鄭衛(wèi)兵 祁 超 王 琮 朱珉虎

（1.臺(tái)州市創(chuàng)馳螺旋槳廠 臺(tái)州318058；2.中國(guó)船舶工業(yè)綜合技術(shù)研究院 北京100081）

引 言

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《船用中空螺旋槳》歷經(jīng)數(shù)年的研究制訂、修改，已于2019年4月15日由中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布并實(shí)施（見(jiàn)下頁(yè)圖1）。它涉及一項(xiàng)創(chuàng)新的螺旋槳生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品研究成果。標(biāo)準(zhǔn)的制定與發(fā)布為這項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用和新產(chǎn)品的推廣奠定了基礎(chǔ)。

1 關(guān)于團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

圖1 團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《船用中空螺旋槳》封面

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)在我國(guó)也屬新生事物。在2015年以前，我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)體系包括國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。2015年3月，國(guó)務(wù)院發(fā)布的《深化標(biāo)準(zhǔn)化工作改革方案》中，首次將團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)納入我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系，提出了“培育和發(fā)展團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)”的重大改革舉措。2017年11月通過(guò)的“標(biāo)準(zhǔn)化法”更是首次確立團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的法律地位，鼓勵(lì)學(xué)會(huì)、協(xié)會(huì)、商會(huì)、聯(lián)合會(huì)和產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟等社會(huì)團(tuán)體協(xié)調(diào)相關(guān)市場(chǎng)主體共同制定滿(mǎn)足市場(chǎng)和創(chuàng)新需要的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，由本團(tuán)體成員約定采用或者按照本團(tuán)體的規(guī)定供社會(huì)自愿采用?？梢?jiàn)，中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的有益補(bǔ)充，是船舶工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的重要組成部分。

在國(guó)際上，ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)覆蓋范圍很廣，為各國(guó)所廣泛采用。此外，一些協(xié)會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)（團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)）也被普遍接受，如SAE（汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)）是以美國(guó)為基礎(chǔ)的專(zhuān)業(yè)化協(xié)會(huì)，從事頒布汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它所頒布的標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)際汽車(chē)行業(yè)所普遍接受，甚至擴(kuò)展到航空、航天領(lǐng)域。

中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)是由船舶制造與修理、船舶配套設(shè)備制造企業(yè)和科研設(shè)計(jì)院所，與船舶行業(yè)相關(guān)聯(lián)的高等（專(zhuān)業(yè)）院校和企、事業(yè)單位以及符合條件的同業(yè)經(jīng)濟(jì)組織，按照平等自愿原則組成的非營(yíng)利全國(guó)性船舶工業(yè)行業(yè)組織?，F(xiàn)有團(tuán)體會(huì)員530余家，包含全國(guó)船舶行業(yè)的大、中型企事業(yè)單位，其產(chǎn)品產(chǎn)量占全國(guó)船舶工業(yè)總產(chǎn)量的95%以上，因此，其所發(fā)布的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)在我國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)具有重要影響。

我國(guó)開(kāi)展團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的制定僅一年多，《船用中空螺旋槳》這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)2018年立項(xiàng)并開(kāi)展編制，2019年4月發(fā)布、實(shí)施。發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為：T/CANSI 6-2019（其中：T表示團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，CANSI是中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)的縮寫(xiě)，6是標(biāo)準(zhǔn)的順序號(hào)）。由此可見(jiàn)，該標(biāo)準(zhǔn)是中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的第6項(xiàng)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。

2 新技術(shù)研發(fā)背景

船用中空螺旋槳是一項(xiàng)創(chuàng)新型產(chǎn)品和制造技術(shù)，其全稱(chēng)為“船用不銹鋼焊接中空螺旋槳”，2013年申報(bào)為臺(tái)州市路橋區(qū)科技項(xiàng)目，該課題的研究總結(jié)發(fā)表于2014年的《船舶》期刊［1］。

“船用不銹鋼焊接中空螺旋槳”的創(chuàng)新點(diǎn)是相對(duì)于傳統(tǒng)螺旋槳而言的。傳統(tǒng)的船用螺旋槳（指目前市場(chǎng)供應(yīng)的主流產(chǎn)品）生產(chǎn)工藝多采用銅合金熔煉后澆鑄到砂型（箱）中成型，冷卻后切去冒口，再經(jīng)過(guò)型面修正加工（如拋光、車(chē)削）成為合格的產(chǎn)品。該方式不僅鑄造工藝很復(fù)雜，且屬于高能耗和高污染行業(yè)。

目前螺旋槳制造企業(yè)都使用電爐來(lái)熔煉銅合金。銅合金在熔煉和澆鑄的過(guò)程中不僅損耗大，還會(huì)產(chǎn)生渣和廢棄的冒口，難以回收再利用，從而增加碳排放。此外，該鑄造工藝較復(fù)雜，且難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，工人的工作環(huán)境也極為惡劣。

螺旋槳制造對(duì)環(huán)境的影響主要是型砂的采挖和處置。目前用于制造螺旋槳的型砂資源日漸枯竭，我國(guó)用于鑄造螺旋槳的型砂產(chǎn)地主要在福建河道中，但大規(guī)模開(kāi)挖必將導(dǎo)致自然生態(tài)的改變，故不可能持續(xù)長(zhǎng)久。此外，由于這種型砂在使用時(shí)添加了水玻璃固化劑，故無(wú)法再生利用，而廢棄的型砂一般多用于填海、填埋溝壑。雖然水玻璃廢砂對(duì)環(huán)境的危害目前還不十分清楚，但至少會(huì)使農(nóng)田土地沙化。此外，其中殘存的水玻璃，又是一種含氧化鈉的強(qiáng)堿性物質(zhì)，可使土壤堿化、板結(jié)，污染水源或地下水。

為克服傳統(tǒng)螺旋槳鑄造工藝的缺陷，貫徹黨和國(guó)家的科學(xué)發(fā)展觀以及環(huán)境保護(hù)的指示精神，需開(kāi)發(fā)一種新穎的螺旋槳機(jī)加工制造技術(shù)來(lái)替代傳統(tǒng)的螺旋槳鑄造技術(shù)，不銹鋼焊接中空螺旋槳就是在此背景和指導(dǎo)思想下誕生的。

該新型不銹鋼焊接中空螺旋槳的特征是采用新的材料（不銹鋼板）、新的制造方式（機(jī)加工+焊接組裝）和新穎結(jié)構(gòu)（槳葉內(nèi)部呈空心結(jié)構(gòu)）來(lái)取代目前市場(chǎng)上主流的銅質(zhì)鑄造實(shí)心螺旋槳：

首先，以先進(jìn)的焊接工藝（包含自動(dòng)化焊接技術(shù)）來(lái)取代鑄造工藝是一個(gè)方向。它可以不使用電爐熔煉金屬，能有效降低能耗、減少碳的排放、減少貴重金屬（如銅）在熔煉鑄造過(guò)程中的損耗，是一項(xiàng)有益子孫后代的舉措。

其次，中空結(jié)構(gòu)的螺旋槳實(shí)現(xiàn)模塊化制造與組裝，比實(shí)心槳節(jié)省材料，材料的利用率更高、更合理，而且適合數(shù)控機(jī)床加工，有利于實(shí)現(xiàn)“工業(yè)4.0”的目標(biāo)。

另外，不銹鋼板材質(zhì)的穩(wěn)定性好，在海水中不易被腐蝕（包括電化學(xué)腐蝕和空泡腐蝕）。不銹鋼板強(qiáng)度和韌性都比鑄銅好，比銅質(zhì)更為經(jīng)久耐用，受到多工況作業(yè)船舶（如拖網(wǎng)漁船、工程船舶）船東的普遍歡迎。

然而，依據(jù)目前的工藝制造水平，不銹鋼焊接中空螺旋槳比較適合噸位不大的中、小型船舶，尚不適合大噸位船舶和對(duì)螺旋槳性能有較高要求的船舶。

3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況

3.1 國(guó)外發(fā)展概況

由于銅合金的強(qiáng)度提高受到限制，且近年來(lái)海洋和港灣的海水污染加劇，導(dǎo)致厭氣性硫酸鹽還原菌大量繁殖，海水中的硫酸鹽被還原后產(chǎn)生了對(duì)銅合金具有強(qiáng)烈腐蝕作用的硫離子，因此，銅合金螺旋槳的耐蝕性也開(kāi)始出現(xiàn)問(wèn)題［2］。

取代銅合金的最佳材料便是不銹鋼。從1972年以來(lái)， 日本幾乎有一半的螺旋槳是用不銹鋼制造的。瑞典的米化公司和塞爾士達(dá)公司在所生產(chǎn)的螺旋槳中， 不銹鋼螺旋槳占 90% 。

不銹鋼作為螺旋槳材料具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）強(qiáng)度高 ， 有利于大側(cè)斜槳的設(shè)計(jì)。葉片可以減薄， 并可制成多葉槳， 不僅可以提高螺旋槳的推進(jìn)效率， 而且可以減少槳的振動(dòng)和降低噪聲。

（2）不銹鋼的抗腐蝕性能和抗空泡剝蝕性能是銅合金的幾倍甚至十幾倍， 使螺旋槳的壽命得以提高，特別是在污染海水中， 不銹鋼螺旋槳更具有優(yōu)勢(shì)。

（3）不銹鋼的焊接性能好，適合采用焊接組裝方式制造超大型螺旋槳。日本“日石”號(hào)大型油船所用的直徑 11 m 的螺旋槳便是焊接組裝螺旋槳的一例。

20世紀(jì)70年代，日本三菱重工研制成功MCF不銹鋼（Mitsubishi Cupro-Ferrous Alloy），這是一種適合中、小型船舶在污染海水環(huán)境下使用的螺旋槳材料。至1974 年底，已有 100 多個(gè)槳裝船使用， 未出現(xiàn)任何事故；繼而其又開(kāi)發(fā)出MSS不銹鋼（Mitsubishi Special Steel），用于制造大型螺旋槳，并且為獲得大型螺旋槳的制造經(jīng)驗(yàn)， 用焊接組裝的方法試制成一個(gè)直徑達(dá) 5.7 m 的大型螺旋槳， 并已投入使用。

20世紀(jì)90年代初，日本三菱重工開(kāi)發(fā)出耐腐蝕不銹鋼MCRS（Mitsubishi Corrosion Resistance Steel），其腐蝕疲勞強(qiáng)度約為294 MPa ，比銅合金高得多， 抗空泡剝蝕性是銅合金的 1.6倍。至1991年， 日本先后為迎賓船、捕鯨船、油船和高速艇等共計(jì) 24 艘船配置了 36個(gè)此類(lèi)耐腐蝕不銹鋼材質(zhì)螺旋槳。

日本雖然早在20世紀(jì)70年代就開(kāi)始使用不銹鋼材料制造螺旋槳，但葉片的制造至今仍采用鑄造工藝，因此鑄造工藝高能耗和環(huán)境污染的缺陷依然存在，而鑄造不銹鋼螺旋槳要比銅合金螺旋槳困難得多，主要有以下兩方面因素：

（1）不銹鋼的熔點(diǎn)比銅合金高得多 ， 用于銅合金的造型材料不能用于不銹鋼， 必須采用耐火度更高的諸如鉻鐵礦等耐火材料。對(duì)于錳（Mn）含量較高的不銹鋼（如MCF 鋼），因鋼水會(huì)與石英砂反應(yīng)形成化學(xué)粘砂， 故應(yīng)采用鎂砂作為造型材料，涂料也應(yīng)采用耐火度高的諸如氧化鋯系涂料。

（2）絕大多數(shù)不銹鋼都需要固溶熱處理 ， 以確保其使用性能。這不僅需增添熱處理設(shè)備， 且容易導(dǎo)致螺旋槳鑄件變形， 這種變形又因材質(zhì)、形狀和尺寸的不同而不同， 無(wú)一定規(guī)律性， 從而給制定螺旋槳的鑄造方案帶來(lái)相當(dāng)大的困難。

從日本研制不銹鋼螺旋槳的經(jīng)歷來(lái)看，螺旋槳葉片單獨(dú)鑄造，再通過(guò)焊接工藝來(lái)組裝，這一點(diǎn)對(duì)我們有啟發(fā)。這種焊接組裝工藝不僅可制造超大型槳（如直徑11 m的大型螺旋槳），還適合制造多葉片槳。在大型船舶上，為減振降噪和吸收高功率，螺旋槳的葉片數(shù)量已經(jīng)增至五葉或六葉。而這樣的多葉槳，因盤(pán)面有部分重疊，在葉根部分易產(chǎn)生干擾。對(duì)于翻砂工藝來(lái)說(shuō)，這也是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因?yàn)閳?bào)廢率大大提高。因此葉片采用焊接組裝工藝是一個(gè)出路。日本的經(jīng)驗(yàn)也證明：葉根部的焊接強(qiáng)度可以得到保證，裝配的精度也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，在江、浙、皖、魯一帶，許多內(nèi)河船廠開(kāi)始用鋼板焊接螺旋槳來(lái)取代鑄鐵螺旋槳。原先的內(nèi)河拖船和機(jī)動(dòng)船上普遍采用鑄鐵槳，由于鑄鐵具有脆性，碰撞到河床或卵石，槳葉很容易折斷，從而造成船舶停航。改用鋼板焊接螺旋槳后，韌性普遍提高，葉片即使打歪也不會(huì)脫落，船舶仍能依靠受損的槳航行到駐地進(jìn)行維修。

這種鋼板焊接螺旋槳的制作很簡(jiǎn)單，用兩塊薄鋼板在模具中敲擊成型，然后進(jìn)行周邊焊就形成1個(gè)葉片；將幾個(gè)葉片焊接到車(chē)削成型的槳轂上，便成為1個(gè)槳。為使葉片堅(jiān)挺不變形，槳葉的內(nèi)部還設(shè)置一些加強(qiáng)筋，使用效果相當(dāng)不錯(cuò)。

1996年，山東省交通科研所的許云飛研究員設(shè)計(jì)并委托鎮(zhèn)江船廠制造2個(gè)1 176 kW、2.2 m直徑的鋼板焊接槳，為當(dāng)時(shí)中國(guó)同類(lèi)產(chǎn)品之最。這2個(gè)槳制成后，于1996年11月13日換裝到“黃河”號(hào)滾裝船上。此后，該輪一直在東營(yíng)至旅順航線(xiàn)上營(yíng)運(yùn)，經(jīng)受了驚濤駭浪的考驗(yàn)。據(jù)了解，該輪換裝螺旋槳后營(yíng)運(yùn)了10多年，未出現(xiàn)螺旋槳損壞現(xiàn)象，足以證明其強(qiáng)度綽綽有余。

不過(guò)，這種鋼板焊接螺旋槳雖然摒棄了原先的鑄造工藝，但采用的制造技術(shù)仍屬粗放式。葉片的成型依賴(lài)模具，采用手工敲擊或壓制成型，型面精度難以保證，尤其當(dāng)槳葉型面比較復(fù)雜時(shí)，不僅難以達(dá)到高精度的要求，也不利于機(jī)加工制造。

20世紀(jì)90年代初，臺(tái)州市創(chuàng)馳螺旋槳廠在鋼板焊接螺旋槳的基礎(chǔ)上大膽創(chuàng)新，利用數(shù)控機(jī)加工技術(shù)研制出當(dāng)時(shí)世界上首例不銹鋼焊接中空螺旋槳。1992年3月，該廠又創(chuàng)新設(shè)計(jì)出“余邊復(fù)合型螺旋槳”，獲得國(guó)家專(zhuān)利，同時(shí)生產(chǎn)出首個(gè)屬于這種型式的鋼板焊接螺旋槳（直徑1.6 m）。經(jīng)實(shí)船試驗(yàn)，使用該槳的漁船比同時(shí)期使用鑄鋼螺旋槳的漁船航速快、燃油省、耐沖撞。1994年，該廠自行設(shè)計(jì)制造了國(guó)內(nèi)首個(gè)采用不銹鋼板材焊接的中空螺旋槳，實(shí)船使用證明比鑄造銅質(zhì)螺旋槳質(zhì)量輕、性能好。它摒棄了傳統(tǒng)螺旋槳采用鑄造成型的工藝，開(kāi)創(chuàng)了一條螺旋槳采用機(jī)加工和焊接裝配制造的新路。2013年5月，該廠又設(shè)計(jì)制造了1個(gè)目前仍堪稱(chēng)國(guó)內(nèi)最大3.5 m直徑不銹鋼板焊接中空螺旋槳，且已在實(shí)船安裝使用。

4 標(biāo)準(zhǔn)制訂的過(guò)程

遵照國(guó)務(wù)院以及浙江省加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化工作的指示精神，對(duì)具有創(chuàng)新概念的產(chǎn)品應(yīng)及時(shí)制訂相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，以填補(bǔ)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的不足或空白。臺(tái)州市創(chuàng)馳螺旋槳廠于2012年根據(jù)新產(chǎn)品的特點(diǎn)制訂了第一個(gè)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《船舶與海事技術(shù)：不銹鋼焊接中空螺旋槳驗(yàn)收技術(shù)條件》（Q/TZCC 01-2012），并上報(bào)浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局備案，成為浙江省企業(yè)產(chǎn)品執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)圖2。

圖2 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)備案證書(shū)

2018年8月，中國(guó)船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院與該廠合作，在原有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合最新的研究成果，起草擬訂新版的《船用中空螺旋槳》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的草案，經(jīng)中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)立項(xiàng)后，向有關(guān)單位發(fā)送了征求意見(jiàn)稿。

本標(biāo)準(zhǔn)共向47個(gè)單位發(fā)送了征求意見(jiàn)稿。其中有國(guó)家級(jí)研究所10個(gè)、大型船舶制造與配套企業(yè)（集團(tuán)）29個(gè)、含造船專(zhuān)業(yè)的大學(xué)5所，以及3家船舶檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)。

征求意見(jiàn)稿發(fā)出后，共收到6份回函總計(jì)10多條意見(jiàn)。經(jīng)過(guò)充分研究后，起草單位均作出回應(yīng)，采納了大部分意見(jiàn)，修改了標(biāo)準(zhǔn)草案，并形成了送審稿。2019年3月11日在北京召開(kāi)了該項(xiàng)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的審查會(huì)，會(huì)上通過(guò)與會(huì)專(zhuān)家的認(rèn)真討論，一致同意通過(guò)該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的審查；4月15日，中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布2019年第1號(hào)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)公告，正式批準(zhǔn)《船用中空螺旋槳》為本行業(yè)協(xié)會(huì)的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，并立即實(shí)施。［3］

5 標(biāo)準(zhǔn)的研究成果

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《船用中空螺旋槳》規(guī)定了船用中空螺旋槳的術(shù)語(yǔ)和定義、量的符號(hào)和單位、制造精度等級(jí)、結(jié)構(gòu)形式、材料要求、板的最小厚度、焊接工藝和焊接結(jié)點(diǎn)、型式（含出廠）檢驗(yàn)的方法和技術(shù)要求、包裝、運(yùn)輸和貯存要求以及一個(gè)強(qiáng)度校核方法的規(guī)范性附錄。

5.1 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

螺旋槳葉片的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新是本標(biāo)準(zhǔn)的一大亮點(diǎn)。近代螺旋槳葉片是一個(gè)復(fù)雜的型面：首先以一定的角度布放機(jī)翼型剖面，這種角度稱(chēng)為螺距角；各半徑處的螺距角不同，即為變螺距槳；再將剖面在圓柱面內(nèi)向旋轉(zhuǎn)的反方向移動(dòng)，成為側(cè)斜螺旋槳；為改善槳的性能，再將剖面在槳軸方向移動(dòng)一個(gè)距離，成為縱斜螺旋槳。實(shí)質(zhì)上，螺旋槳葉片具有三維調(diào)控的形狀，因此難以在一般的機(jī)床上進(jìn)行加工。

為便于加工，我們將槳葉分解成3個(gè)模塊來(lái)制造（見(jiàn)下頁(yè)圖3），這3個(gè)模塊分別為面板、背板和撐板。面板和背板加工成型后，周邊進(jìn)行填角焊，然后磨光，就制成葉片，撐板用來(lái)加強(qiáng)內(nèi)部。

這樣，每個(gè)模塊都可以用數(shù)控銑床來(lái)加工，再組裝焊接，成為一個(gè)具有三維形狀的葉片，使機(jī)加工成型復(fù)雜的螺旋槳葉片變?yōu)榭赡?。此外，從力學(xué)構(gòu)造來(lái)看，這種結(jié)構(gòu)非常合理，它在強(qiáng)度薄弱的地方形成“工”字梁結(jié)構(gòu)，既節(jié)省葉片耗材，又充分利用材料。

5.2 焊接工藝和焊接結(jié)點(diǎn)

焊接組裝工藝和如何達(dá)到組裝的精度要求也是標(biāo)準(zhǔn)研究的成果之一。

圖3 槳葉分解成三個(gè)模塊

螺旋槳葉片根部與槳轂的焊接是整個(gè)焊接工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。若與鋼板焊接螺旋槳相同，僅從外圍周邊焊接一圈，那對(duì)于厚板來(lái)說(shuō)，即使開(kāi)坡口，焊接強(qiáng)度依然難以保障。因此，在經(jīng)歷了多年摸索實(shí)踐后，我們已形成一套完善的焊接工藝方案，體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)中，即焊接結(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和焊腳高度的要求（見(jiàn)圖4）。

圖4 槳葉與槳轂的焊接結(jié)點(diǎn)圖

圖4中A結(jié)點(diǎn)詳圖顯示，面板的內(nèi)側(cè)開(kāi)有坡口。當(dāng)外側(cè)焊腳焊好后，再焊接內(nèi)側(cè)的封底焊，這種雙面焊接的強(qiáng)度堅(jiān)實(shí)可靠，臺(tái)州市創(chuàng)馳螺旋槳廠20多年來(lái)已經(jīng)生產(chǎn)數(shù)千個(gè)中空螺旋槳，用在拖網(wǎng)漁船、高速艇、85 m工程船以及噸位不大的運(yùn)輸船上，經(jīng)受住種種考驗(yàn)，從未發(fā)生過(guò)螺旋槳葉片根部焊縫斷裂的現(xiàn)象。但從內(nèi)側(cè)進(jìn)行封底焊的難度比較大，我們的措施是在背板的根部開(kāi)一條高30 mm的工藝孔，如圖4中的B結(jié)點(diǎn)詳圖所示。通過(guò)這個(gè)工藝孔焊接面板的內(nèi)側(cè)焊縫以及撐板與槳轂的連接焊縫。葉片內(nèi)部焊接全部結(jié)束后，在工藝孔的內(nèi)側(cè)點(diǎn)焊固定一條襯板，然后把工藝孔封起來(lái)。這種焊接組裝工藝也具有獨(dú)到之處。

5.3 強(qiáng)度校核

強(qiáng)度校核方法也是標(biāo)準(zhǔn)的核心研究成果。我們?cè)谂c船檢的交流中發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度校核的最大難點(diǎn)就是校核方法。雖然各國(guó)船級(jí)社制定的螺旋槳強(qiáng)度校核規(guī)則有所不同，但都是針對(duì)實(shí)心螺旋槳葉片。中空螺旋槳結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，也帶來(lái)現(xiàn)有船舶建造規(guī)范中規(guī)定的螺旋槳強(qiáng)度公式（方法）不適用的問(wèn)題。當(dāng)規(guī)范的強(qiáng)度校核公式不能適用時(shí)，規(guī)范允許采用理論計(jì)算方法或其他等效方法來(lái)校核。為此，需要開(kāi)發(fā)一套適合中空螺旋槳簡(jiǎn)便實(shí)用的強(qiáng)度校核方法。本標(biāo)準(zhǔn)中附錄A（規(guī)范性附錄）“船用中空螺旋槳強(qiáng)度校核方法”便是我們的研究成果。這個(gè)附錄的內(nèi)容包含兩個(gè)部分：第一部分是螺旋槳所受外力（矩）的計(jì)算方法，基本上是采用上海交通大學(xué)的教科書(shū)《船舶原理》［4］第7章“螺旋槳的強(qiáng)度校核——分析計(jì)算法”中的相關(guān)公式；第二部分是中空螺旋槳葉片剖面模數(shù)的計(jì)算，這也是本標(biāo)準(zhǔn)研究的創(chuàng)新點(diǎn)。中空螺旋槳的剖面由幾塊板組成，如果采用常規(guī)的結(jié)構(gòu)力學(xué)公式來(lái)計(jì)算，要確定許多參數(shù)，不僅工作量大，且不能形成規(guī)范性的計(jì)算模型。

針對(duì)中空螺旋槳的特點(diǎn)，本標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)便實(shí)用的剖面模數(shù)計(jì)算模型（參見(jiàn)圖5）。

圖5 中空螺旋槳葉片剖面模數(shù)計(jì)算模型

在這個(gè)計(jì)算模型中，我們把假定軸設(shè)在面板的下表面。在背板下表面的頂點(diǎn)作水平線(xiàn)CD，把背板切分成3塊板（即板2、板4、板3）來(lái)計(jì)算。這樣，板2和板3成為平行四邊形，形心位置在高度的中點(diǎn)。板4成為圓弧形的板，其面積和形心位置可用現(xiàn)成的公式計(jì)算得到，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算程序。

此外，我們作AC和BD兩條直線(xiàn)，量取導(dǎo)邊角α和隨邊角β，就能建立起整套剖面要素計(jì)算公式，見(jiàn)下頁(yè)表1。有了這些要素，就能按結(jié)構(gòu)力學(xué)的常規(guī)方法計(jì)算出中空螺旋槳葉片的剖面模數(shù)，繼而進(jìn)行強(qiáng)度校核。

具體的計(jì)算細(xì)節(jié)已在標(biāo)準(zhǔn)中闡明?；跇?biāo)準(zhǔn)附錄所載的方法，我們用Excel表格編制了強(qiáng)度計(jì)算書(shū)的模板，只要在輸入數(shù)據(jù)的表格中輸入相關(guān)參數(shù)，便能快速自動(dòng)實(shí)現(xiàn)中空螺旋槳的強(qiáng)度校核。

表1 剖面要素計(jì)算公式

6 結(jié) 語(yǔ)

（1）《船用中空螺旋槳》是一項(xiàng)創(chuàng)新的螺旋槳生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品研究成果。它開(kāi)發(fā)了一種用不銹鋼板材料制造的中空螺旋槳葉片的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)型式，具有強(qiáng)度高、耐海水腐蝕和質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì)；同時(shí)節(jié)省材料消耗，減少碳排放，良好適應(yīng)機(jī)加工制造和自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

（2）創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的這種螺旋槳葉片的焊接組裝工藝，摒棄了傳統(tǒng)螺旋槳鑄造工藝帶來(lái)的耗能大且不利于機(jī)械化作業(yè)以及對(duì)環(huán)境造成污染等弊病。用焊接工藝來(lái)取代鑄造工藝，符合國(guó)家節(jié)能減排的總方針和環(huán)保政策。

（3）針對(duì)中空螺旋槳的特點(diǎn)，該標(biāo)準(zhǔn)研究采用一種簡(jiǎn)便實(shí)用的強(qiáng)度校核方法，編制成規(guī)范性附錄，并基于這種方法，利用Excel表格編制了強(qiáng)度計(jì)算書(shū)的模板。后期，只需在載有數(shù)據(jù)的表格中輸入相關(guān)參數(shù)，就能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)中空螺旋槳的強(qiáng)度校核。

（4）團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《船用中空螺旋槳》的制定和發(fā)布為這項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用和新產(chǎn)品的推廣奠定了基礎(chǔ)。