船舶設(shè)計實用手冊:總體分冊[M].北京:中國交通科技出版社,2007.

[2]中國造船工程學(xué)會,中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司,中國船舶重工集團(tuán)公司.船舶設(shè)計實用手冊:舾裝分冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,2013.

[3]黃 浩.船體工藝手冊[M].第3版.北京:國防工業(yè)出版社,2013.

[4]勞氏船級社.船舶入級規(guī)范和規(guī)則[S].勞氏船級社(亞洲)上海代表處,譯.2004.

[5]CSA 2001.Load Line Regulation:Part 2 diamond load line[S].2003.

The Design and Construction Analysis of 36 500 DWT Great Lakes Ship Rudder

LIU Xiang-yang,LI Yi-shan
(Yangfan Group Ship Design and Research Institute,Zhoushan 316100,China)

The discourse and analysis of 36 500 DWT great lakes ship rotary rudder design characteristics and construction technology.The paper focused on the basic parameter,design characteristics and relative design calculation of ship rudder,including the construction procedure and assembly welding technology. Through theoretical analysis and installation on ship,the analysis verified reasonable design of the ship rudder, fine construction technology and the construction accuracy fully meet the requirements of design and standard.

duct rudder;stable leaf;steel casting;assembly procedure;welding technology

U664.36

A

1008-830X(2016)04-0337-05

2016-05-10

浙江省科技廳重大科技專項重點社會發(fā)展項目（2013C13003）

柳向陽（1978-），男，浙江景寧人，工程師，研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計.