船舶轮缘推进装置标准体系构建

宁昶雄，严新平,c，欧阳武,c

(武汉理工大学 a.能源与动力工程学院 可靠性工程研究所；b.国家水运安全工程技术研究中心；c.船舶动力工程技术交通运输行业重点实验室，武汉 430063)

轮缘推进装置(rim driven thruster，RDT)(见图1)是近年来备受关注的电力直驱式船(舰)推进技术，创造性地将驱动电机、螺旋桨、轴承、导管和舵等部件集成一体，螺旋桨安装在电机转子环内，定子线圈安装在导管内，通电时定子驱动镶嵌有永磁铁的转子旋转从而带动螺旋桨产生推力，并由两端的轴承承载，为船(舰)航行提供动力[1]。

图1 RDT构造

这种直驱模式具有功率密度高、高效、节省船舱空间，以及振动噪声低等显著优点[2]。对于潜艇，由于取消穿过耐压舱的机械轴和机械密封，规避轴系振动，有助于大幅度降低建造费用和提高隐身能力；对于民用船舶，除节能、提高载货量之外，模块化设计还简化了装拆工程，减少了维护成本，采用水润滑轴承避免了滑油泄漏污染问题。

2005 年美国海军在发布的 Tango Bravo计划中将 RDT 作为新一代潜艇发展的第一关键技术[3]。目前，国内外有多家研究机构和公司在从事该推进器的研制，并相继推出产品。国外代表性公司包括：挪威Brunvol公司、德国Schottel公司、德国Voith公司和英国Rolls-Royce公司(其船舶业务于2018年出售给挪威Kongsberg公司)等。国内的研究单位有各自的研究方向[4-12]，但尚未形成成熟产品。

标准化是先进高端装备创新的驱动力，是实现研发过程在各环节紧密协作的必要条件，也是抢占相关高技术附加值产业制高点的重要手段[13]。船舶RDT研制，标准化为RDT提供一个可持续发展的基础环境[14]。目前国内外尚未见到RDT专用标准的发布，更缺乏其标准化的顶层设计。为此，在分析国内外轮缘推进器相关标准规范的基础上，提出了标准体系的构建思路、目标和方法，借鉴相似领域的标准化经验，划分标准体系所涵盖的内容，建立标准体系的框架，并举例说明轮缘推进器水润滑轴承专用标准的构建方案。

1 船舶轮缘推进器标准化现状

英国、德国和挪威等国已将发展全电推进系统提升到国家交通领域变革性技术的战略层面，相关跨国公司相继推出RDT产品，并竞相抢占大功率RDT的制高点。

通过检索国内外RDT相关标准和规范报道，未发现RDT专用的技术标准。只有少量公司在其产品介绍中列出了机电通用标准或要求，如表1。对于ROV和AUV应用的RDT，还列出了挪威船级社对水下装备壳体的耐压要求。

表1 Copenhagen Subsea A/S公司列出的RDT通用标准

吊舱电力推进器与RDT同属于集成电力推进器，其标准对RDT有直接参考价值。检索表明，目前针对前者的标准体系和专用技术标准的报道同样很少，国内外推进器产品说明书中一般只给出操作和运维指南。中国香港的EPROPULSION公司在其小型吊舱推进器说明书中列出了产品应符合的标准要求(见表2)，主要是机械和电气领域的通用标准。

表2 EPROPULSION公司吊舱推进器满足的相关标准

2017年ITTC国际船模水池试验会议上提出了吊舱推进器的水池测试方法，但并非标准或规范层次。总的来说，目前的船舶集成电力推进器的相关标准非常缺乏，一方面缺乏对推进器标准体系的总体规划，另一方面，缺乏推进器部件和整体的关键技术标准。虽然机电产品的相关通用标准可供参考，但仍然缺乏系统整理和针对RDT特点的适用性分析。

2 轮缘推进器标准体系构建方案

2.1 构建原则

RDT标准体系的建立必须符合国家智能制造标准体系建设指南中的基本原则，结合该装备的国内外现状和需求，形成一个完整的标准集合体，因此须同时遵循以下原则。

1)系统性和拓展性。从RDT系统的角度出发，做到标准体系结构优化、层次清晰、分类明确、规划协调，形成科学统一、可拓展的有机整体，覆盖该系统的全生命周期，同时考虑产品后续的发展和更新，处理好系统的兼容和接口问题。

2)先进性和经济性。把握RDT系统相关技术的发展趋势，通过标准和规范的约束，保证其相比其他推进技术的先进性；同时，该标准体系要综合考虑我国实际造船、行业市场的需求，兼顾应用的经济性。例如涵盖满足不同客户的高低配置要求，降低购置费用，将成本分摊到推进器的全生命周期中。

3)实用性和前瞻性。该标准体系应重视推进器的实用性，例如要考虑泥沙磨损、水草缠绕、水下硬物碰撞等场景对RDT及其零部件可靠性的要求；同时，也保留产品未来在特殊领域应用的可能性，例如作为深海ROV或AUV的推进装置，要考虑RDT的耐压能力。

4)共性先立、急用先行。在系统规划各标准的前提下，针对有共性的标准先制定、示范性等工程优先、快速推行关键专业标准，对于研发、审图和推广过程中急需的标准，优先研制。

2.2 构建目标

构建立足国情、对接国际的RDT标准体系。按照上述4条原则，围绕RDT产品创新设计、专用材料、工艺、测试检验方法、运维管理等重点领域开展标准研制工作，从下至上逐步制定出RDT企业技术标准和若干行业标准，再进一步推进相关标准上升为国家标准。

2.3 构建方法

总体构思、内容组成、框架设计3个部分，按照“三步法”来建立RDT标准体系。

2.3.1 构建思路

如图2所示，首先对RDT设计制造技术体系进行梳理分析，形成设计制造技术谱系，进而分析对具体标准的需求。同时对国内外相关标准规范开展收集、筛选、适用性分析工作，并进行标准、规范适用性研究及转化，成果可以指导RDT专用标准的制定。构建内容具体包括标准体系框架、标准体系项目明细表、自主研制技术标准、搭建标准信息管理平台，并在RDT制造中实施该标准体系，通过生产实践向标准信息管理平台反馈，不断修订完善标准体系。总结引申为以下3点。

图2 RDT标准体系构建思路

1)自主研发与吸收借鉴并行：基于国内外没有RDT专用标准的现状，大量标准需要自行研发；同时，积极开展国际上电力推进器等相关标准的收集工作，为RDT的标准编制提供参考。

2)确保标准与技术的紧密结合：标准是技术的统一规范，是技术成果的结晶，失去技术基础的标准犹如空中楼阁，因此标准体系的构建要与技术路线紧密结合，才能有生命力。充分体现技术是标准的基础，实现标准对技术的引领。

3)以示范性、典型项目需求为牵引，加快推进关键技术标准：一方面从全局出发开展RDT标准体系的整体设计，另一方面，抓住示范性、典型项目的机会，加快推进标准体系中关键技术标准的编制和完善。

2.3.2 标准体系组成

RDT标准体系的组成见图3，涵盖了RDT零部件的设计、制造、检验、运维等领域。具体标准内容如下。

图3 RDT标准体系内容组成

1)基础标准。基础标准指RDT及其零部件所涉及领域的共性标准，用于指导规范产品从设计到制造再到服务的全生命周期，包括标准化通则、定义及术语、标识及符号、量和单位、极限与配合、标志包装贮运。

2)通用标准。通用标准分为五类，分别是零部件、设计与开发、安全、管理和可靠性通用标准。通过将RDT细化拆解成各零部件，收集与之相似的通用标准，作为专用标准制定的基础和参考；整理船舶设备及机电产品具有共性的设计与开发方法，这些标准对RDT的研制将起到启发和指导作用；而安全、管理和可靠性则是智能制造总体标准中的重要内容[15]，对RDT的应用与推广起着保障和促进作用。

3)专用标准。专用标准分为产品研发阶段的专用技术标准和服务阶段的专用管理标准。结合现有的零部件大类通用标准和设计与开发的共性标准，研发RDT的专用技术标准，包括RDT与船体的匹配、水下电机、RDT轴承、桨叶及导管、齿轮电机回转系统、RDT控制系统、RDT状态监测和RDT设计与开发。专用运维管理标准包括特征提取、故障诊断、寿命预测和维修决策，属于视情维修(condition-based maintenance, CBM)体系中具有RDT产品特色的部分。

2.3.3 标准体系设计

根据GB/T15497—2017中对技术标准体系结构形式的描述，分为序列结构和层级结构，鉴于RDT是由多个零部件组成的，更适合层级结构，该结构也广泛应用在机电系统[16]等多个领域的标准体系中。参考国家标准体系的纵向结构布局，将RDT标准体系设计为3个层次，见图4。通过层级来确定标准间的从属关系，上层标准是下层标准的基础和指导，是对下层标准的总结提升，而下层标准要满足上层标准的要求和约束。横向结构则按照RDT对技术标准的需求设计成并列关系，同一属下的若干概念为相容并列关系，不同属下面的概念为不相容并列关系。

图4 RDT标准体系框架

3 水润滑推力轴承标准构建思路

目前，我国已经形成了油润滑滑动轴承的标准体系[17]，RDT轴承一般采用水润滑滑动轴承，后者可以参考前者建立相关专用标准。通过分析水润滑轴承研制各阶段对相关标准的需求，将轴承标准分为六类，见图5，具体研究思路如下。

图5 RDT水润滑轴承专用标准

1)术语、分类及符号。GB/T 18844-2002中只对油润滑的金属轴承进行了轴承损坏和外观变化的术语、特征及原因的描述，没有考虑水润滑高分子轴承的故障情况；GB/T 23893-2009中给出了滑动轴承用热塑性聚合物的分类，但现在广泛使用的水润滑轴承材料Thordon(赛龙)是一种热固性树脂，有必要对热固性聚合物等材料进行分类。

2)设计计算。RDT轴承处于低速、重载、变工况和泥沙侵扰等严苛环境中，轴承润滑、承载和减振机制复杂。GB/T 23892-2009的适用范围是载荷、转速恒定工况下的刚性点支撑可倾瓦推力轴承，并假设处于完全油膜润滑状态，且不适用于重载工况。GB/T 21466—2008为径向轴承的计算标准，同样是面向完全油膜润滑的金属轴承，载荷和转速恒定或者仅载荷恒定工况。显然水润滑轴承设计标准还需要考虑混合润滑、热弹流润滑和瓦块支撑变形等因素的影响，通过分析轴承润滑性能计算的数值解和解析解，拟合出水润滑轴承结构设计的解析公式集合，形成RDT水润滑轴承设计计算方法，从而拟定出水润滑轴承设计计算标准。

3)材料。水润滑轴承最早采用铁梨木，近年来已逐渐被高分子材料替代，如目前普遍采用的橡胶、聚氨酯、纤维增强酚醛树脂等人工合成高分子材料，具有优良的抗振、减噪、耐磨等特点。目前，仅JB/T 3199—94是热固性塑料水润滑耐磨材料的标准，其余均为油润滑金属轴承标准。CB/T 769-2008中对船舶整体式橡胶艉轴承的结构和材质做了一些规定，但在材料、性能测试和技术指标方面仍有欠缺。因此，需要整理各品牌轴承的特性来建立水润滑轴承材料的概念设计准则，最后根据设计计算值的指标范围，构建符合条件的低速、重载水润滑轴承材料标准。

4)质量保证。目前滑动轴承的质量管理标准有2个。GB/T23895—2009描述了缩小金属轴承间隙范围的选择装配标准，RDT轴承水膜厚度远小于油润滑轴承膜厚，对轴承间隙更加敏感，而且兆瓦级RDT的轴承直径达到了数米，轴承各瓦的平面度、加工表面粗糙度和安装精度对轴承服役性能影响较大，需要给出RDT水润滑轴承加工、装配和检测相关标准；GB/T 23896—2009的内容是金属轴承设计阶段的失效模式和效应分析(FEMA)，以此为参考，研究RDT水润滑轴承失效模式和机制，建立新的FEMA标准，帮助判定轴承的潜在故障并在设计阶段消除这些故障。

5)检验方法。该标准是针对产品性能与质量的检测、试验等方面制定的标准，是对试验设备、试验条件、操作步骤等进行的统一规定。RDT水润滑轴承的检验方法标准可分为四个部分开展研究：轴承材料基础性能检验、轴承性能检验、轴承服役状态监测、轴承产品质量检验。

6)产品技术要求。该标准是对产品的理化性能、服役性能、可靠性和使用要求等方面提出的技术规范。目前仅JB/T 5985—92适用于水润滑热固性塑料轴承，包括推力轴承和径向轴承。可参考该标准对RDT水润滑轴承的结构形式、材料、标记分类、尺寸和公差表、性能等使用要求进行规范。

4 结论

1)目前国内外尚无RDT专用标准及顶层设计，根据GB/T 13016-2018和国家智能制造标准体系建设指南，提出四条原则和思路来构建立足国情、对接国际的RDT标准体系。

2)参考GB/T15497—2017的结构形式，将RDT标准体系设计为三层结构，包括基础标准、通用标准和专用标准，内容涵盖了RDT各部件的设计、制造、检验、监测、运维等领域，在其全生命周期内形成闭环规范。

3)借鉴油润滑轴承的现有标准，以RDT水润滑轴承为例，提出六类专用标准的构建思路，包括术语、分类及符号、设计计算、材料、质量保证、检验方法、产品技术要求。