于洋,黃昊,朱艷,劉曉瓊

(中船郵輪科技發(fā)展有限公司,上海 200137)

1 常用減搖鰭設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

1.1 GJB2860A-2020

該標(biāo)準(zhǔn)屬于中國軍用規(guī)范,全稱為《艦船減搖鰭裝置通用規(guī)范》,起草單位為中船704所及其軍事代表室,由中央軍委裝備發(fā)展部于2021年1月發(fā)布用于替代GJB2860-1997(已作廢),規(guī)定了軍用水面艦船減搖鰭的基本技術(shù)要求、質(zhì)量保證、交貨準(zhǔn)備等,適用于軍用水面艦船減搖鰭的設(shè)計、制造、驗收,相對GJB2860-1997增加了可靠性、維修性、測試性、保障性、環(huán)境適應(yīng)性的內(nèi)容,質(zhì)量一致性檢驗也由不分組修改為分為兩組進行檢驗。是目前國內(nèi)已經(jīng)發(fā)布的有關(guān)減搖鰭設(shè)計內(nèi)容較為詳細的一個標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 LR《Rules and Regulations for the Classification of Naval Ships》

該規(guī)范是英國勞氏船級社(LR)制定的軍船入級規(guī)范,其中章節(jié):“船舶控制系統(tǒng)”對軍用水面艦船減搖鰭裝置的布置、部件受力計算等技術(shù)要求做出了較為詳細的規(guī)定,是目前國外船級社已經(jīng)發(fā)布的有關(guān)減搖鰭設(shè)計內(nèi)容較為詳細的一個規(guī)范。

1.3 DNV-ST-0309

該標(biāo)準(zhǔn)由挪威船級社(DNV)于2020年3月發(fā)布,全稱為《船舶減搖裝置系統(tǒng)》(Vessel motion stabiliser systems)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了減搖鰭的技術(shù)設(shè)計要求、認證要求、風(fēng)險評估指南,列舉了減搖鰭關(guān)鍵部件、總結(jié)了各種機械故障失效情況、提出了對減搖鰭后續(xù)維護服務(wù)的建議。該標(biāo)準(zhǔn)為減搖鰭提供了統(tǒng)一要求以提高減搖鰭的質(zhì)量和可靠性。

2 對比分析

2.1 布置相關(guān)要求

1)GJB2860A-2020。布置減搖鰭時應(yīng)使鰭軸軸線OO1與 OG(鰭壓力中心O和船重心G間的連線)的夾角不大于15°;沿船體縱向,鰭的位置應(yīng)在第7號至第13號理論站之間。鰭軸中心線距船首或船尾原則上應(yīng)不小于三分之一船長,若沿縱向布置兩對鰭,則前后鰭鰭軸中心距離一般不小于鰭葉平均弦長的十倍;鰭橫剖面中心線與設(shè)計航速下形成的船體流線一致時鰭位為零位[1]。

2)LR《Rules and Regulations for the Classification of Naval Ships》(后文統(tǒng)稱為LR-RN)。減搖鰭應(yīng)布置在水密艙壁之間;收放式減搖鰭的所處的水密艙段的首尾水密艙壁距減搖鰭鰭軸中心線應(yīng)不小于此長度(鰭軸末端至鰭葉末梢的長度)[2]。

3)DNV-ST-0309。鰭箱擬定布置位置時應(yīng)綜合考慮其布置處所的水密艙段進水風(fēng)險。風(fēng)險分析應(yīng)考慮減搖鰭所處水密艙段進水對該艙段其他重要設(shè)備產(chǎn)生的后果和對船舶安全造成的影響。如果分析結(jié)果顯示不利狀況發(fā)生概率較高,則減搖鰭應(yīng)布置于獨立水密艙段,且鰭箱應(yīng)與最近的船體水密艙壁“距離合適”[3]。

通過上述規(guī)范對比可以發(fā)現(xiàn):GJB2860A-2020對減搖鰭布置位置要求較為具體,該規(guī)范對布置的要求旨在使減搖力臂最大化且盡可能減小鰭葉對航速的影響;LR-RN對減搖鰭距其所處水密艙段首尾水密艙壁距離的要求,旨在盡可能減少減搖鰭損壞時對該水密艙段造成的影響,該要求對船體艙段劃分影響較大;DNV-ST-0309僅對減搖鰭布置位置有概述性要求,對設(shè)計人員的約束程度相對較低。

2.2 鰭葉、鰭軸相關(guān)計算方法及要求

1)GJB2860A-2020:無具體要求。

2)LR-RN。

(1)鰭葉受力FF。LR建議鰭葉受力由減搖鰭設(shè)計方提供。

(2)鰭葉轉(zhuǎn)矩QF。

鰭正車工況下轉(zhuǎn)矩可按下列公式確定。

QF=FF×xPF

(1)

式中:FF為鰭葉受力,kN;xPF為鰭軸中心線與鰭葉壓力中心間水平距離,m。

鰭倒車工況下轉(zhuǎn)矩可按下列公式確定。

QF=FF×xPA

(2)

式中:FF為鰭葉受力,kN;xPA為鰭軸中心線與鰭葉壓力中心間水平距離,m。

(3)鰭葉彎矩。

對于鰭葉彎矩MF,可按下列公式確定。

(3)

式中:FF為鰭葉受力,kN;y1,y3,x1,xu為鰭葉相關(guān)尺寸,m,見圖1。

圖1 減搖鰭尺寸圖

(4)鰭軸直徑(轉(zhuǎn)鰭鰭柄處)dFU。

該直徑不應(yīng)小于下列公式計算值。

(4)

式中:QF為鰭葉扭矩,kN·m;k為材料系數(shù)。

(5)鰭軸直徑(軸承處)dF。

該直徑不應(yīng)小于下列公式計算值。

(5)

式中:dFU為鰭軸直徑(轉(zhuǎn)鰭鰭柄處),mm;MF為鰭葉彎矩,kN·m;QF為鰭葉扭矩,kN·m。

(6)鰭軸等效應(yīng)力σe。

鰭軸既承受轉(zhuǎn)矩葉承受彎矩,其等效應(yīng)力不應(yīng)超過下列公式。

(6)

式中:k為材料系數(shù)。

鰭軸等效應(yīng)力按下列公式計算。

(7)

式中:σb為鰭軸彎曲應(yīng)力見式(8);τt為鰭軸剪切應(yīng)力見式(9)。

鰭軸彎曲應(yīng)力按下列公式計算。

(8)

式中,MF為鰭葉彎矩,kN·m;dF為鰭軸直徑(軸承處),mm。

鰭軸剪切應(yīng)力按下列公式計算。

(9)

式中,QF為鰭葉扭矩,kN·m;dF為鰭軸直徑(軸承處),mm。

(7)鰭葉板厚。①鰭葉側(cè)板板厚t應(yīng)不小于下列公式計算值。

(10)

式中:PF為鰭葉壓強,kN/m2,見式(12);k為材料系數(shù);s為鰭葉最大加強隔板間距,mm。

β為鰭葉展弦比修正系數(shù),見式(11)。

β=AR(1-0.25AR)(如果AR≤2)

(11)

式中:AR為鰭葉展弦比,如果AR>2,則β直接取值為1。

②鰭葉壓強PF按下列公式計算。

(12)

式中:T為船體最大吃水,m;FF為鰭葉受力,kN;AF為鰭葉面積,m2。

③鰭葉導(dǎo)緣板厚應(yīng)不小于鰭葉側(cè)板板厚t的1.25倍。

④鰭葉內(nèi)部加強隔板板厚應(yīng)不小于鰭葉側(cè)板板厚t的0.7倍或6 mm,取二者中大值。

3)DNV-ST-0309。鰭葉的屈服強度應(yīng)不少于最大靜載荷的1.5倍,同時,疲勞強度的安全系數(shù)應(yīng)至少為1.5,還應(yīng)考慮水動力載荷變化引起的振動,以及可能的共振效應(yīng)。

通過上述規(guī)范對比可以發(fā)現(xiàn):GJB2860A-2020對減搖鰭該部分相關(guān)計算無任何要求;LR-RN對減搖鰭鰭葉轉(zhuǎn)矩、鰭葉板厚確定、鰭軸彎矩、鰭軸直徑計算、鰭軸等效應(yīng)力校核等都給出了計算校核公式,這些計算公式與舵系計算公式較為相似,對設(shè)計人員有較大幫助,但該規(guī)范依然沒有提供減搖鰭鰭葉面積確定方法及鰭葉受力計算公式,建議由減搖鰭設(shè)計單位提供鰭葉受力;DNV-ST-0309僅對鰭葉結(jié)構(gòu)屈服強度等有概述性要求,對設(shè)計人員的約束程度相對較低。

2.3 減搖鰭結(jié)構(gòu)與加強的尺寸、材質(zhì)

1)GJB2860A-2020。減搖鰭中的焊接結(jié)構(gòu)件(鰭、鰭箱)材質(zhì)選用應(yīng)符合中國船級社《材料與焊接規(guī)范》的規(guī)定;鰭軸材質(zhì)應(yīng)符合GJB15.2的要求。

2)LR-RN。鰭葉的總體結(jié)構(gòu)及材質(zhì)應(yīng)符合本規(guī)范對舵的要求;減搖鰭設(shè)備本體和周圍結(jié)構(gòu)應(yīng)得到充分的支撐和加強。當(dāng)?shù)吞间摻Y(jié)構(gòu)有可能被循環(huán)彎曲應(yīng)力降低疲勞壽命時,其所受最大應(yīng)力不超過39 N/mm2。在使用其他材料作為支撐加強結(jié)構(gòu)時,需特別考慮極限應(yīng)力值;減搖鰭通過插入外板的形式與舷側(cè)船體外板開口焊接安裝,插入板的板厚至少要比船底外板板厚增加50%,插入板范圍長度方向需超出外板開口的長度不少于鰭葉根部弦長的25%(其他方向為12.5%);減搖鰭的鰭箱板厚度應(yīng)不小于其附近船底外板規(guī)范板厚加2 mm,并按本規(guī)范相關(guān)章節(jié)要求加強。

3)DNV-ST-0309。鰭箱:應(yīng)視為船體結(jié)構(gòu)和水密完整性的一部分。船級社對設(shè)計、材料、質(zhì)量保證的要求應(yīng)被執(zhí)行,設(shè)計鰭箱時應(yīng)考慮減搖鰭鰭葉對鰭箱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的載荷。

鰭葉伸縮機構(gòu)。該機構(gòu)部件尺寸應(yīng)考慮由于磨損而增加的摩擦力、水動力載荷、鰭葉伸縮過程中的阻力所帶來的影響。該機構(gòu)的各部件的屈服強度,應(yīng)不少于最大靜載荷的1.5倍,同時,疲勞強度的安全系數(shù)應(yīng)至少為1.5。該機構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)尺寸需同時考慮強度與撓曲。

鰭葉轉(zhuǎn)鰭機構(gòu)。該機構(gòu)部件尺寸應(yīng)考慮由于磨損而增加的摩擦力所帶來的影響。該機構(gòu)的各部件的屈服強度,應(yīng)不少于最大靜載荷的1.5倍。同時,疲勞強度的安全系數(shù)應(yīng)至少為1.5。

通過上述規(guī)范對比可以發(fā)現(xiàn):GJB2860A-2020僅對減搖鰭材質(zhì)有規(guī)范導(dǎo)向性總體要求,對減搖鰭相關(guān)結(jié)構(gòu)加強尺寸無具體要求;LR-RN除了明確減搖鰭設(shè)備本體及其附屬結(jié)構(gòu)可能被循環(huán)彎曲應(yīng)力影響疲勞壽命的低碳鋼所受最大應(yīng)力外,更是對減搖鰭鰭箱插入板最小板厚及延伸尺寸、鰭箱及其加強結(jié)構(gòu)的最小板厚做出了明確規(guī)定以保證減搖鰭的安裝后強度;DNV-ST-0309對鰭箱、鰭葉伸縮轉(zhuǎn)鰭機構(gòu)結(jié)構(gòu)強度安全系數(shù)等僅有概述性要求,對設(shè)計人員的約束程度相對較低。

2.4 性能特性

1)GJB2860A-2020。減搖鰭有效工作時,橫浪下的減搖效果按減搖后艦船剩余橫搖角有益值計算,應(yīng)不大于5°;減搖鰭模擬海況和航速進行加載的一次連續(xù)運行時間應(yīng)不少于156 h;艦船在靜水中航行,利用減搖鰭生搖,生搖幅值應(yīng)不超過GJB4000-2000中附錄的054C-2規(guī)定的艦船耐波性衡準(zhǔn)“最嚴重航行情況下水面艦船橫搖界限曲線”。生搖周期以艦船固有周期為準(zhǔn),偏差在正負20%范圍內(nèi);收放式減搖鰭的自動收、放鰭時間應(yīng)不超過3 min;對于非全航速減搖鰭,當(dāng)艦船航速低于4～6 kn時,鰭葉應(yīng)能自動回到零位并停機;減搖鰭裝置的總重量(收放式減搖鰭不包括鰭箱)宜不超過艦船設(shè)計排水量的1%。

2)LR-RN。無具體要求。

3)DNV-ST-0309。由于作用在減搖鰭上的水動力載荷不斷變化,預(yù)計鰭會產(chǎn)生噪音振動。制造商應(yīng)綜合考慮優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)鰭機構(gòu)、其固有頻率和不利振動概率。以便使買方和制造商皆可接收相應(yīng)的噪音振動。

通過上述規(guī)范對比可以發(fā)現(xiàn):GJB2860A-2020對減搖鰭減搖性能相關(guān)要求相對細致明確,不僅對減搖鰭減搖后剩余橫搖角最大值做出要求,也對減搖鰭生搖幅值上限、生搖周期、及生搖周期偏差做出規(guī)定,旨在保證艦船生搖工況的安全且保證生搖效率。對收放鰭所需時間的最大值規(guī)定旨在保證減搖鰭的收放鰭操作效率。對低航速收鰭航速規(guī)定了范圍值旨在規(guī)避減搖鰭失效區(qū)間并避免計程儀航速誤差帶來的頻繁觸發(fā)鰭葉歸零動作。對減搖鰭重量相對排水量占比做出規(guī)定以控制設(shè)備總重及體積;LR-RN明確減搖效率等性能指標(biāo)非該船級社審核范圍,所以對此部分性能特性無具體規(guī)定;DNV-ST-0309對振動、噪音等性能特性僅有概述性建議,對設(shè)計人員的約束程度相對較低。

2.5 安全性

1)GJB2860A-2020。設(shè)備外殼應(yīng)可靠接地;收放式減搖鰭應(yīng)具有從應(yīng)急電源供電的鰭收入/放出指示器,并能自動收回鰭箱;減搖鰭應(yīng)具有減搖/生搖極性判斷措施,啟動系統(tǒng)進入減搖狀態(tài),不應(yīng)使減搖操作的結(jié)果成為生搖;減搖鰭的生搖啟動開關(guān)與減搖啟動開關(guān)應(yīng)互鎖。生搖開關(guān)應(yīng)采用鑰匙開關(guān)或其他能避免產(chǎn)生誤操作的措施;當(dāng)鰭葉處于完全放出位置時,才可以進行減搖、生搖操作,減搖、生搖操作按鈕應(yīng)互鎖;減搖鰭若設(shè)置兩個以上的操作部位,各部位間的操作應(yīng)互鎖。

2)LR-RN:無具體要求。

3)DNV-ST-0309。無具體要求。

通過上述規(guī)范對比可以發(fā)現(xiàn):僅GJB2860A-2020對減搖鰭安全性做出了相關(guān)要求。對減搖鰭極性判斷、生搖與減搖啟動開關(guān)互鎖、生搖開關(guān)防誤操作、鰭葉放出到位才可以激活減搖生搖、各操作部位互鎖等做出要求旨在保證減搖鰭相關(guān)工況的運行安全。LR-RN及DNV-ST-0309皆對此部分性能特性無具體規(guī)定。

2.6 風(fēng)險分析

1)GJB2860A-2020。無具體要求。

2)LR-RN。無具體要求。

3)DNV-ST-0309。以下所列選項(故障現(xiàn)象:故障原因)作為在減搖鰭風(fēng)險分析最基本范圍。

(1)船體漏水。產(chǎn)品缺陷,焊接缺陷,材料缺陷,船體加強結(jié)構(gòu);安裝缺陷;不可預(yù)測的外力(疲勞載荷);意外載荷(擱淺等)(塑性屈服);腐蝕;嚴重撓曲變形超過設(shè)計載荷。

(2)油液泄漏(至海水)。密封裝置磨損;密封裝置破裂;潤滑油水解;滑油污染;為操作失誤。

(3)油液進水。密封磨損;密封撕裂;水/潤滑油水解;潤滑油污染;人為操作失誤;重力油箱壓力過低。

(4)鰭葉伸出位置卡滯。軸承故障,缺乏潤滑;軸承間隙不足;因超載產(chǎn)生的鰭葉撓曲變形或?qū)μ胤N翼型變形預(yù)估不足;安裝時焊接引起的撓曲變形、加強結(jié)構(gòu)對齊缺陷。例如,襟翼鉸鏈或其他機械結(jié)構(gòu)故障;轉(zhuǎn)鰭執(zhí)行機構(gòu)故障;液壓系統(tǒng)故障;轉(zhuǎn)鰭鰭角反饋機械故障。

(5)鰭角處于大角度時卡滯。襟翼鉸鏈或其他機構(gòu)故障;轉(zhuǎn)鰭執(zhí)行機構(gòu)故障或軸承故障;轉(zhuǎn)鰭鰭角反饋機械故障。

(6)鰭角異常(可手動操作)。液壓動力不足(是否有足夠壓力鎖定鰭角,是否失去控制);液壓閥件故障(功能性、異物堵塞等);泵故障或液壓管路破裂。

(7)控制系統(tǒng)造成不利橫搖(生搖)或減搖能力變差?？刂凭€纜故障;控制系統(tǒng)失電;循環(huán)指令故障;通信錯誤;計算機硬件故障;傳感器硬件故障;人為操作失誤。

(8)在鰭葉伸出/縮回過程中發(fā)生意外事件產(chǎn)生過載,造成減搖鰭運行停止。供電不足/泵壓力不足;液壓系統(tǒng)在這種情況下的運行情況如何,是否存在堵塞。

(9)鰭葉在伸出位置無法收回(需要手動操作)?？刂葡到y(tǒng)故障;液壓系統(tǒng)故障;所處水密艙段起火;所處水密艙段進水。

(10)鰭葉遭遇意外載荷,鰭葉嚴重損壞或掉落:鰭葉遭遇異物撞擊;擱淺。

(11)船內(nèi)液壓油泄漏,失火風(fēng)險。液壓管路破裂;鰭部分功能失效(轉(zhuǎn)鰭/收放);EAL閃點較低(監(jiān)測系統(tǒng)顯示EAL遠低于220℃)。

(12)泵故障。

(13)液壓管路或油缸爆裂。泄壓閥組故障。

(14)振動和噪聲。水動力引發(fā)的結(jié)構(gòu)共振;機械因素引發(fā)(陽極松動、粘滑效應(yīng)等);液壓或類似因素引發(fā)的結(jié)構(gòu)噪音,新型替代材料應(yīng)進行風(fēng)險評估,新設(shè)計、新制造方法、新的替代供應(yīng)商應(yīng)進行風(fēng)險評估。

通過上述規(guī)范對比可以發(fā)現(xiàn):GJB2860A-2020及LR-RN對于風(fēng)險分析相關(guān)內(nèi)容沒有規(guī)定;DNV-ST-0309則提出了減搖鰭風(fēng)險分析最基本推薦范圍,涵蓋故障現(xiàn)象及其可能導(dǎo)致該現(xiàn)象的故障原因。

3 結(jié)論

1)GJB2860A-2020。對減搖鰭布置位置的要求最為具體,有利于設(shè)計人員參照執(zhí)行,該規(guī)范對鰭在船長縱向長度的安裝位置要求可使鰭葉處于船體線型相對較寬的區(qū)域,進而盡可能使減搖力臂最大化以提高設(shè)備的減搖性能;該規(guī)范對減搖鰭安全性相關(guān)要求都較為合理,尤其是生搖、減搖互鎖要求對船舶安全性較為重要。這些要求對民用船舶同樣適用,所以民用船舶減搖鰭布置、安全性設(shè)計相關(guān)問題,適用參考GJB2860A-2020。

2)LR-RN。減搖鰭鰭葉產(chǎn)生的升力通過鰭軸及十字軸傳遞到鰭箱,鰭箱再通過鰭箱與船體的焊接加強結(jié)構(gòu)及插入板將該升力傳遞至船體,進而產(chǎn)生減搖力矩實現(xiàn)船舶減搖。所以鰭葉、鰭軸、鰭箱的強度是否足夠?qū)p搖鰭的安全運行及減搖功能實現(xiàn)至關(guān)重要,該規(guī)范是現(xiàn)行常用減搖鰭相關(guān)規(guī)范中唯一提供了相關(guān)計算方法的規(guī)范,但該規(guī)范沒有提供減搖鰭鰭葉面積確定方法,如果可以提供相關(guān)鰭葉面積計算公式或者類似舵面積比的鰭葉面積比系數(shù)推薦值,則在船舶設(shè)計初始階段總體單位設(shè)計人員就可以通過估算減搖鰭鰭葉面積進而預(yù)估整個減搖鰭設(shè)備的重量、鰭箱主尺度、泵站功率體積等重要指標(biāo),這對船舶設(shè)計初始階段的減搖鰭及其所處艙室綜合布置方案確定大有裨益,所以鰭葉面積數(shù)值不僅對船舶設(shè)計初始階段總體單位設(shè)計人員選型減搖鰭具有較大影響,還對減搖鰭所處艙室的綜合布置有所影響;另外該規(guī)范同樣沒有提供鰭葉受力計算方法,而是建議由減搖鰭設(shè)計單位提供鰭葉受力,此項規(guī)定有待商榷,鰭葉受力參數(shù)極其重要關(guān)系到后續(xù)鰭葉扭矩、鰭軸彎矩各參數(shù)的計算,應(yīng)效仿該規(guī)范中舵計算部分,提供計算方法使規(guī)范要求的最低計算值偏安全。雖然LR-RN沒有提供提供鰭葉面積和受力的計算方法,但其依然是現(xiàn)行常用減搖鰭規(guī)范中相關(guān)受力計算最為全面的規(guī)范,這對民用船舶同樣適用,所以民用船舶減搖鰭鰭葉、鰭軸、鰭箱等相關(guān)受力計算問題,適用參考LR-RN。

3)DNV-ST-0309。該規(guī)范是現(xiàn)行常用減搖鰭相關(guān)規(guī)范中唯一提供了轉(zhuǎn)鰭等機械機構(gòu)屈服強度、疲勞強度安全系數(shù)的規(guī)范,這些機械機構(gòu)的強度是否足夠關(guān)系到減搖鰭轉(zhuǎn)鰭、收放鰭功能的可靠性,對減搖鰭的安全運行較為重要;該規(guī)范風(fēng)險分析部分還對減搖鰭設(shè)備本身可能的故障現(xiàn)象及原因做出了較為詳細的規(guī)定,減搖鰭制造廠商等設(shè)備設(shè)計單位可將其作為風(fēng)險、故障分析指南參考借鑒,這對民用船舶同樣適用,所以民用船舶減搖鰭轉(zhuǎn)鰭等機械機構(gòu)屈服強度、疲勞強度安全系數(shù)、風(fēng)險分析等相關(guān)問題,適用參考DNV-ST-0309。