超大型船舶舵系液压螺母安装研究

大 型 船 舶 舵 系 液 压 螺 母 的 安 装 及 其 工 装 ，并 以 实 船 为 例 对 其 工 装 进 行 了 实 效 验 证 。 结 采 表 明 ，使
用 新 型 液 压 型 式 的 安 装 拆 卸 工 装 不 仅 能 提 高 现 场 安 装 质 量 ，而 且 还 能 降 低 事 故 风 险 。
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体 内 。 由 于 舵 叶 处 于 船 体 下 方 ，因 此 无 论 是 吊 装 液 压螺母还是调整安装位置都较为困难。 目前的各类 新 型 船 舶 ，不 论 是 从 载 重 吨 还 是 排 水 量 来 说 都 有 所
增 加 ，因此其动力型式和尺寸规格也有大幅提升，相 对应的液压连接螺母的直径和重量也在不断增加。
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完全依靠人工进行;3 ) 需 要 4 ~5人轮班上紧螺母, 安装周期长;4 ) 容易造成螺纹的损坏。
在 对 上 述 问 题 进 行 分 析 研 究 后 ，文 中 提 出 了 解 决方案— 制作液压螺母安装托盘。
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3 液压顶升装置的优点
目前各大船厂所用的利用螺杆制作的安装工 装 ，在数吨重的液压螺母重压下，螺杆与支撑圆盘间 的 螺 纹 摩 擦 力 将 剧 增 ，人 工 转 动 时 会 非 常 困 难 ；且由
中 ，利用液压控制系统保持一个等于液压螺母本身 重 量 的 力 使 螺 母 保 持 平 衡 ，此 时 的 液 压 螺 母 能 够 仅 用一只手指转动，如 图 6 所示。
图 6 液压式顶升转盘结构示意
此 外 ，液压系统的速度调整较容易，只需调整流 量控制阀即可调整液压装置的速度并可实行无级调 速 ，同时不会有过载危险。液压系统中装有溢流阀，
显 的 不 同 ，其 区 别 在 于 舵 系 液 压 螺 母 的 安 装 特 点 与 舵本身的特性有关，它是从下往上、倒挂 旋 紧 的 （舵 杆液压螺母已经旋人，如 图 2,需要在平台上进行提 前盘卸，如 图 3),其安装位置在空间狭小的舵叶本
作者简介：楼 洪 亮 ，助 理 工 程 师 ，研 究 方 向 为 轴 、舵 系 镗 孔 及 主 机 安 装 。
当 压 力 超 过 设 定 压 力 时 ，阀 门 开 启 ，液 压 经 由溢 流 阀 流回油箱，从 而能保证液压螺母的安装安全。改进 后的液压式顶升工装可使舵杆螺母快速、平 稳 ，且 与舵杆精准地对接。其工作原理如图7 所示。
1 ■ _ _ □____ 控制筘 H 里 刀 丨 ~ ~ 1r H PLC h .
于 螺 母 托 盘 全 部 依 靠 螺 杆 支 撑 ，此 时 要 调 整 液 压 螺 母 和 舵 杆 的 同 心 度 、平 行 度 就 非 常 困 难 ，会 耗费大 量 的人工工时。螺杆式顶升转盘结构示意图如图5 所
/K 〇
图 5 螺杆式顶升的转盘结构示意
液压传动具有输出力大、重 量 轻 、惯 性 小 、调速 方 便 及 易 于 控 制 等 优 点 ，因 此 可 使 用 液 压 传 动 顶 升 来代替螺杆传动顶升。在螺母安装的整个过程
p,
图 8 油缸受压示意图
活塞杆受压时
心 = 尸丨A 丨- P 2j4 2 ,
由 于 此 系 统 回 油 路 较 短 且 直 接 回 油 箱 ，因此压 力 P2 可忽略不计。
由此求得活塞面积
4= 活塞直径
D 文 中 取 Z) =280
醍 = 。。6
/4 xO.06 5. 14
：0.276
由于液压系统的上行速度和下行速度之比 ^2
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船舶设计与茂进 _
超大型船舶舵系液压螺母安装研究
楼洪亮，罗 东
( 江 南 造 船 （集 团 ）有 限 责 任 公 司 总 装 二 部 ，上 海 201913)
摘 要 ：随 着 液 压 过 盈 配 合 技 术 和 材 料 工 程 技 术 的 日 益 成 熟 ，液 压 连 接 在 大 型 动 力 设 备 连 接 方 式
1 ) 工作载荷 工作载荷匕是作用在活塞杆轴线上的压力，文 中设最大工作载荷匕=50 kN。 2 ) 惯性载荷
5 ) 液压缸的主要结构尺寸 由 于 液 压 缸 主 要 承 受 压 力 作 用 ，拉 力 相 对 压 力 极 小 ，因此设计中只需考虑液压缸受压时的状态，如 图 8 所示。图 中 枣 为 无 杆 活 塞 腔 面 ，m2;皂 为 有 杆 活塞腔面，^ 为 活 塞 杆 承 受 的 压 力 ，kN;£)为油缸直 径 ，mm;<i 为 活 塞 杆 直 径 .rnnuP, 为 油 缸 进 油 压 力 ， MPa ;P。.8 为油缸出油压力，MPa。
关 键 词 ：舵 叶 ；液 压 螺 母 ；安装
中 图 分 类 号 ：U664.36
文 献 标 志 码 ：A
1 舵系液压螺母的研究现状
液 压 连 接 型 式 在 现 代 船 舶 中 应 用 广 泛 ，具有操 作 工 艺 简 便 快 捷 , 后 期 拆 卸 方 便 ，连接紧固可靠等优 点 。船舶舵系一般由舵叶、舵 杆 、舵 轴 、舵销和液压 螺母等组成。在舵叶安装过程中，通过液压小车顶 升 （图 1)先 将舵杆套人舵叶中，并与舵叶表面紧密 接 触 ，然后将液压螺母从下方旋人舵杆。舵系液压 螺 母 安 装 是 舵 系 安 装 过 程 中 必 不 可 少 的 部 分 ，由其 产生的推力可将舵叶压人舵杆。为了能缩短船舶轴 舵 系 安 装 周 期 ，保 证 过 程 的 稳 定 可 靠 ，提高安装质量 和 精 度 ，有 效 控 制 安 装 过 程 中 的 质 量 风 险 ，文中对舵 系 液 压 螺 母 工 装 进 行 了 研 究 和 探 索 ，并 采 取 了 一 些 改进措施。 1 . 1 舵系液压螺母的安装
系统压力升高造成系统损坏。有 杆 腔 进 （回 ）油路
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船舶设计与延造
溢流阀可保证液压缸上行到液压缸顶部而油泵未停 止 供 油 溢 流 时 ，保 护 液 压 缸 缸 盖 不 会 因 承 受 过 高 压 力而损坏。电接点式压力表可以保证系统因内泄漏 或 物 料 压 缩 造 成 压 力 损 失 时 ，自 动 充 油 补 压 ，避免由 于 系 统 的 压 力 损 失 而 造 成 设 备 效 率 下 降 ，同时可减 少 人 力 。液 压 系 统 在 整 个 工 作 循 环 中 所 需 油 量 变 化 不大 ，可选择单泵供油，节省成本。此外液压系统还 需 具 有 保 压 功 能 ，进 油 回 路 选 择 单 向 阀 回 路 ，换向回 路选用手动三位四通阀，由此可节约成本。图 9 为 拟定液压系统图。
4
惯性载,
g At
式 中 ：G 为运动部件的重力， 为 重 力 加 速 度 = 9.81 m/ s2;加 为 速 度 变 化 量 ，m/ s ;4 t 为起动或制动 时 间 ，s 。
由此可求得 n 5 0000 0.002 7 = 27.5 N0
3 ) 摩擦阻力 由 于 缸 的 密 封 材 质 和 密 封 形 成 不 同 ，因此难以 精 确 计 算 液 压 缸 密 封 处 的 摩 擦 阻 力 ，一 般估算
^ | = 2 , 则 按 速 比 要 求 确 定 d/Z),经 查 表 得 dAD =
0.71。则 d =0.71 xZ)=0.71 x 280 mm = 198. 8 mm， 文中取d = 200 m m 。
无杆活塞腔面有效作用面积
4, = }4/ ) 2 4 X 0 . 2 8 0 2 = 0 _ 0 6 1 5 m20
有杆活塞腔面有效作用面积
A2 = — d,2 = ~ x 0 . 2 2 = 0 . 0 3 1 4 m2 〇
4
4
6 ) 拟定液压系统图
此液压系统中进油管、有 杆 腔 进 （回 ）油管等处
都 安 装 有 溢 流 阀 。进 油 路 溢 流 阀 可 保 证 在 压 力 过 高
溢 流 时 ，与 电 接 点 式 压 力 表 构 成 双 重 保 护 ，防止液压
杆 螺 纹 与 螺 帽 的 中 心 ，用 转 盘 径 、轴 向 调 整 螺 帽 进 行 调整（图 4 ) ; 4 ) 确 认 位 置 无 误 后 ，用扳杠慢慢转动 转盘并使丝杆慢慢跟进至螺纹啮合;5 ) 继续转动转 盘 ，并 同 步 调 整 丝 杆 ，使 螺 帽 旋 进 一 半 ；6 ) 松开转 盘 ，用绳索圈住螺帽，人工拉螺帽旋转;7 ) 在螺帽上 方 放 置 “〇”型 圈 及 垫 片 ，为 防 止 碰 到 螺 纹 ，可用硬物
上 的 应 用 也 越 来 越 广 泛 ，船 舶 舵 系 液 压 螺 母 安 装 就 是 其 中 之 一 。如 需 缩 短 船 坞 内 建 造 施 工 周 期 ，
则 船 舶 舵 系 液 压 螺 母 的 安 装 到 位 就 尤 其 重 要 ，必 须 采 取 行 之 有 效 的 方 法 快 速 解 决 。 文中研究了超
式 中 ： 为液压缸的机械效率,一 般 取 1 = 0 . 9 5 ;
尸= & 。则可求得 Vm
^= KN0
= (1-〇.95) x - ^ K N =3.15
Vm
0 95
通 过 计 算 可 知 ，由 于 惯 性 载 荷 很 小 ，因此在设计 计 算 时 可 忽 略 不 计 。液 压 缸 各 工 作 阶 段 的 载 荷 值 如
(a) 结构示意图
( b )液压原理图
图 7 液压式顶升转盘工作原理
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4 液压顶升装置的总体设计
液 压 系 统 工 作 时 的 最 大 轴 向 力 = 6 0 kN，运 动部 件 重 量 m =5000 kg,下 行 速 度 0•08 m/min ,快 速上行速度〇. 16 m/rnin ,起动转换时间A =0.5 s 。 运动部件的重量为液压螺母的质量（4000 kg)再加 上螺母托盘等的质量和工作余量。
均 匀 地 垫 在 螺 帽 上 。至 一 定 距 离 后 拿 下 垫 片 的 垫 物 ，并用牛油将“〇”型圈粘在槽里，垫片平放。
舵杆
螺指
图 4 螺杆顶升的转盘结构示意图
用螺杆顶升液压螺母会存在以下4 个 问 题 ：1) 因 18 000 T EU 船的液压螺母质量约4 t ,要找到正确 的螺纹配合位置需花费相当长的时间；2 ) 要将悬挂 的 4 t 液压螺母旋上舵杆需要很大的扭力，而这只能
拆 卸 还 是 操 作 时 都 存 在 一 定 难 度 ，因 此 在 安 装 过 程 中 必 须 特 别 注 意 其 同 心 度 和 平 行 度 ，此 外 在 清 洁 螺 纹 、螺帽后必须认真调整螺帽与舵杆的位置。
图 1 舵叶安装利用液压小车顶升
1 . 2 液压螺母顶升的方式与方向 舵系液压螺母安装与常规液压螺母安装有着明
表 1 所示。
表 1 液压缸各工作阶段的载荷值
Hale Waihona Puke Baidu
工作循环 下行
计算公式
=(C-F Jr,m
载 荷 F/kN 44.5
保压延时
50
快速上行
尸3 = ( ^ + c )”„
47.5
4 ) 初选系统工作压力 此 液 压 系 统 工 作 载 荷 较 小 ，根 据 常 用 的 系 统 压 力可知液压机的工作压力为〇~ 5 M P a 。考虑到压 力高对泵、缸 、阀等元件的材质、密 封 、精度等要求都 较 高 ，因此综合各因素后选取P =〇.8 M Pa作为系统 的工作压力。
图 2 液压螺母盘上舵杆
图 3 平台上盘卸液压螺母
2 螺杆顶升装置的缺点
舵 杆 液 压 螺 母 是 连 接 舵 叶 与 舵 杆 的 组 件 ，在舵 叶与舵杆的连接中起到产生轴向推力的作用。目 前 ，液压螺母的工装是利用螺杆转动使机构上下移 动 ，其安装操作过程如下：1)将 转 盘 丝 杆 上 升 与 舵 杆转头平行;2 ) 检 査 平 行 度 ，用 卷 尺 或 直 尺 测 量 4 边距离，用转盘轴向调整螺帽进行调整；3 ) 检查舵
随 着 舵 系 液 压 螺 母 尺 寸 规 格 越 来 越 大 ，带来的 问 题 也 越 来 越 多 ，如 在 狭 小 的 空 间 内 倒 悬 安 装 螺 母 难 度 大 、螺 纹 对 接 困 难 、安装 作业的难度和强度剧增 等 。进行螺母连接安装时必须非常小心，因为一旦 螺 母 与 舵 杆 螺 纹 没 有 对 齐 ，容 易 造 成 咬 死 或 损 坏 ，导 致 无 法 进 行 正 常 安 装 工 作 而 返 工 修 整 ，且 因 此 无 法 保 证 安 装 质 量 和 周 期 。舵 杆 螺纹 液压 螺 母安 装是 舵 系安装中的重要工序，一 些大型液压螺母无论是在