船舶轴舵系无键连接缺陷及处理

贾建雄 王 宁

船舶轴舵系无键连接缺陷及处理

贾建雄 王 宁

结合船舶建造过程中发现的涉及轴舵系安装的各类典型缺陷，详细描述轴舵系在安装时存在的布置缺陷和缺少相关图纸、计算书等事实，明确规范的有关要求，分析缺陷可能导致的后果，通过统计分析表明这一系列缺陷已长久、普遍存在。结合船舶具体情况，与各方充分沟通后解决问题，并基于此，对轴舵系规范和安装提出建议，对轴舵系无键连接有关规范不合理之处提出观点。

船舶；轴舵系；无键连接；缺陷；处理

一、某集装箱船轴舵系无键连接实船布置

某1 500 TEU新建集装箱船于2017年1月签订建造合同。近期，验船师在船舶轴舵系安装检验过程中发现该轮舵杆、舵销、尾轴与配合工件之间均采用无键连接，相关安装依据、图纸等不够齐全，甚至不符合逻辑，具体缺陷如下：

1.舵销与舵叶的连接

该轮舵销与舵叶（舵销座）采用无键连接，但连接螺母仅采用普通的锁紧螺母，且批准图纸无安装推入力和推入量。那么，舵销与舵叶安装时，仅按照船厂所述，将舵销套入以后用锁紧螺母锁住即可？还是根据常理，无键采用过盈配合？如果采用过盈配合，应采用多大推入压力？推入量应为多少？船厂不能明确答复。于是核查批准的《舵系布置图》（见图1、表1），结果显示现场使用的螺母与批准图纸一致，是普通锁紧螺母，但却没有批准的无键连接计算书。

2.舵杆与舵叶的连接

该轮舵杆与舵叶（舵杆座）也采用无键连接，且采用液压螺母。实船布置与批准的《舵系布置图》一致（见图1、表1），但是舵杆与液压螺母的安装推入量和推入力无据可循。对此，船厂表示拟采用液压螺母说明书中的推荐值进行安装。经核实无批准的无键连接计算书。

3.尾轴与螺旋桨的连接

进一步核查，尾轴与螺旋桨也采用无键连接，但造船厂只准备了普通锁紧螺母。经核实具有批准的螺旋桨油压无键连接计算书，且批准的尾轴尾管总图显示，尾轴末端为普通锁紧螺母（见图2）。普通锁紧螺母安装时如何实现推入量？具有无键连接计算书，但没采用液压螺母吗？对此，船厂不能明确答复。此外，经核实船厂并没有制作液压螺母。

4.尾轴与联轴器的连接

该轮尾轴与中间轴是通过联轴器相连的，联轴器采用液压无键套合到尾轴上。但是联轴器套合安装到轴上时，液压轴向推入量和过盈量应控制到多少，船厂不能答复，并表示拟直接采用联轴器厂家提供说明书中的推荐值。经核实无批准的无键连接计算书。

二、规范的相关规定

《钢质海船入级规范》（2015）（以下简称“2015规范”）2016修改通报（以下简称“2016规范”）第2篇第3章对舵柄、舵杆、舵销、舵叶及他们之间的各种连接形式涉及的相关技术指标有明确的规定，第3篇第11章对尾轴与螺旋桨、联轴器之间的连接形式及相关技术指标有明确的规定：

1.舵杆与舵叶的无键连接技术标准[1]

舵杆直径如超过200 mm，建议通过液压连接进行推入配合。在此情况下，锥部应更细长，锥度C应在1：12至1：20之间。如用液压方式连接，螺母应有效紧固于舵杆或舵销。为使舵杆和舵体之间的连接能安全传递扭转力矩，推入压力和推入长度应由（1）和（2）确定。

（1）推入压力应不小于以下两式计算所得之值的大者：

其中：QF为舵杆设计屈服扭矩，N·m；dm为锥体平均直径，mm；l为锥体长度，mm；μ0为摩擦系数，等于0.15；Mb为锥形连接弯矩（例如悬挂舵），N·m。

应证明推入压力不超过锥体的许用表面。[1]

（2）推入长度△l应满足下式：

其中：Rtm为平均粗糙度，mm，其值为0.01；C为直径锥度；无论如何，推入长度不小于2 mm。

（3）液压方式连接所要求的锥体推入力Pe可按下式计算：

其中：数值0.02是采用油压摩擦系数的基准。该值是变量，视机加工和粗糙度的具体细节而定。如在装配过程中，产生了因舵的重量引起的部分推入效应，可在确定所需的推入长度时予以考虑，并应经CCS批准。

2.舵销与舵叶的无键连接技术标准

“对于以油压和液压螺母装配舵销，舵销锥度应为1：12至1：20。推入长度应按舵杆液压螺母计算公式的类似方法计算。”[1]

但2016规范在此章节规定了舵销轴承的推入压力，对于舵销与舵体的推入压力未提及。相比之下，2015规范中的规定清晰具体，但标题船需满足2016规范，其对舵系连接相关内容已进行了彻底修改。

3.尾轴与螺旋桨的无键连接技术标准

用油压无键安装螺旋桨时，螺旋桨套合到轴上的轴向推入量应满足2015规范（同2016规范）要求。规范分35 ℃、 0 ℃、小于35 ℃三种情况对推入量、推入负荷和表面压力进行了详细规定。而且，对于0 ℃以下用油压无键安装时，规范对螺旋桨套合到轴上的安装环境温度有明确的最低要求计算公式。

此外，规范明确在套合之前应使螺旋桨与轴的温度相等，配合表面应清洁、无油脂。对无键连接之前轴、桨毂与轴锥部的实际接触面积应不小于理论接触面积的70%，一般可着色进行检查；不接触带不应环绕整个桨毂或延伸到整个桨毂全长。在最后拉入后，应用螺母把螺旋桨固定在轴上。同时应备有必要的拆装专用工具。

4.尾轴与联轴器的无键连接技术标准

液压联轴器包括套筒式联轴器和一般液压套合式联轴器，标题船采用后者。对此，2015规范（同2016规范）第三篇11.3.2.3就其实际选用的轴向推入量S或过盈量δ有明确的计算公式。

三、造成的缺陷及其后果

上述各种缺陷的存在，将导致船厂在轴舵系安装时仅根据经验或者采用液压螺母厂家的推荐值，不能根据规范安装合适的螺母等部件。这些将给船舶的后期营运埋下巨大的安全隐患：

1.舵销

舵销与舵叶（舵销座）采用无键连接，却未使用液压螺母，且没有无键连接计算书，违反2016规范规定。舵销仅采用普通螺母锁紧，未使用预定的力推入一定深度，会导致舵销无法有效地将舵叶的重力传递到挂舵臂上，进而将舵叶的重力仅施加到舵杆上；舵销也无法将舵叶在船舶航行过程中受到的复杂外力传递到挂舵臂上，即挂舵臂不能有效分担舵叶受到的外力。此外，受力分析表明，在螺旋桨推力产生的波浪等作用下，此类舵销还承受着巨大的弯曲应力。上述两种情况导致上舵承和舵承座极易变形、损坏，舵机基座及其船体结构产生下陷等变形，舵销与舵销座之间还会产生滑动，据调研，这样的滑动会导致舵销或舵销座磨坏以及舵叶晃荡。

2.舵杆

舵杆与舵叶（舵杆座）采用无键连接，使用了液压螺母，但没有批准的无键连接计算书，仅根据经验压装舵叶，违反2016规范规定，导致舵叶未能合理、有效地压装到舵杆上。

舵杆不仅承担着将舵叶巨大的重力传递到船体构件上和将舵机巨大的扭矩传递到舵叶上的任务，还承担并传递着舵叶受到的流、浪等巨大外力。舵直接决定着船舶的航行安全，因此，舵叶与舵杆未能按照规范规定的压力和推入长度安装，舵极有可能在船舶运行过程中失灵，后果不堪设想。

3.尾轴后端

如标题船方案，尾轴与螺旋桨采用无键连接，持有无键连接计算书，但仅配备普通锁紧螺母，很显然不能有效地将轴系巨大的扭力传递到螺旋桨上，尾轴无法承受螺旋桨巨大的反作用力。因此，此安装极易导致轴与桨发生相对滑移。

4.尾轴前端

标题轮尾轴与联轴节也采用油压无键连接，但是没有批准的无键连接计算书，安装推入量和过盈量无法准确控制，违反2015规范规定。同时，一旦其没有合理连接，将会导致超大扭矩在轴系恶劣情况下工作时，尾轴与联轴节可能产生相对滑移，影响船舶航行，并导致尾轴表面磨损。

四、进一步调查统计

鉴于上述情况，对辖区所有在建船舶舵销与舵叶、舵杆上部与舵柄、舵杆下部与舵叶、尾轴前端与中间轴和尾轴后端与螺旋桨的连接形式进行统计（见表2）：

根据各自对应规范，逐一核查上述船舶的图纸、计算书及其准确性，发现只有6 600 DWT沥青船、 4 900 DWT化学品船和2 550 DWT化学品/油船满足规范。

五、技术分析

无键连接通常有型面连接、胀紧连接两种。船舶轴舵系一般采用胀紧连接，即利用锥面贴合并挤紧在轴毂之间，用摩擦力传递扭矩，有过载保护作用。一般情况下，无键连接液压联轴器是键连接联轴器价格的2～2.5倍，但是近年来，越来越多的船舶选择采用轴舵系无键连接。其优点在于：结构简单，定心性好，承载能力高，能承受冲击载荷，对轴的强度削弱小；可以降低制造强度；便于安装和拆卸；在交变扭矩的作用下，由过载而引起被连接件转动时不致发生损坏，而且连接可使用多次。缺点是疲劳强度比键连接要大1.5倍，对配合尺寸精度要求较高。例如，2016年某尾轴前端采用键连接连轴系集装箱船在福建海域全速、满载航行时，螺旋桨碰撞到了河床暗礁上，导致轴系瞬时受到巨大的反作用力，进而通过联轴器键作用到尾轴键槽上，键硬度和强度大于尾轴键槽，进一步导致键槽损坏，最终导致整根尾轴报废。如果采用无键连接，则不会造成如此大的损失。

轴舵系的有效连接在船舶推进、安全操纵方面起着重要的作用。以尾轴与螺旋桨为例，尾轴与螺旋桨的可靠配合，是实现将主机巨大的扭力和扭矩传递到螺旋桨上的重要保障，同时承受着螺旋桨巨大的反作用力，因此尾轴与螺旋桨之间应采用键连接或者过盈配合连接。很显然，如上标题船螺旋桨与尾轴未采用键连接且仅采用普通锁紧螺母无法实现主机巨大扭矩的传递功能。经广泛调研得知，确实存在不少船舶制造厂和设计院考虑到将军帽内部空间狭小（迫于实际情况无法再改大）和尺寸有限、舵叶宽度较小，因此在安装时，首先制作一个液压螺母将螺旋桨推入，在保障推入量和推入力后，再采用普通锁紧螺母将螺旋桨锁紧。之后将液压螺母作为工具放在船上，以便船舶修理时拆开液压螺母，并按照计算书再实现推入量。

2016规范第二篇3.1.6.4明确（舵系无键安装）：如用液压方式连接，螺母应有效紧固于舵杆或舵销。第三篇11.4.5.6明确（螺旋桨无键安装）：作出与温度有关的安装曲线及相应的负荷资料，应保留在船上。同时应备有必要的拆装专用工具。

六、解决方案及结论

鉴于上述在建船舶的缺陷情况，验船师积极与设计院、审图中心、船厂进行了深入友好的沟通。针对每一艘船的轴系和舵系图纸、现场装配情况及规范存在的差异（不同时期的船舶适用的规范不同），分别与船体工程师、轮机工程师以一事一议的方式充分沟通，解决了存在的问题：

（1）舵销。修改了舵系布置图，按照规范修改为液压螺母，补充批准了无键连接计算书；船厂根据新的图纸配置、安装。

（2）舵杆。补充批准了无键连接计算书，船厂根据新的图纸安装。

（3）尾轴后端。补充批准了无键连接计算书，鉴于螺旋桨将军帽内部尺寸较小的实际情况，各方充分沟通设计了一个液压螺母作为工具，用其将螺旋桨按照计算书推入并待稳定后，改用普通螺母将螺旋桨锁紧。液压螺母作为工具留在船上，以便轴系拆装时使用，并将手动液压泵等拆装专用工具留在船上。

（4）尾轴前端。补充了无键连接计算书，现场按照图纸施工。

七、结束语及建议

（1）规范不明确的内容。如前所述，的确存在许多船舶在轴舵系安装完毕后，将液压螺母作为工具备在船上，实际采用普通螺母的现象。是否可以这么操作，从工程实践的角度而言，笔者认为是完全可行的；但规范不够明确，建议明确。

（2）轴舵系连接的一个重要前提是连接处的锥度控制，规范对无键连接件的锥度要求更高。但不少中小型企业制造的船舶在设计或铸件镗孔时，锥度控制很随意，应引起各方重视。

（3）2016规范存在错误。如前所述，修改通报第二篇3.1.7.2在描述舵销与销座的连接时突然明确了“舵销轴承”的推入压力公式，而后又回到标题内容——规定了舵销推入长度所采用的公式。然而通篇梳理，关于舵系轴承的所有内容均在3.1.8节，第3.1.6和3.1.7描述的是舵销的连接，与舵承无关。通过公式推算，笔者认为3.1.7 “舵销轴承”用词错误，应该是“舵销”。而且，本节结构杂糅，应明确舵销推入压力和推入量的计算公式是针对无键连接的，对于有键连接不应有推入量和推入压力等的规定。就此与审图验船师反复沟通并与规范所联系，最终得以印证，于是按程序提交了规范反馈。

[1]中国船级社.钢质海船入级规范2015[M].北京:人民交通出版社,2015.

[2]王守城.基于PLC的油水分离器远程控制系统的设计[J].制造业自动化,2016(1):124-127.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.12.008

贾建雄（1986—），男，中国船级社浙江分社，国家A类注册验船师，硕士。

王宁（1984—），男，中交上航局航道建设有限公司，工程师，项目主管。