1、轮船螺旋桨第 1 页 2012 年 5 月 6 日轮 船 螺 旋 桨 工 艺 设 计机 102 班 陆晨螺旋桨是船舶动力装置的关键部件，体积大、曲面形状复杂。传统的螺旋桨加工方法是毛坯铸造、普通铣床粗加工，然后进行人工修磨。毛坯铸造前需先进行砂型的制造，砂型过程中涉及的数据繁多，传统的砂型制造数据求解过程费时、费力、准确性、可重复性。因此，必须有一个良好的螺旋桨铸造工艺参数。关键词：船用螺旋桨；铸造工艺；性能；桨叶；毛坯AbstractPropeller is a necessary promoting components of shipbuilding industry, which be
2、 used to providing thrust for ship moving. Its design precision will directly affect the forward speed of the ship.The propeller design the whole ship design is a vital part of the ship, it is to guarantee an important aspect of the swiftness. General propeller design is in preliminary finished ship
3、 lines design, and through the estimation or with model test method to determine the hull effective power after. Affect the propeller to advance performance in the many factors in the design process of the propeller diameter, mainly pitch than, than, disk blades factors such as profile, and through
4、the experience in work, design an inland ship class A tug propellerKeywordsPropellers diameter pitch of screws ratio pie area ratio paddle outline。一螺旋桨的工作原理螺旋桨的工作是靠桨叶向后拨水来实现的。它在工作时，一面随主机驱动而旋转，一面随船舶前进而前进，这两种运动的组合即为螺旋运动。螺旋桨工作时，发出的推力用以克服船的阻力，推船前进。遭受的阻力矩由主机发出的旋转力矩克服之。可见，当螺旋桨以转速 n 进行旋转时，必须吸收主机所供给的转矩 Q，才能
5、克服力矩。螺旋桨吸收的功率为 2nQ。螺旋桨在运动中产生推力T,且以进速 VA推船前进，其所发挥作用的功率为 TVA.故螺旋桨的效率为o = 推功率/吸收功率=TV A/2nQ为了提高螺旋桨的效率，总是力求使螺旋桨所产生的推力增大，而使运动中所遭受的阻力矩减少，从而使主机供给的转矩减小。二、螺旋桨的使用性能和工作条件轮船螺旋桨第 2 页 2012 年 5 月 6 日1、螺旋桨的外形特性许多人都看过飞机的机翼、电风扇的叶片、螺旋桨的桨叶、船的舵一集轴流泵的叶片等，这些东西都有两个共同点，一是它们都是片状物体，形如鸟翼；另一个是它们都工作在流体中，并产生某种力。为了便于研究它们在流体中的特性，常常
6、撇开它们各自的特殊性，而把它们共同的东西抽出来，这就构成了翼型。翼型就是桨叶、叶片等切面的形式。螺旋桨的工作是靠桨叶向后拨水来实现的，桨叶外形就像一个椭圆形的机翼。2、螺旋桨的工作条件对螺旋桨来说，把桨叶看作机翼，当它运转时，同样产生一个垂直于流速举力，这举力在船舶运动方向上的分力便形成了推力并且推船前进。在实际流体中存在着粘性，机翼还受到摩擦力和涡旋阻力的作用，这两个力通称为翼型阻力，它们作用在平行于流速的方向上。螺旋桨主要靠转动面产生推力，也靠转动来吸收主机的功率。因此转动是螺旋桨的重要运动形式之一。螺旋桨除了转动之外，还要和船一起运动。螺旋桨在水中旋转和前进的时候，水并不是静止不动的，而
7、是滚滚向后，又有转动，又有浪花，还有隆隆的响声。这种尾流的轴向运动、旋转运动、浪花、声响等都消耗着来自主机的能量。船在水中向前航行时，水具有粘性，船壳周围有一薄层水（常称为界层）附着船身前进。正因为水的这种粘滞性，使船尾也有一股水流沿船行方向流动，这种因粘滞性摩擦而伴随流动的水流称为摩擦伴流，它的数值决定于水的粘性大小以及水下船壳表面的光滑程度。其次，当船向前航行时，因其本身的行动，在它后面产生了所谓自由空间，船尾部越肥胖，自由空间越大。自由空间的压力小，附近水区的压力大，由于这种压力差，附近的水流都涌向船尾填满这一空间。这种水流因船的位移而产生，所以称为位差伴流，又称流线伴流或者形势伴流。螺
8、旋桨在船后工作时有吸水作用，使船尾部水流速度增大。根据伯努利定理，流速增大，则压力下降。此外，由于尾部流速增大，摩擦阻力也有所增加。3、螺旋桨的空泡问题随着船用大马力、高转速的主机不断出现，船舶的航速也随着提高。螺旋桨的空泡就是在船舶采用大马力、高转速主机之后出现的一种现象。所谓空泡，就是在桨叶上液体的压力低于饱和蒸汽压力时水流汽化，同时气体往该处聚集而形成的汽泡。当空泡发生在桨叶局部地方时，桨叶会出现剥蚀现象。随着空泡的扩展，螺旋桨水动力特性受到影响，推力系数和转矩系数都变低，所以空泡是一种有害的现象，应当努力克服。4、螺旋桨的使用强度要求一般来说，减薄螺旋桨桨叶的厚度会减小螺旋桨的旋转阻力
9、，从而来提高其效率，但是如果桨叶的厚度过小，则桨叶容易折断。相反，如果桨叶过厚，不仅用料多、造价高。而且对螺旋桨效率和避免空泡都很不利。如何解决这个矛盾呢？一般认为，应该在保证足够强度的条件下使桨叶厚度尽量减薄。螺旋桨在运转时受到水作用于桨叶的轴向推力和与转向相反的周向旋转阻力，这两个力都使桨叶产生弯曲和扭转。此外，螺旋桨在旋转时由于桨叶本身的质量，还产生径向离心力，因而使桨叶受到拉伸。若桨叶有后倾，离心力还使桨叶弯曲。这些都对桨叶的强度有要求，必须满足。然而，还必须注意，船在航行过程中会遇到一些情况，如系泊时会碰到更大的推力和转矩，还有螺旋桨在运转时还可能碰到水上浮物，轮船螺旋桨第 3 页
10、2012 年 5 月 6 日受到突然冲击等等，这些都必须考虑在强度范围之内。三、毛坯材料和制造方案毛坯的材料主要有锰黄铜、铝黄铜、铸铁、铸铜等类。近年来，国内外正在研究采用玻璃钢、尼龙等作为螺旋桨的材料。其中，以锰黄铜应用最广，而且使用性能也较好，是目前制造螺旋桨的主要材料。毛坯制造方案为铸造，包括制作砂型和浇铸。毛坯铸模一般为分箱式砂型，分型面为桨叶的螺旋面，叶面在下砂箱，叶背在上砂箱。它的制作的特点是，首先用刮板和预制好的螺距板刮制螺旋面（下砂模） ，接着在下砂模面上放置桨叶切面样板，制作叶片模型，然后在下砂模和叶片模型上制作上砂模并把其烘干，然后就可以浇铸了。螺旋桨型砂主要由石英砂、粘土
11、和水调配而成。由于各地出产的砂的化学成分不尽一致，铸造方法又各有差异，故型砂应按各厂的实际经验选择。桨毂是一个旋转体，故制作泥模时，取桨毂侧投影轮廓的一半作刮板即可。如图，心轴水平搁置在支架上，刮板则套在心轴上。泥模一般用稻草绳作骨架，即在心轴上用稻草绳绕成比桨毂直径略小的雏形，再在其表面涂上泥砂。刮板绕心轴旋转，便可刮出所需要的泥模。在泥模表面需画出每一叶片的辐射参考线与桨毂的交点，以便于安装定位。桨毂中央泥芯的作用是铸造毛坯时形成桨毂中心轴孔的形状，以减少金属的消耗量，便于机械加工。它的作法基本上与桨毂泥模一样，不同之处是用型砂作材料。轮船螺旋桨第 4 页 2012 年 5 月 6 日铸模
12、造型的制造，1.制造下砂模：1）作基础砂面，以一个砂箱作基础，在砂箱的中央垂直固定一根心轴铁圆柱，心轴上套一水平刮板，刮板的下边缘与心轴垂直并能绕心轴转动，且置于砂箱表面的平台上。再往砂箱中放入型砂并捣实，旋转刮板，拨动型砂，刮出基础砂面。2）画基准中心线，根据螺距板的安装半径，以心轴为中心，在砂面上画基圆，再按桨叶微等分基圆，通过轴心分别与每一分点作连线，便得到基准中心线。3)安装螺距板，拆除心轴上的水平刮板，烘干基础砂面，装上螺距板，使其定位线对准基础砂面的基准中心线，其底边的外缘与基圆相吻合。4）刮制螺旋面。5）绘制辐射参考线和切面弧线。6）补砂。2.制作桨叶模型，3.制作上砂模，4.表
13、面修整和烘干。毛坯的见图如下：四， 螺旋桨的制造工艺路线1.螺旋桨的工艺流程制作桨毂制作桨叶样板制作桨叶冷压模具下料叶面外层板及内层板冷压加工叶背外层板及内层板冷加工桨叶的组装与焊接螺旋桨的总裁螺旋桨的热处理工序包括去应力退火、高温淬火和高温回火，温度在 450550 之轮船螺旋桨第 5 页 2012 年 5 月 6 日间。热处理的效果好坏很大程度地影响桨叶厚度的均匀性，减少螺旋桨成品的缺陷，提高桨叶表面的表面粗糙度。2.螺旋桨的加工方法1.1 机械加工除掉桨毂两端的冒口，浇口等多余的部分，造成两个基准面，其光洁度为 5，不平行度小于 0.1mm。在桨毂中心镗出或车出轴孔，光洁度为 25，不垂
14、直度不超过 0.15mm/M。沿轴孔内侧插出镀槽，键槽两侧应与锥孔轴心行平行，装配后与键的接触面不少于 75%。锥体与键孔的连接，亦可以分为有粘合和无缝粘合两中情形。有键和无键时，对轴毂和轴的要求均不同。有键环痒粘合，要求锥孔大小端各留有 3070mm 长度的配合面。其余则低 0.20.3mm，以便研配，对轴上锥体中无空腔（图 1.B 示意） 。两种粘合装配螺旋桨情况见图一当采用环痒粘合时，键和键槽的加工要求和结合要求均可降低，减少了研配的工作量。环氧粘合剂的配方（重量比）见下表（）粘合剂 增型剂 充填材料 固化剂环氧树脂（B101）100 份 二丁脂 15 份 熟石膏粉 75 份 乙二胺 6
15、.56.6份1.2 手工加工手工加工的内容有：桨叶轮毂，叶片，桨毂表面加工以及修刮轴孔，消除静不平衡，采用风铲，砂轮几锉刀等工具。步骤是：根据测量的结果，划出加工线，批凿桨叶轮廓，铲除毛坯上多余的金属，使螺旋桨具有所需要的光洁度。1.2.1 叶面的加工在制作叶面样板时，一般将全部加工余量都放在叶背上，认为叶面朝下，浇铸质量容易保证表面光顺，所以叶面的加工只是消除铸成面个别不平部分，但是在多数情况下，桨叶面的几何形状总有偏差。叶面加工的任务是修正铸造时造成的偏差。加工时，根据铸件的测量结果，在桨叶每个半径切面上标出必须除去金属层的厚度的若干点，再在各点钻出除厚刚好等于要除去金属层的厚度的孔。光沿桨叶半径切面铲去多余的金属而得若干光顺的螺旋桨线，再以这些螺旋桨线为基准，沿桨叶径向铲去多余的金属，便可完成叶面加工。1.2.2 叶背加工（对叶面不加工的工厂，仅在此面消除静不平衡）叶背加工以叶面为基准面，在叶面加工后，重新测量桨叶厚度，并根图纸要求，决定需要从叶背铲除金属的厚度，与叶面加工一样，先钻孔，铲除各切面形状曲线，然后再沿桨叶径向铲除多余的金属。
