冰区加强船舶推进齿轮箱设计

邱迎宾

摘要：总结了当前各主要船级社对冰区航行船舶的冰级规定，对冰区加强船舶主推进系统中齿轮箱的冰载扭矩和加强系数进行了分析对比，为冰区航行船舶主推进齿轮箱的设计提供了参考。

关键词：船用齿轮箱;冰区加强;冰级

引言

随着全球气候持续变暖、极地海冰不断融化，高寒地区油气资源的开发以及俄罗斯等国市场的逐渐开放，在冰区航行的船舶数量越来越多，新造船要求冰区加强的也越来越多，冰区船舶即将迎来大的发展。对于在冰区航行的船舶，其推进系统除了要传递额定的扭矩和推力之外，还要承受频繁的冰块撞击，这对推进系统中各传动部件的强度和疲劳强度提出了很高的要求，其设计要求与传统的推进系统有着很大的区别。为了保障冰区加强船舶的航行安全，世界主要船级社对冰区船舶推进系统均有各自的附加要求。

1 冰级规定

经过多年的研究和努力，目前各主要船级社和相关国际组织对冰区航行船舶的加强规范已经比较完善和统一。按照航行区域内冰况的严重程度，可以将冰区划分为当年冰冰区、多年冰冰区、破冰船冰区3大类，针对不同的冰区，加强程度各有不同。

1.1当年冰冰区

当年冰冰区以芬兰-瑞典冰级规范（FSICR）为典范，适用于当年冰况、冬季航行于波罗的海的船舶。FSICR 2010版吸收了最新的研究成果，相较于2002版修改颇多，目前已被各大船级社采纳和参考。个别船级社的冰级符号有所不同，但与FSICR冰级之间也有着一一对应的关系;有的船级社对当年漂流浮冰等轻微冰况也做了定义，如CCS的ICE-B等，但这些冰级只要求对船体局部进行加强，不要求对轮机进行加强。

1.2多年冰冰区

多年冰冰区主要是极地冰区，国际船级社联合会极地冰区（IACS PC2007）规定了PC1～PC7共7个冰区等级，规范已于2008年3月开始执行。该规范中的薄冰冰级如PC6、PC7，分别与FSICR中的IA Spuer、IA近似。ABS、BV、DNV/GL、RMRS均采纳了IACS极地冰区的规定。RINA、CCS未对此做出规定。

1.3破冰船

除了與FSICR2010和IACS PC2007相当的冰区等级之外，部分船级社如ABS、BV、DNV/GL、RMRS等，还对更强的冰区等级做了规定，主要是各类破冰船。破冰船的加强规范目前尚未统一。

2推进齿轮箱加强

作为传动系统的一个部件，冰区加强齿轮箱在设计时受到螺旋桨、主机等其它部件参数的影响很大。在不同的设计阶段，根据获得的数据的详细程度，存在着不同的设计、校核计算方法。

2.1疲劳强度校核

FSICR 2010规定传动系统的强度设计应考虑到冰块与桨叶撞击产生的冰致载荷，安全系数不低于1.3;规定传动系统设计采用金字塔原则，即各部件的强度不低于螺旋桨桨叶的强度。规范给出了冰块作用到螺旋桨上的扭矩、弯矩和推力的计算公式，通过载荷谱可以计算疲劳安全系数。IACS PC2007也给出了冰块作用到螺旋桨上的扭矩、弯矩和推力的计算公式，但与FSICR 2010的公式不尽相同。

这一方法的优点是计算结果比较准确，但需要用到的参数和数据较多（桨毂直径、桨叶直径、螺距、叶厚、转速、整个系统各部件的转动惯量等），在螺旋桨和系统设计结束之前，无法进行有效的设计计算，更适合于设计完成后的校核计算。

2.2强度校核

FSICR 2002版曾给出了不同冰级的冰区扭矩估算公式：

其中M是冰块撞击螺旋桨产生的传动系统附加扭矩;

D——螺旋桨直径。

这样通过冰区等级和螺旋桨直径即可获得冰区扭矩的估值，然后计算冰区系数：

——冰区放大系数

Tn——额定传递扭矩

Jm——折算到螺旋桨轴的主机转动惯量

Jp——螺旋桨及轴系的转动惯量，含附连水

齿轮箱的功率在常规设计的基础上，在放大倍即可。

这一方法不需要螺旋桨的详细设计参数，简化了计算，但仍然需要主机和螺旋桨的转动惯量。

2.3简单估算

在系统设计的早期阶段，螺旋桨及轴系的转动惯量有可能也无法得到。作为初步选型的参考，德国船级社GL2002版曾给出过一个简化公式：

——系数，柴油机驱动取17.5，涡轮机驱动取30

——冰区加强系数，取代

——冰区级系数

——主机功率

——螺旋桨转速

这样可以通过功率和转速获得简单粗估的冰区加强系数。

2.4放大系数法

俄罗斯船级社RMRS2018直接给出了不同冰区等级的扭矩放大系数KA：

3结语

本文对当前主要船级社的冰区加强规范做了统计对比，对冰区加强船舶推进齿轮箱的计算方法进行了归纳梳理，对各种方法的特点和适用的条件进行了比较分析，为冰区船舶推进齿轮箱的设计选型提供参考。

通过实例计算验证，可以发现GL2002提供的简单估算方法是偏保守的，按此方法选型的齿轮箱安全裕度过大，作为初步选型时可考虑适当减小该放大系数。

参考文献

[1]Finnish-Swedish Ice Class Rules[S]. Finnish & Swedish Maritime Administration，2010

[2]IACS UR I Requirements concerning Polar Class[S]. IACS，2006

（作者单位：南京高精船用设备有限公司）