5.1螺旋桨-基础知识

项目：螺旋桨基础知识教学目标：能力目标：掌握用螺距仪测量螺距的方法；掌握螺旋桨加工的方法。知识目标：掌握掌握螺旋桨测量的参数及方法；掌握螺旋桨加工的方法。螺旋桨通常由桨叶和桨毂两部分组成，常用的有三叶和四叶，个别也有五叶甚至六叶的。桨叶是产生推力的，从船后向首看到的一面称为叶面，另一面称为叶背。桨叶与浆毂相连的地方称为叶根，远离桨毂的一端称为叶梢。桨毅是固定桨叶和连接桨轴的锥形体。从船尾向船首看，螺旋桨在顺车时沿顺时针方向转动的称为右旋，沿逆时针方向转动的称为左旋。对于双桨船，往舷外方向转动的称为外旋，反之称内旋。通常采用外旋，以防止水上浮物卷入而卡住桨叶。⒈基本结构⒉螺旋桨材料制造螺旋桨的金属材料主要有铜合金、铸铁和铸钢等。近年来国内外开始采用玻璃钢、尼龙等非金属材料制造螺旋桨。在我国的内河小船上也有采用钢板焊接螺旋桨。锰青铜的机械强度高，延伸率大，抗冲击性能好，耐海水腐蚀，而且制造和加工比较容易，但抗空泡剥蚀性能较差。铝青铜是以钢铝为主体，添加锰，铁，镍等元素构成。它除了具有锰青铜的优点外，还具有重量较轻，疲劳强度高、抗剥蚀性能好等优点，故多用于制造大型高速船舶螺旋桨。其缺点是要求熔炼，浇铸技术高，同时大型铸件的缓冷脆性等问题较难处理，造价较高。铸铁螺旋桨成本低，铸造容易，但其机械强度低，质脆而易断，使用寿命短。由于强度低，切面厚度较大，桨效率较低，故铸铁螺旋桨仅用于小型低速船上。铸钢螺旋桨的优点是机械强度高。抗冲击性能好，但铸造过程中变形、难控制，常使螺旋桨的几何尺寸产生很大偏差，加工困难，成本高，比铸铁更容易被海水腐是，寿命短，目前多用作备件。为了提高螺旋桨的抗腐蚀和空泡剥蚀性能，有些特殊用途的船舶用镍合金、钛合金等来制造螺旋桨。玻璃钢是以合成树脂为粘结剂，以玻璃纤维或其织物为增强材料粘合而成的一种新型结构材料。玻璃钢螺旋桨具有重量轻(约为铜螺旋桨重量的1//4～1/3)、装卸方便、冲击韧性好，不为海水所腐蚀，制造简单等优点。其缺点是机械强度较低，在长期负荷下有蠕化现象，多用于内河小船上。㈡螺旋桨修造工艺金属材料制造的工艺过程如下：铸模造型、浇铸金属、毛坯加工、成品检查、安装使用。下面分别叙述螺旋桨材料和工艺过程的主要环节。⒈铸模造型⑴螺距板是制作下砂模时刮制螺旋面用的，它的准确性直接影响桨的制造质量。确定螺距板的尺度不单要考虑桨叶的螺距，而且要考虑铸造材料在浇注后的收缩变形、砖台厚度以及螺旋桨本身的几何特点。①等螺距螺旋桨螺距板的计算螺距板位置应这样确定：在径向上除考虑桨叶半径R外，尚应考虑叶梢边缘的加工余量a以及为了支承上砂模的砖台厚度b，见图8-47，同时还应考虑金属的径向收缩。这样，螺距板所在处的半径应是(1+K)R+a+b；其周向位置应使螺距板与桨中心所成的扇形面积(图8-47中的ABO)能遮蔽桨叶的正投影面积并留有一定边框。(图8-47中的f、g)。设螺距板的弧长为，于是求螺距板的实质就是求弧长和母线在轴向上的位移(螺距的一部分)问题。②变螺距螺旋桨螺距板计算目前变螺距有两种形式，一种是线性变螺距，另一种是非线性变螺距。前者只需两块螺距板。位于梢部的螺距称外螺距板，里面的叫内螺距板。后者，除了外螺距板外，尚需若干内螺距板，视螺旋桨的尺度和要求精度而定。⑵铸模的制造螺旋桨铸模一般为分箱式砂型，分型面为桨叶的叶面。叶面在下砂箱，而叶背在上砂箱。在下砂箱造塑时，先将三角形之螺距板弯成适宜的圆柱面，然后用刮板沿轴线及螺距板斜边刮出叶面的螺旋面。对等螺距桨叶，只需一块刮板，对径向线性变螺距浆叶按螺距变化的部位需另加一副刮板。若要求螺旋桨铸件毛坯具有较高的准确度，则可用木料或金属做成桨叶模型，叶面置于刮好的螺旋面上，然后安装上砂箱并将沙土桩实，将桨模取出后。上下砂箱之间形成叶形空腔。同时制作挠注系统。抄箱烘干后扣合固定即可进行浇铸。桨叶模型常用下面方法制作：将切面样板(用弹性较好的金属或木质薄板制成)垂直安装于下砂箱相应的切面弧线上，然后在样板间填入泥芯，桩实后修刮表面，使其成为光顾的叶形。此外，桨叶模型也可这样制作：用薄木板作成若干半径处的切面样板，并在相应的位置上垂直钉于平模板上(俗称琵琶板)。琵琶板各切面样板间空隙部分的总面积应与桨叶的仲长面积相同。将样板间空隙填紧砂土，使砂面与各切面样板上边缘成一光顺曲面。然后将琵琶板上砂土切成小块并移置于下砂箱上的相应位置，最后把各小块砂土间缝隙修填平整，即可制作上砂箱。⒉毛坯的浇铸金属螺旋桨的浇注方法有顶铸法和底铸法两种．⑴顶铸法：顶铸法是将熔溶金属直接从冒口上方注入模腔。这种方法的优点是铸模简单，操作方便，金属浇注完毕时温度分布比较合理，冷凝有一定方向性，冒口温度较高，铸件能得到良好的补缩。但浇注时金属表面的氧化物同金属一起进入铸件，特别是金属流落时产生飞溅，卷入空气泡和杂质，使铸件表面以至一定深度处形成疏松和痂皮，影响桨叶的机械强度。因此，仅用于浇铸小型(直径小于1米者)螺旋桨。⑵底铸法：它是在模腔最低点即桨毂下端引入金属液，为了防止铸造时候出现如桨叶叶背出现氧化物和缩松现象等常见缺点。⑶低压铸造：低压铸造是利用压缩空气在密封容器，坩锅）中，在金属液面上造成一定压力(3-5kgf/cm2)，使液体通过升液管上升，平稳缓慢地进入并充满铸型，并在压力下凝固结晶。由于低压铸造金属液的上升速度能够很好的加以控制，因此产生氧化皮的可能性大大减少。由于金属是在压力下结晶的，故铸件质量高，同时尺寸比较精确。⒊螺旋桨加工工序：切掉浇口、冒口，桨毂两端面和轴孔的加工，插轴孔内的键槽，刮削轴孔，加工桨叶的叶面和叶背等，作平衡试验。加工时先切除桨毂两端的冒口，浇口等多余部分，造成桨毂前后的两个基准面，然后沿桨毂中心镗孔并在轴孔内插出键槽。镗孔可以在车床或镗床上进行，某些大型桨也可以用自制的立式或卧式镗排加工，加工时一般都会准备样板或者样轴以检查加工质量。桨叶加工根据螺旋桨测量画出的桨叶轮廓线批凿掉多余的部分，再进行叶面和叶背的加工。叶背的加工是以叶面作为基准面。在叶面加工后，以它作为基准面，重新测量桨叶厚度，并根据图纸要求决定需从叶背削除的金属层厚度，先钻孔，钻孔深度为加工掉的金属层厚度，根据钻孔的深度，铲出各切面形状曲线，然后沿桨叶径向除去多余的金属层。因为浇铸时叶面向下，浇铸质量容易保证，故叶面的加工只是消除个别不平部分，如几何形状存在偏差，则应予以加工修正。形状复杂的螺旋桨其表面加工非常困难，需要熟练技工和耗费大量工时。因此，对铸铁螺旋桨和铸钢螺旋桨，其表面一般不进行加工，对小型低速运输船螺旋桨，通常也只作桨叶表面的整修工作。目前已有专门用于加工螺旋桨的程序控制车床，这对提高螺旋桨的加工质量，改善劳动条件、提高工效都有好处。⒋螺旋桨锥孔与尾轴锥体的刮配有键螺旋桨，应先在车间内将螺旋桨锥孔(称锥孔)与尾轴锥体(称锥体)进行刮配。通常只刮削锥孔而不刮削锥体(但对于大直径低速运转的尾轴，也可适当刮削其锥体)，所以一般在螺旋桨锥孔上留有刮削余量。螺旋桨锥孔与尾轴锥体刮配后，应保证其接合面在全长上均匀贴合，在销键装配后检查时，贴合面积要求达到总接触面积的75％以上，并用涂色检查，要求在25×25mm面积内不少于2～4点。为不使尾轴小端负荷集中，螺旋桨锥孔与尾轴配合的大端，其接触情况应较小端紧密些。螺旋桨锥孔与尾轴锥体刮配有两种方法⑴尾轴固定，移动螺旋桨进行刮配：中、小型螺旋桨的刮配一般采用此法。因为中、小型尾轴往往细而长、刚性差而易变形，故在刮配中不宜移动。⑵螺旋桨固定，移动尾轴进行刮配：大型螺旋桨都采用这种方法，因为移动大型螺旋桨比较麻烦，相对来说，移动尾轴较为方便，因为大直径尾轴往往是短而粗，刚性好，移动中不易变形。根据尾轴按水平方向或垂直方向移动，此法又分横式刮配法和立式刮配法两种。横式刮配法，由于尾轴本身的重量而下垂，难以保证尾轴与螺旋桨端面的垂直性。在立式刮配法中，螺旋桨是按水平位置平放的，尾轴以垂直方向插入，垂直性容易得到保证，同时由于压力均匀，使螺旋桨锥孔和尾轴的锥体接合面接触良好。立式刮配法：将螺旋桨放在专门的地坑内或平地上，锥孔大端朝上，叶片用木墩垫好，用水平仪将桨毂上端面调整到水平位置。尾轴在与螺旋桨刮配前，应在平台上检查键槽与其轴线的平行度并合格。在尾轴键槽内配一假键，其长度为键槽长度的1／4，键与螺旋桨锥孔键槽配合部分的宽度比锥孔槽宽度小0.10～0.15mm，安装在槽的中部。用吊车吊起尾轴，对准螺旋桨锥孔的轴心线，使假键对准螺旋桨锥孔上的键槽。慢慢地把尾轴放下，使尾轴锥体恰好插入锥孔内。然后将尾轴吊起，在尾轴锥体上薄薄涂一层色油，再慢慢地把尾轴放下。当尾轴锥体与螺旋桨锥孔配合的相应位置距离等于50～100mm时，急放吊车刹车，使尾轴借自重骤然下降，插入锥孔内，然后再吊起尾轴。此时为防止螺旋桨与尾轴一起被吊起，应用大锤敲击螺旋桨，使之与锥体易于脱开。根据螺旋桨锥孔沾油情况刮磨锥孔，可用风砂轮刮磨，使锥孔与锥体贴合基本均匀，然后可用刮刀进一步按技术要求刮磨。当刮配至贴合面积达到70％左右时，将尾轴上的假键换为真键，再继续刮配(同时进行键与键孔上键槽的刮配)，直至尾轴锥体与螺旋桨锥孔的接触面积在75％以上，且每25×25mm的面积上不少于2～4个油点为止。为了减少尾轴锥体与螺旋桨锥孔键槽在加工后不平行误差而造成的刮配工作量，也可按锥孔键槽位置来加工锥体键槽，即在车间刮配锥体与锥孔的配合锥面前，锥体与锥孔上的键槽都暂不加工，待锥面刮配到80％～90％时，按锥孔的实际位置，划线并加工其上的键槽，然后把螺旋桨装到尾轴上，以螺旋桨锥孔键槽的实际位置，在尾轴锥体上划键槽加工线，拆下螺旋桨，按划线加工锥体键槽，然后刮配锥体键槽并配键，再进行键与锥孔键楷的刮配，最后将配合锥面刮配至要求为止。采用此法时，键槽两侧面先刮配好，然后利用键的刮配余量，按锥体键槽的实际位置刮配，因而总的刮配工作量较小。键(平键)与尾轴锥体和螺旋桨锥孔的键槽的配合要求为：键与锥体键槽刮配后，能将键轻轻打入不松脱；两侧应均匀接触，在80％长度上插不进0.05mm的塞尺，键底与轴槽底接触面积为30％～40％以上，不得悬空，如用小锤轻敲平键时发出清脆的响声，即认为底面已紧贴；要求键与锥孔键槽的侧面接触均匀，按表3—1规定的塞尺厚度检查时，所插进的部分不超过接触长度40％，且键的两端两倍键宽的长度上应接触良好。为了刮配工艺上的需要，对大型螺旋桨，孔槽及键两端的宽度允许有0.05～0.10mm的对应差值进行刮配并达到上述要求。键装入锥体和锥孔键槽后，键的顶部与螺旋桨锥孔键槽底部之间应有0.20～0.50mm的间隙。对于小型船舶，直径D1.5m的螺旋桨可采用环氧树脂胶合安装。此时仅要求螺旋桨锥孔两端大约各有40～60mm长度的环面积上能与尾轴锥体经刮配后达到均匀接触。沿海及内河船舶，当螺旋桨直径D4.5m采用环氧树脂胶合安装时，亦按上述要求对螺旋桨与尾轴进行刮配。采用环氧树脂胶合安装时，允许对键与锥孔键槽的配合适当降低要求，或将键的两侧配合部位单面刨窄0.25～0.50mm(根据轴颈大小选用)。螺旋桨采用液压套合安装时，螺旋桨锥孔与尾轴锥孔一般无需刮配，只需按技术要求加工合格后即可运上船安装。㈢螺旋桨加工检验螺旋桨验收的项目，要求及其允许偏差见教材。此外还应指出，螺旋桨的效率随表面粗糙度的增加而降低，但粗糙度的位置不同，其影响程度也异，粗糙位置在导边附近的叶背上者影响最大，在叶背中间次之．在随边附近的叶背上以及叶面上影响最小。随进速系数的增加，粗糙度的影响也增大。桨叶和桨毂表面不应有凹坑和气孔。这些缺点若在浇铸清理或初步加工之后出现，可用电焊或最后加工修正之，当最后加工完成时，不允许再用电焊方法填补缺陷。㈣螺旋桨的测量测量的目的：检查成品的质量；或检查毛坯有否加工余量、确定加工的部位和加工量。测量的要素：螺旋桨的直径和螺距、桨叶的轮廓和厚度分布、叶片间夹角和后倾角。⒈轮廓线的确定：在已确定交毂中心和桨叶中心线以