舵叶锥孔倾斜对运转间隙的影响

辛黎明，陈新良，钱 进

(上海华润大东船务工程有限公司，上海 202155)

舵叶锥孔倾斜对运转间隙的影响

辛黎明，陈新良，钱 进

(上海华润大东船务工程有限公司，上海 202155)

文章就某船的舵叶因事故而发生变形，致使舵叶锥孔发生倾斜的现象，通过对舵销的运动轨迹进行分析，提出了修理过程中舵销轴承设计，安装时应注意的事项。

舵叶;倾斜;舵销;轴承

在船舶修理、装配和调试过程中，经常会遇到舵系部件定位偏差的问题，尤其是船舶在航行中因意外而发生的搁浅、碰撞等事故，舵叶受到外力的撞击，使舵系发生变形，但因舵销与轴承的安装一般间隙都较大，在一般检查和修理过程中可能会被忽略，而这些偏差和变形的存在会影响或破坏设备的正常使用，缩短设备的使用寿命，更有甚者会发生舵系转舵的困难，给船舶安全航行带来极大的安全隐患，甚至无法正常航行。

1 舵系结构形式及装配定位关系

对于悬挂舵，其舵杆、舵销与舵叶铸 (锻)钢件的典型装配关系如图1所示。

从图1中可以看出，整个舵系的质量是由上舵承的平面推力轴承支撑。舵机油缸的往复运动通过舵柄、舵杆、键转换成舵叶的摆动。为了保证整个舵系的回转，要求上舵承的推力盘与与舵杆呈垂直状态，上舵承的摩擦片与各舵承孔呈垂直状态，且舵杆上轴承、下轴承、挂舵臂处的舵销轴承三者为同轴关系［1］。

根据船舶行业修理标准CB/T 3428—2013《船舶舵系修理中心线定位及校中技术要求》［2］。

图1 舵杆、舵销与舵叶铸 (锻)钢件的典型装配关系图

1)对舵系固定部件校中的要求:固定部件各舵承孔中心同轴度允许偏差不大于安装间隙的0.7倍。

2)对舵系运动部件校中的要求:舵叶轴承孔与舵杆轴颈同轴度公差值不得大于舵承安装间隙的0.7倍。

由以上的标准要求可知:对于类似舵系轴承孔这样的固定部件，经检查发现的同轴度偏差，如果在允许的范围内，可以不进行修整;当偏差超出了许可的范围后，可以通过现场镗孔等方式进行轴线的修正。同理，舵叶上的舵杆锥孔和舵销锥孔亦为同轴关系，而且它们属于舵系的运动部件。如果由于变形或外界力的影响，使它们的同轴度出现偏差，比如轴线的偏移或倾斜，使得偏差值超出了允许的范围，影响到舵杆、舵叶的装配间隙，进而影响到船舶的航行。一旦出现此类偏差，则应根据情况进行修整。

2 对象和范围

船舶修理过程中，经检查发现舵销锥孔倾斜现象，第一种方法是重新镗孔以修正锥孔，这就需要重新加工和拂配舵销和锥孔，使用专用的现场加工设备，而且相关材料的准备和施工周期都比较长;第二种方法是根据倾斜的锥孔来进行计算核实，并与有关的船级社规范进行对照，视结果决定是修正锥孔还是按现状重新设计计算舵销轴承的内径尺寸。

下文将着重讨论第二种方法，即根据倾斜的锥孔来设计计算舵销轴承的内径尺寸。

3 舵叶的检查测量方式和结果

3.1 测量仪器的设定方式

我们以舵杆锥孔大端M处的中心和舵销锥孔的小端E处的中心作为测量基准，且以大端M为发射端，以小端E为接收端，通过激光测量仪测量上下2个锥孔轴线的同轴度，测量装置的布置和测量结果如图2和图3所示。

图2 舵叶激光测量装置布置示意图

3.2 检查结果及判断

从图2测量装置布置和图3的测量结果可知，舵销锥孔产生了倾斜，方位是锥孔大端向后偏左方向倾斜了β(即向尾部倾斜，最大倾斜值为LA1;同时向左舷倾斜，最大倾斜值为LB1)。

图3 舵叶激光测量结果示意图

其中，β=arctan(LA1/LB1)。

4 舵叶下锥孔中心线的偏移状况分析

现设定以舵叶上部的舵杆锥孔为基准，则其下部舵销锥孔的大端向尾部倾斜LA1，向左倾斜LB1，按照几何三角形关系，舵销锥孔的大端倾斜值L1，如图4所示。

图4 舵销倾斜示意图

按照线性比例关系，则安装于锥孔中的舵销顶部处倾斜值达到L2，即:

式中:L2为舵销顶圆中心倾斜值;LH1为舵销圆柱段长度;LH2为舵销圆锥段长度。

式中:L3为舵销圆柱段中点处与舵杆中心线的偏心距。

对于因锥孔轴线变形所导致的舵销的倾斜现象，与其相配合的舵销轴承内孔直径的计算分为2种方式:舵销轴承中心与舵系的中心一致;舵销轴承中心与舵系的中心有偏移。

4.1 当舵销轴承中心与舵系的中心一致时

在舵销轴承与舵杆为同一中心的情况下，舵叶的转动中心是舵杆中心线 (如图4所示)，由于舵销锥孔大端的倾斜L1，按照线性比例关系，造成了舵销顶部中心与舵系中心线的偏差达L2，且呈倾斜状态，即舵销外圆的最大倾斜点与舵杆中心线的半径距离为 (d/2+L2)，为了消除或抵消此倾斜数据L2，则舵销与轴承的总间隙需大于2 L2，才能使舵销与轴承之间有间隙存在，否则将出现舵销与轴承有干涉的现象。所以舵销轴承的内孔直径D2为:

式中:d为舵销直径;δCmin为舵销与轴承间的单侧最小间隙。

4.2 当舵销轴承中心与舵系的中心有偏移时

1)舵角为正舵时，即舵叶处于0°位置时 (如图5、图6所示，对于舵销锥孔的倾斜，建议按舵销的圆柱段的中点处的偏心距L3及其方位来计算和安装舵销轴承。设舵销轴承内孔中心的偏移为舵销圆柱段中点处的L3时，中心偏移方向为β(方位为偏后LA1，偏左LB1)，则舵销顶端面圆的中心相对于中点处的倾斜值为δ0=L2-L3。

图5 舵销倾斜示意图

图6 舵叶为0°时舵销与轴承的中心位置关系示意图

2)舵角为左 (或右)满舵时，即舵叶偏转35°时 (如图7、图8所示)，由于轴承是固定的，并设定为偏心安装，与舵杆中心的偏心距为L3，方位为后偏左β。当舵杆旋转以后，舵销相应作同步转动，而舵销顶部由于受到倾斜的影响，使得舵销顶部圆的中心与轴承的中心在转动过程中，偏移方向和偏移量产生了变化。当处于正舵时，舵销顶部圆心在β角度，与轴承的中心偏差为δ0，位置在点P1处，一旦转动至左满舵 (或右满舵)，由舵杆带动舵叶上的舵销一起绕舵杆中心“O”，舵销顶部圆心P1沿圆弧轨迹P1P4(或P1P5)转动，舵销顶圆中心由P1顺时针转动到P4(或相反方向逆时针转动到P5)，则舵销顶部圆心位于 (β+α)角度上，舵销顶圆中心与轴承中心的偏差由δ0(即P1P4)变成δ1(即直线P3P4)。根据几何关系，如图8所示。

图7 舵叶为左舷35°时舵销与轴承的关系示意图

式中:δ1为舵销顶圆中心相对于中点处的倾斜值;α0为正舵到左满舵的偏转夹角。

图8 舵销顶圆中心位置变化示意图

显然，δ1＞δ0，所以按δ1计算出的偏心值比按δ0的大。

舵销轴承的内径D3应为:

5 计算分析

对于舵销轴承内径的计算可按前述的3种情况进行计算。

1)状况1:对于没有发生变形的舵系，当各个部件的同轴度偏差忽略时，舵销轴承安装后内孔直径D1的计算公式为:

2)状况2:因舵销锥孔倾斜后舵销轴承中心与舵系的中心保持一致时，舵销轴承安装后内孔直径D2的计算公式为:

3)状况3:因舵销锥孔倾斜后舵销轴承中心与舵系的中心存在偏移时，舵销轴承安装后内孔直径D3的计算公式为:

式中:δCmin为舵销与轴承间的单侧最小间隙;

由上述舵销轴承内孔直径计算公式可知，按状况1所计算的内径最小，状况2和状况3的差别仅在于L2与δ1。通过对L2与δ1的比较可以知道2种状况的大小。

为判别L2与δ1的大小关系，现作如下分析:

因L2+δ1＞0，故只要证明或者＜0，即可得出L2-δ1的大小关系。

根据L2和L1的定义可知:L2＞L1，则3.28L2-L1＞0，所以，也即 L2-δ1＞0。

由以上分析可知:因L2＞δ1，所以在相同的舵销直径和最小间隙时，舵销轴承中心与舵系的中心保持一致时所计算出的轴承内孔直径要大于存在偏移时的内孔直径。

因此，相比较而言，当舵系没有变形的时候(即状况1)舵销轴承所计算的内径最小。当因舵叶变形导致舵销锥孔倾斜后，则按照舵销轴承中心与舵系的中心存在偏移时 (即状况3)所计算出的轴承内孔直径要比中心保持一致时 (即状况2)所计算出的要小。

6 实例分析

某船因海损而导致舵系受损而进行检查修理，其舵销直径为775 mm，舵销长度1 700 mm(不包括锁紧螺纹长度)，经检查后发现船体舵系的轴承孔轴线未变形，舵叶则受损变形，其中舵叶上部的舵杆锥孔未变形为原始状态;而中部的舵销锥孔的大端向后倾斜0.99 mm，向左倾斜0.80 mm。

综合起来，下部锥孔的大端倾斜L1=1.27 mm方位为后偏左，角度β=arctan(LA1/LB1) =arctan(0.99/0.81) ≈51°。

按照线性比例关系，则舵销顶部处倾斜达到L2=3.0 mm，舵销圆柱段中点处倾斜为L3=2.135 mm，见图9。

6.1 当舵销轴承中心与舵杆的中心一致时(状况2)

由于舵销锥孔的倾斜，造成了舵销顶部中心偏离舵杆中心线达L2=3.0 mm，且呈倾斜状态。为了消除或抵消此倾斜数据 (L2=3.0 mm)，使得舵销不与轴承摩擦，则需将舵销轴承的运转总间隙达到至少6.0 mm以上，才能使舵销在转舵过程中不与轴承发生干涉。

即轴承的内孔直径为:D2= (d/2+L2+δCmin)×2= (775/2+3.0+ δCmin) ×2。

1)如果最小间隙δCmin=0.25 mm，轴承直径为781.5 mm，总间隙为6.5 mm。

2)如果最小间隙δCmin=0.5 mm，轴承直径为782 mm，总间隙为7 mm。

3)如果最小间隙δCmin=1.0 mm，轴承直径为783 mm，总间隙为8 mm。

则此状况下的总间隙即使在最小间隙为0的状态下，也已达到或接近船检所规定的建议换新的间隙值，所以此方案不可取。

图9 舵销倾斜数据示意图

6.2 当舵销轴承中心与舵杆的中心有偏心，且舵角偏转35°时 (状况3)

由于轴承是固定的，并设定为偏心安装，即与舵杆中心的偏心值为L3=2.135 mm，方位为后偏左51°，舵销倾斜造成的舵销顶部偏离中心达L2=3.0 mm。如果舵销旋转以后，因舵销的转动中心与舵杆一致，而舵销顶部则受到倾斜的影响，使得舵销的中心与轴承的中心在偏移方位和偏移量产生了变化，即轴承的内孔直径计算公式为:

所以，D3=(d/2+δ1+ δCmin) ×2=(775/2+1.75+δCmin) ×2。

如果最小间隙δCmin=0.25 mm，则轴承直径为779.0 mm，总间隙为4.0 mm。

如果最小间隙δCmin=0.50 mm，则轴承直径为779.5 mm，总间隙为4.5 mm。

如果最小间隙δCmin=0.75 mm，则轴承直径为780.0 mm，总间隙为5.0 mm。

因此，当最小间隙为0.25 mm的状态下，总间隙为4.0 mm，虽然大于设计所要求的1.8 mm。但至少未达到建议换新的尺寸范围。

7 结束语

当舵系设备发生意外事故后，除了根据船舶行业修理标准CB/T 3428-2013《船舶舵系修理中心线定位及校中技术要求》，检查固定部件和运动部件的同轴度偏差外，同时建议增加本文所述的倾斜状况检查，即检查舵叶的舵销锥孔的倾斜变形情况，并根据线性比例关系进行计算，以及时发现变形量因线性放大而使舵销超出安装间隙甚至发生干涉。

一旦发现舵销安装锥孔有倾斜变形，则可根据舵销、锥孔等的几何尺寸关系作进一步的分析和计算，如本文所述的2种状况 (状况2和状况3)，并将计算出的内径与相应的船级社规范进行对比，以便确定是对锥孔作校正修理，重新加工和拂配舵销和锥孔，还是根据变形状况经适当调整后对舵销轴承内孔进行计算和加工。

［1］金伟国，张信祥.船舶钳工［M］.北京:国防工业出版社，2008.

［2］CB/T 3428—2013，船舶舵系修理中心线定位及校中技术要求 ［S］.

Based on the deformation of the rudder and the tilt of pintle taped hole，the trace of pintle moving is analyzed，the method and items during the design and fitting of pintle bush are put forward as well.

rudder;tilt;pintle;bush

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.04.003

辛黎明 (1965-)，男，上海人，高级工程师，大学本科，主要从事船舶轮机修理工作。

2014-10-31