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摘要：本文通过分析某5500DWT化学品油船舵系失效的原因，阐述了类似带有挂舵臂船舶的舵系液压螺栓压入量和膨胀压力的计算，供同行们参考。
关键词：化学品油船；舵液压螺母；故障；分析
中图分类号：U672.2文献标识码：A
Maintenance Analysis of 5 500 DWT Chemical Tanker Rudder Failure
KANG Zongnan1,CHEN Dongping2, FU Xudong2, CHEN Chengran2
( 1. Guangxin Shipbuilding&Heavy Industry Co.,Ltd, Zhongshan 528437; 2. Guangzhou WenchongShipyard Co., Ltd., Guangzhou 510725 )
Abstract: Described by the example of 5 500 DWT chemical tanker rudder failure,expounds the calculationof rudder hydraulic bolts push-up length and expansion pressure,so that with counterparts to learn
Key words: Chemical tanker;Rudder hydraulic bolt;Fault; Analysis
1引言
船舶舵系的可靠性是安全航行的基本前提，舵系故障的存在是极大的安全隐患，问题严重时，不仅影响正常的航行，对船员的人身安全造成危害，甚至有可能发生重大的海难。因此，舵系的安全可靠性对于船舶而言十分重要。
GMG02是我司委外建造的5 500 DWT化学品油船，其舵系采用挂舵臂结构形式，舵杆和舵销由液压螺母固定，见图1。
2故障现象及分析
5 500 DWT化学品油船试航中发现在驾控台舵角显示0时，船舶明显往左行驶，当舵角打到右舷220，船舶才能按照直线行驶，为了明确问题的所在，必须将问题一项项排除。驾控台操舵时，舵机舱显示的角度与之相同，故可排除电气反馈装置不同步的问题，舵杆与舵柄之间为键连接，在摆舵的同时舵杆也随之转动，说明舵杆与舵柄之间没有位移。为了进一步确认问题所在，调整船舶压载，将舵叶显露出来，发现当船舶驾控台和舵机房显示0位时，舵叶偏向右舷大概220，因此问题出在舵叶上。根据船舶出厂报告，舵杆液压螺母的压装数据如表1所列。
图1 舵系结构图纸
表1原始的舵杆液压螺母压装数据
从表格看出，压入量为1 mm的时候，膨胀压力却没有建立，显示为0Mpa，故初步认为是施工时起始位置的选取出现错误，导致压入量不够,造成锥面出现位移。
3舵杆轴承处产生的扭矩
船舶在航行时，由于螺旋桨的推力，在舵叶处会产生巨大的扭矩，使船舶改变航道。舵叶所产生的扭矩按下式计算：
式中： ，F正=336 913 N；F倒=104 390 N
； ；
hm舵叶平均高度，—展舷比计算得出4.4 m；
舵叶面积之和A=10.419 m2；
k2—系数查表得正车1:1，倒车0.9；
k3—导流罩后舵叶k3=1.15；
Vd—设计航速，正车Vd正13 kn，倒车Vd倒8 kn
A1、A2为舵叶缺口下部和上部的面积，
A1=6.832 m2，A2=4.082 5 m2；
A2 f / A1 f—舵杆缺口上部和下部的面积；
A2 f=0.337 5 m2，A1 f=2.074 m2；
，；
b1、b2—A1、A2部分的平均宽度（m）
a1、a2—正车时取0.33，倒车取0.66；
代人式中，得出：
正车最大扭矩为T正=73 952 Nm
倒车最大扭矩为T倒=108 461 Nm
通过上述计算，当船舶全速满舵航行时，通过舵杆舵叶输出巨大的扭矩，无键连接的舵杆舵叶，在此巨大的扭矩作用下，要靠锥面的摩擦力来防止滑动、移位，对锥面贴合状态及安装工艺势必提出严格的要求，对于轴向的推入压力、径向的膨胀压力以及锥面贴合后的推进量均需十分科学与严谨的计算。
4液压螺母压入量和压力计算
由于缺乏设计院提供的有效数据，舵杆液压螺母的压入量和膨胀压力，需要根据船舶规范进行计算。
4.1液压装配径向压力计算
根据规范要求，压入力不小按下面两个式计算：
=55.5 N / mm2
=48.5 N / mm2
式中：—舵杆设计屈服扭矩，；
dm—舵杆大端直径与小端直径之和的一半；
l —锥体长度；
Mb —锥体舵承处所受的弯矩，Mb=115 521；
Dt —舵杆直径，Dt=220 mm；
Kr —材料系数，kr=1.146；
μ0 —取值0.15；
最大压入力根据以下公式计算：
式中：ReH—舵杆屈服强度，；
da-舵杆连接体的外径（如不规则，取最小边的两倍）；
根据以上计算结果，径向压力范围为：
4.2液压装配法锥体轴向推力计算
根据规范要求，轴向推力不小于按下式计算之值：
=858.6 kN
活塞面积S=19 792 mm2，得出轴向压力P=43.3 MPa。
最大允许的轴向推力按下式计算：
=1 439.4 kN
活塞面积S=19792mm2，得出轴向压力P=72.7 MPa
根据以上计算结果，轴向推力范围为：
4.3液压装配法锥体压入长度计算
根据规范要求压入长度不小于按下式计算之值：
=2.11 mm
式中：Rtm—摩擦系数，一般取0.01，
c—锥体锥角，取1:15；
E—材料弹性模量系数，查设计手册E=2.06 x105 N/mm2。
最大允许的压入长度按下式计算：
=2.93 mm
根据上述计算结果液压螺母的压入长度为2.11mm<△l2<2.93mm之间，安全起见，推荐压入量取2.6 mm。
4结论
根据计算数据可以看出，船舶在下水前舵杆液压螺母的压入量明显不够，最终造成船舶在试航的时候舵叶与舵杆产生位移，达不到应有的舵效。
将舵杆液压螺母重新压装，数据见表2（初始压力按照给定压力的10%给出）。
表2修正后的舵杆液压螺母压装数据
出坞后，经过航海试验，证实重新压装舵杆螺母后，没有发生舵杆和舵叶的偏移，能够保证船舶的正常航行。
参考文献
[1]中国船级社.钢质海船入级规范[S], 2009.
[2]MSC. PATRAN & MSC.NASTRAN使用指南[M]. 北京: BUAA, 2002.
作者简介：亢宗楠（1983-），男，轮机工程师。主要从事船舶轴舵系方面的安装工作。
陈东平（1982-），男，轮机工程师。主要从事船舶轴舵系方面的设计工作。
收稿日期：2013-10-09
关键词：化学品油船；舵液压螺母；故障；分析
中图分类号：U672.2文献标识码：A
Maintenance Analysis of 5 500 DWT Chemical Tanker Rudder Failure
KANG Zongnan1,CHEN Dongping2, FU Xudong2, CHEN Chengran2
( 1. Guangxin Shipbuilding&Heavy Industry Co.,Ltd, Zhongshan 528437; 2. Guangzhou WenchongShipyard Co., Ltd., Guangzhou 510725 )
Abstract: Described by the example of 5 500 DWT chemical tanker rudder failure,expounds the calculationof rudder hydraulic bolts push-up length and expansion pressure,so that with counterparts to learn
Key words: Chemical tanker;Rudder hydraulic bolt;Fault; Analysis
1引言
船舶舵系的可靠性是安全航行的基本前提，舵系故障的存在是极大的安全隐患，问题严重时，不仅影响正常的航行，对船员的人身安全造成危害，甚至有可能发生重大的海难。因此，舵系的安全可靠性对于船舶而言十分重要。
GMG02是我司委外建造的5 500 DWT化学品油船，其舵系采用挂舵臂结构形式，舵杆和舵销由液压螺母固定，见图1。
2故障现象及分析
5 500 DWT化学品油船试航中发现在驾控台舵角显示0时，船舶明显往左行驶，当舵角打到右舷220，船舶才能按照直线行驶，为了明确问题的所在，必须将问题一项项排除。驾控台操舵时，舵机舱显示的角度与之相同，故可排除电气反馈装置不同步的问题，舵杆与舵柄之间为键连接，在摆舵的同时舵杆也随之转动，说明舵杆与舵柄之间没有位移。为了进一步确认问题所在，调整船舶压载，将舵叶显露出来，发现当船舶驾控台和舵机房显示0位时，舵叶偏向右舷大概220，因此问题出在舵叶上。根据船舶出厂报告，舵杆液压螺母的压装数据如表1所列。
图1 舵系结构图纸
表1原始的舵杆液压螺母压装数据
从表格看出，压入量为1 mm的时候，膨胀压力却没有建立，显示为0Mpa，故初步认为是施工时起始位置的选取出现错误，导致压入量不够,造成锥面出现位移。
3舵杆轴承处产生的扭矩
船舶在航行时，由于螺旋桨的推力，在舵叶处会产生巨大的扭矩，使船舶改变航道。舵叶所产生的扭矩按下式计算：
式中： ，F正=336 913 N；F倒=104 390 N
； ；
hm舵叶平均高度，—展舷比计算得出4.4 m；
舵叶面积之和A=10.419 m2；
k2—系数查表得正车1:1，倒车0.9；
k3—导流罩后舵叶k3=1.15；
Vd—设计航速，正车Vd正13 kn，倒车Vd倒8 kn
A1、A2为舵叶缺口下部和上部的面积，
A1=6.832 m2，A2=4.082 5 m2；
A2 f / A1 f—舵杆缺口上部和下部的面积；
A2 f=0.337 5 m2，A1 f=2.074 m2；
，；
b1、b2—A1、A2部分的平均宽度（m）
a1、a2—正车时取0.33，倒车取0.66；
代人式中，得出：
正车最大扭矩为T正=73 952 Nm
倒车最大扭矩为T倒=108 461 Nm
通过上述计算，当船舶全速满舵航行时，通过舵杆舵叶输出巨大的扭矩，无键连接的舵杆舵叶，在此巨大的扭矩作用下，要靠锥面的摩擦力来防止滑动、移位，对锥面贴合状态及安装工艺势必提出严格的要求，对于轴向的推入压力、径向的膨胀压力以及锥面贴合后的推进量均需十分科学与严谨的计算。
4液压螺母压入量和压力计算
由于缺乏设计院提供的有效数据，舵杆液压螺母的压入量和膨胀压力，需要根据船舶规范进行计算。
4.1液压装配径向压力计算
根据规范要求，压入力不小按下面两个式计算：
=55.5 N / mm2
=48.5 N / mm2
式中：—舵杆设计屈服扭矩，；
dm—舵杆大端直径与小端直径之和的一半；
l —锥体长度；
Mb —锥体舵承处所受的弯矩，Mb=115 521；
Dt —舵杆直径，Dt=220 mm；
Kr —材料系数，kr=1.146；
μ0 —取值0.15；
最大压入力根据以下公式计算：
式中：ReH—舵杆屈服强度，；
da-舵杆连接体的外径（如不规则，取最小边的两倍）；
根据以上计算结果，径向压力范围为：
4.2液压装配法锥体轴向推力计算
根据规范要求，轴向推力不小于按下式计算之值：
=858.6 kN
活塞面积S=19 792 mm2，得出轴向压力P=43.3 MPa。
最大允许的轴向推力按下式计算：
=1 439.4 kN
活塞面积S=19792mm2，得出轴向压力P=72.7 MPa
根据以上计算结果，轴向推力范围为：
4.3液压装配法锥体压入长度计算
根据规范要求压入长度不小于按下式计算之值：
=2.11 mm
式中：Rtm—摩擦系数，一般取0.01，
c—锥体锥角，取1:15；
E—材料弹性模量系数，查设计手册E=2.06 x105 N/mm2。
最大允许的压入长度按下式计算：
=2.93 mm
根据上述计算结果液压螺母的压入长度为2.11mm<△l2<2.93mm之间，安全起见，推荐压入量取2.6 mm。
4结论
根据计算数据可以看出，船舶在下水前舵杆液压螺母的压入量明显不够，最终造成船舶在试航的时候舵叶与舵杆产生位移，达不到应有的舵效。
将舵杆液压螺母重新压装，数据见表2（初始压力按照给定压力的10%给出）。
表2修正后的舵杆液压螺母压装数据
出坞后，经过航海试验，证实重新压装舵杆螺母后，没有发生舵杆和舵叶的偏移，能够保证船舶的正常航行。
参考文献
[1]中国船级社.钢质海船入级规范[S], 2009.
[2]MSC. PATRAN & MSC.NASTRAN使用指南[M]. 北京: BUAA, 2002.
作者简介：亢宗楠（1983-），男，轮机工程师。主要从事船舶轴舵系方面的安装工作。
陈东平（1982-），男，轮机工程师。主要从事船舶轴舵系方面的设计工作。
收稿日期：2013-10-09