閆 焱，盧曉翔

（上海江南長興造船有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引言

散貨船在試航時(shí)是在壓載狀態(tài)下進(jìn)行操舵試驗(yàn)的，根據(jù)規(guī)范要求，需采取轉(zhuǎn)換計(jì)算的方法提供出等效于舵葉全浸沒狀態(tài)下的受力與力矩，然后再對試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算相比對。但這一步很多時(shí)候只是一個(gè)流程，如果真出現(xiàn)比對不滿足要求的情況則會(huì)顯得一籌莫展。本文對轉(zhuǎn)換計(jì)算進(jìn)行介紹，研究比對了一些參數(shù)的選擇，并對特殊情況進(jìn)行進(jìn)一步分析和解決。

1 與規(guī)范相關(guān)內(nèi)容簡介

SOLAS規(guī)范第Ⅱ-1章C部分第29條第3段[1]：“3.主操舵裝置和舵桿應(yīng)：

1）具有足夠強(qiáng)度，并能在驗(yàn)證的最大營運(yùn)前進(jìn)航速下操縱船舶；

2）能在船舶最深航海吃水和以最大營運(yùn)前進(jìn)航速前進(jìn)時(shí)將舵自一舷35°轉(zhuǎn)至另一舷35°，以及于相同條件下在不超過28s內(nèi)將舵自一舷35°轉(zhuǎn)至另一舷 30°；

3）動(dòng)力操縱，以必要時(shí)滿足本條3.2的要求，以及在任何情況下主管機(jī)關(guān)要求舵柄處的舵桿直徑超過120mm時(shí)（不包括冰區(qū)加強(qiáng)）的要求；和

4）設(shè)計(jì)成在最大后退航速時(shí)不致?lián)p壞；但是這個(gè)設(shè)計(jì)要求不需要用最大后退航速和最大舵角的試航來驗(yàn)證?！?/p>

IMO安委會(huì)第92次會(huì)議的修正案35相關(guān)部分3.5[2]：“3.5當(dāng)船舶不能滿足3.2最深航海吃水和以最大營運(yùn)前進(jìn)航速前進(jìn)要求時(shí)，以下方式中的一種是可以接受的：

1）試航時(shí)在主機(jī)最大持續(xù)轉(zhuǎn)速和最大設(shè)計(jì)螺距下船舶舵葉全部浸沒；或

2）當(dāng)試航時(shí)舵葉不能做到全部浸沒的情況下，需根據(jù)在試航裝載情況下的實(shí)際舵葉浸沒面積推算出適當(dāng)?shù)那斑M(jìn)航速，用這個(gè)計(jì)算航速推算出舵機(jī)的受力和扭矩，受力和扭矩的大小至少要最深航海吃水和在主機(jī)最大持續(xù)轉(zhuǎn)速和最大設(shè)計(jì)螺距下一樣大；或

3）需根據(jù)試航裝載情況下的舵受力和扭矩適當(dāng)預(yù)測或推算到滿載情況，此時(shí)船舶航速應(yīng)該在主機(jī)最大持續(xù)轉(zhuǎn)速和螺旋槳最大設(shè)計(jì)螺距下?！?/p>

2 全浸沒狀態(tài)下舵計(jì)算（以82K散貨船為例）

2.1 舵受力計(jì)算

基本數(shù)據(jù)如圖1所示，計(jì)算過程和參數(shù)選取說明見文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]，文中不再詳述。

舵受力

2.2 舵扭矩計(jì)算

3 試航狀態(tài)下舵計(jì)算

根據(jù)試航時(shí)尾吃水?dāng)?shù)據(jù)，計(jì)算出舵浸沒在水下的部分面積，應(yīng)用以上公式，推算出試航狀態(tài)下舵受力及扭矩?cái)?shù)值。試航狀態(tài)下尾吃水 7.40m，舵葉底部距基線0.20m，舵浸沒高度7.20m。見圖2。

圖1 82K散貨船舵葉結(jié)構(gòu)尺寸

圖2 試航狀態(tài)（壓載狀態(tài)）舵葉面積計(jì)算

3.1 實(shí)際舵受力計(jì)算

舵受力Cr=132AV2K1K2K3Kt

速度V=15.957(kn)（根據(jù)航速報(bào)告中速度曲線取值，4.1詳述）

實(shí)際

3.2 實(shí)際舵扭矩計(jì)算

3.3 舵機(jī)在實(shí)際試航狀態(tài)下的實(shí)際壓力值

結(jié)論：舵機(jī)在操舵試驗(yàn)中讀出的壓力數(shù)值不應(yīng)超過 6.2MPa，即

4 參數(shù)分析

4.1 舵機(jī)受力計(jì)算中速度V的選取

根據(jù)舵受力計(jì)算公式Cr=132AV2K1K2K3Kt，其中Cr和V2成正比關(guān)系，速度越大，計(jì)算出的舵受力越大，因此V的取值非常重要。

在全浸沒狀態(tài)舵系計(jì)算中，速度V取船模試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)吃水下的最大理論值14.9kn；在實(shí)際壓載狀態(tài)下，應(yīng)該根據(jù)航速報(bào)告取實(shí)船壓載狀態(tài)下主機(jī)全速時(shí)的最大航速，而不是操舵試驗(yàn)時(shí)的記錄速度，因?yàn)檫@個(gè)速度受外界風(fēng)浪流影響，并不能較準(zhǔn)確的反映實(shí)際航速（見圖3）。

圖3 82K散貨船航速曲線

根據(jù)圖3所示，實(shí)際操舵試驗(yàn)時(shí)V取15.957kn。

4.2 舵機(jī)操舵試驗(yàn)中壓力讀取

由于最終要對試驗(yàn)壓力和計(jì)算壓力進(jìn)行比對，確認(rèn)試驗(yàn)壓力數(shù)值也很重要。

有些舵機(jī)廠家在泵站和執(zhí)行機(jī)構(gòu)處均設(shè)立了壓力表，在操舵試驗(yàn)過程中，兩處壓力表均有讀數(shù)，且由于閥組中的壓力損耗問題，泵站會(huì)比執(zhí)行機(jī)構(gòu)處壓力高，那實(shí)際核實(shí)時(shí)應(yīng)該以哪一處的壓力讀數(shù)為準(zhǔn)呢？根據(jù)各船級(jí)社規(guī)范描述，對壓力的要求均指在執(zhí)行機(jī)構(gòu)處的壓力。因此，兩處壓力表數(shù)值應(yīng)以執(zhí)行機(jī)構(gòu)處為準(zhǔn)。

由于壓力表一般為指針式顯示，指針在運(yùn)動(dòng)中會(huì)有一定的慣性移動(dòng)，因此讀數(shù)時(shí)需讀取一個(gè)基本穩(wěn)定的最大值。

4.3 實(shí)際扭矩計(jì)算方法的不足及許可部分誤差

注意到在實(shí)際受力和扭矩計(jì)算時(shí)僅計(jì)算了浸沒在水面下的部分，而水面上還有部分裸露面積并沒有考慮在內(nèi)，而實(shí)際試航過程中也受到風(fēng)和浪的作用力，但這部分的受力計(jì)算無明確的計(jì)算方法，扭矩也無法簡單疊加在水面下浸沒部分的扭矩上，所以實(shí)際計(jì)算結(jié)果還是偏小了。

根基舵機(jī)壓力和扭矩的正比關(guān)系，這樣計(jì)算壓力Pcal也是比實(shí)際值小了。因此，試驗(yàn)實(shí)際數(shù)據(jù)Ptest如果比Pcal略大，是應(yīng)該在接受范圍內(nèi)的。但這個(gè)范圍是多大，個(gè)人以為5%左右的誤差許可的，這需看船級(jí)社的判斷。

4.4 實(shí)際扭矩的最終判斷

以上是從理論上得到壓力數(shù)據(jù)的計(jì)算方法，但實(shí)際試航過程中受海況的影響，如果瞬時(shí)有個(gè)較大的沖擊力作用在舵葉上，可能會(huì)的出實(shí)際試驗(yàn)壓力Ptest大于計(jì)算壓力Pcal，但這也不能完成否定舵機(jī)的能力，要根據(jù)有效的舵機(jī)輸出扭矩作最終的判斷。

這又要回到起點(diǎn)，操舵試驗(yàn)的條件：以最深航海吃水和最大營運(yùn)前進(jìn)航速前進(jìn)。

在船舶載貨后，以舵葉全浸沒的狀態(tài)，主機(jī)最大持續(xù)轉(zhuǎn)速下前進(jìn)，在此狀態(tài)下，測量舵葉扭矩，測量扭矩Tmeasure應(yīng)小于最大工作壓力下舵機(jī)扭矩T。

這種扭矩測量的判斷的方案是最終的手段，因?yàn)樯⒇洿谠嚭綍r(shí)是無法實(shí)現(xiàn)舵葉全浸沒的（不裝貨情況下如果配載至舵葉全浸沒，船舶剪力在許可值95%以上，非常危險(xiǎn)），只能在實(shí)際運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)，而舵機(jī)如有問題船舶又無法營運(yùn)，這里有個(gè)矛盾。

4.5 臨時(shí)的降速方案

為解決上述矛盾，可以用一個(gè)降速的臨時(shí)方案，待船舶營運(yùn)載貨后進(jìn)行實(shí)際扭矩測量。

假定Pactual=7.5(MPa)且Pcal=6.2(MPa)

壓力與扭矩是正比關(guān)系，扭矩又與速度平方有正比關(guān)系，即：

代入不同的壓載狀態(tài)下的航速，得出不同狀態(tài)下的限速，以服務(wù)航速為例：

實(shí)際服務(wù)航速Vsev=14.92(kn)（圖3）

即船舶不以超出13.6kn航行時(shí)，舵機(jī)壓力不會(huì)超過最大工作壓力，可以安全運(yùn)行。

5 總結(jié)

本文從規(guī)范入手，提出了散貨船操舵試航需要做一些理論計(jì)算的工作，并根據(jù)規(guī)范要求介紹了舵受力和扭矩計(jì)算的過程，以及實(shí)際操舵試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)的比對方法。文中特別指明了試驗(yàn)參數(shù)獲取中的注意點(diǎn)，對一些特別的情況作了分析和應(yīng)對。當(dāng)然，也提到一些計(jì)算中的不足，一些數(shù)據(jù)的處理可能大家也有自己的理解，希望規(guī)范在這方面能有更多的補(bǔ)充和解釋，為大家的工作提供明確的理論支持。

[1]IMO, SOLAS 2009 Chapter Ⅱ-1, Part C, Regulation 29[S].2009.

[2]IMO, IMO MSC 92/96/add.2 annex 35[S].2013.

[3]IACS, Common Structural Rules for Bulk Carriers Chapter10, section 1[S].2006.

[4]船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊編委會(huì), 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊, 舾裝分冊, 北京, 國防工業(yè)出版社, 2013.