不锈钢焊接中空螺旋桨研制技术总结
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62船 舶郑卫兵，等：不锈钢焊接中空螺旋桨研制技术总结不锈钢焊接中空螺旋桨研制技术总结郑卫兵1 朱珉虎2（1.浙江省台州市创驰螺旋桨厂 台州318058； 2.江苏省船舶设计研究所 镇江212003）
［摘 要］新开发成功一种不锈钢焊接中空螺旋桨，其性能与传统的铸造铜质桨相当，兼具环保和耐用性的优势。文中详细论述了该类桨的结构特征和制作工艺，并给出了其强度计算方法。计算实例也表明，该类桨的强度可以达到规范的要求，是值得推广的一种螺旋桨制造方法。［关键词］不锈钢焊接中空螺旋桨；结构特征；制作工艺；强度校核［中图分类号］ U664.33 ［文献标志码］A ［文章编号］1001-9855（2014）01-0062-10
Technical report on welded stainless steel propeller with hollow structureZHENG Wei-bing1 ZHU Min-hu2 (1. Taizhou Chuangchi Propeller Plant, Zhejiang Province, Taizhou 318058, China; 2. Ship Design and Research Institute of Jiangsu Province, Zhenjiang 212003, China)Abstract: A welded stainless steel propeller with hollow structure has been developed. Its performance is equivalent to the traditional casting copper propeller, and has advantages of environmental protection and durability. The paper describes in detail the structure feature and the manufacture process, and proposes the strength calculation method. The calculation results show that the strength of the propeller of this kind can meet the requirements of the rules, and its manufacture method can be promoted.
Keywords: welded stainless steel propeller with hollow structure; structure feature; manufacture process; strength check
［收稿日期］ 2013-01-04；［修回日期］ 2013-05-13［作者简介］ 郑卫兵（1966-），男，厂长，研究方向：螺旋桨设计与制造。 朱珉虎（1938-），男，高级工程师，研究方向：船舶设计与制造。
引 言不锈钢焊接中空螺旋桨是在传统铜质实心铸造螺旋桨的基础上采用新材料（不锈钢）、新型结构（分部件制造经过组装焊接成整体桨）、新颖制作工艺（数控型面加工技术和焊接工艺）而形成的新螺旋桨品种。它由台州市创驰螺旋桨厂首创，故也称之为“创驰桨”。传统的船用螺旋桨生产工艺是采用锰黄铜或类似材料熔炼后浇铸到砂型箱中成型，在冷却后切去冒口，再经过型面修正加工（如抛光、车削）才
成为合格产品。螺旋桨的铸造加工工艺复杂，属于高耗能、耗资源和高污染的行业。螺旋桨制造对环境的污染主要是废砂的污染和噪声。目前业内螺旋桨的铸造普遍使用水玻璃二氧化碳固化砂，这种砂无法再生，只能一次性使用，而废砂多用于填海或填埋沟壑。水玻璃废砂对环境目前虽还未发现特别严重的危害，但废砂会使农田与土地沙化，其中残存的水玻璃又是一种含氧化钠的强碱性材料，可使土壤硷化和板结，污染水源或地下水。此外，螺旋桨手工加工时，采用风动工具产生的高分贝噪声至今仍无法解决，船舶动力装置
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成了环保难题。为了克服传统螺旋桨铸造工艺的缺陷，有必要开发一种新颖的螺旋桨结构和工艺制造技术来替代传统的螺旋桨制造技术，“创驰桨”就是在这种背景和指导思想下产生的。台州市创驰螺旋桨厂早期以生产渔船用的小型不锈钢焊接中空螺旋桨为主，其节省油耗的效果受到渔民的欢迎，后逐渐在渔船上推广起来。其节能原因有二：①桨毂比铜质铸造桨小，焊接桨的毂径比在0.15～0.18之间，而铸造铜桨的毂径比常处于0.18～0.22区间；毂径比小有利于提高螺旋桨效率。②达到同等的推力，焊接中空桨比实心桨轻，所需功率可略微减小。经过无数次的更新换代，近十年来，这类桨在一些中型运输船和工程船上也开始采用，最大的不锈钢焊接中空螺旋桨直径已达到2.6 m。创驰厂也曾生产制造过高速艇用的不锈钢焊接中空螺旋桨和特种用途（如水下潜体）的不锈钢焊接中空螺旋桨，在使用中均经受了严格的环境考验，性能也得到用户的一致好评。
1 钢板焊接螺旋桨的发展史早在20世纪70年代，部分内河船（拖船和自航驳）上就开始使用钢板焊接螺旋桨。其起因是当时普遍使用的铸铁螺旋桨强度不足且韧性差，碰到淤泥（触底）或漂浮物，螺旋桨叶片常常断裂和脱落，造成海损事故。有鉴于此，一些小型船厂开始自行设计制造钢板焊接螺旋桨来替代铸铁桨，起到较好的效果。这种桨的桨叶和桨毂分别制作，桨毂用锻钢车削而成，桨叶的压力面和吸力面（又称叶背面）分别用2片薄钢板在模子中敲击成型，然后焊接成一个个叶片，再把这些叶片按照一定的角度装焊到桨毂上，即构成钢板焊接中空桨。这种桨的特点是牢靠，在使用中从未发现丢掉叶片的现象，即使碰撞到淤泥、卵蛋石、
漂浮物等，桨叶打歪了仍能继续航行，回来后通过火工校正即可修复使用。钢板焊接桨具有造价低廉，耐冲击、不易损坏、能在各种恶劣环境下使用的突出优点。因此，一直受到京杭运河和江浙一带船东的青睐［1］，但
限于当时生产厂的条件，这种桨的制作精度较差，只能适用于功率不大的内河船使用。1996年，山东省交通科研所的许云飞研究员设计制造了两个1 176 kW、2.2 m直径的钢板焊接桨，为当时中国同类产品之最［2］。图1为钢板焊接螺旋桨叶片的
结构型式。这2个螺旋桨委托江苏省镇江船厂制造，并于同年11月换装到“黄河”号滚装船上。据了解，该轮换装螺旋桨后已营运十多年，至今未出现桨损坏现象。
图1 钢板焊接螺旋桨叶片的结构型式形心CDBζζζ1
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创驰桨虽同属于钢板焊接中空螺旋桨，但其设计与制造理念不尽相同。首先它采用了厚板概念，无论是压力面面板还是吸力面背板都用厚度为15～30 mm的不锈钢厚板制作；无需加强筋，叶片的强度和刚度都有保证，其空心的部分所占的比例不大。以直径D=1.85 m的螺旋桨为例，0.2R处（即叶根处）的截面厚度为75.2 mm，扣除上下板厚度30 mm，其最大的空隙厚度为45.2 mm，约占总截面厚度的60%。这个空隙向叶梢逐渐减少，到0.7R处减少到0，即从0.7R到叶梢为实心桨。由于采用厚板，其导边和随边的形状，乃至整个叶片的形状都可以采用数控机床切削成形，其制造精度可以达到很高的等级，保证了叶片形状的准确性，这也是创驰桨不同于以往钢板焊接螺旋桨的特征之一。64
船 舶郑卫兵，等：不锈钢焊接中空螺旋桨研制技术总结2 不锈钢焊接中空螺旋桨与传统铜质铸造实心桨的比较
不锈钢焊接中空螺旋桨从其性能设计原理上说，是和目前广泛使用的铜质铸造螺旋桨完全一致的，也即它的桨叶形状和螺旋桨的主要参数，如桨
的直径、螺距、盘面比、后倾角、桨叶截面的宽度和厚度、桨的转速、旋向、工作性能和效率是和铜质铸造螺旋桨完全一致的，因此目前普遍使用设计院设计的铜质桨的图纸来制造，只是在结构形式和制作方法上作些改变。现将两种桨的不同之处作一比较，详见表1。
由表1可见，不锈钢焊接中空螺旋桨的优点很多，唯组装焊接会产生误差为其不足，若能控制装焊质量，则其优越性能充分发挥，符合国家的发展方针和环保政策，是一种很有发展前途的新产品，完全可能逐步替代传统的铜质桨，引起螺旋桨生产的革命性转型。
项 目铜质铸造实心螺旋桨不锈钢焊接中空螺旋桨材 料1级锰青铜（Cu1） 2级镍锰青铜（Cu2） 3级镍铝青铜（Cu3） 4级锰铝青铜（Cu4）
奥氏体不锈钢热轧板材
力学性能抗拉强度：Cu1≥440 MPa Cu2≥440 MPa Cu3≥590 MPa Cu4≥630 MPa 延伸率≥20%（Cu1和Cu2）
抗拉强度≥480～550 MPa延伸率不小于40%
制作工艺整体铸造工艺：先做木模，再做砂型，熔炼金属浇涛，清除砂型，切除冒口，最后进行型面精加工；大部分生产过程以手工作业为主，劳动强度大，生产环境差。
叶片分为面板和背板，下料后用数控机床切削成型，然后用焊接工艺组装，最后进行型面精加工；便于实现机械化、自动化。
质 量大约为铸造实心铜桨的2/3重工艺优缺点比较耗工、耗时、耗材；
铸造易产生缺陷，需要修补。
省工、省时、省材料；
不锈钢板基本没有制造缺陷；装配要求高，易产生误差。
成 本高低
环 保产生的废弃物多，造成环境污染；熔炼金属产生废气、废渣；人工打磨桨叶产生噪声、粉尘。
金属的切削屑可以回收利用；焊接会产生弧光和废气；人工打磨桨叶产生噪声、粉尘。
其 他铜质桨在使用中易产生电化学腐蚀、空泡腐蚀；铸造桨没有装配误差，叶片的同形度高，有利于消除振动。
不锈钢的耐腐蚀性能好、强度高、韧性好、比铜质桨更经用；重量轻，节约主机功率；桨毂直径小，有利于提高螺旋桨效率。
表1 两种桨的特征和优缺点比较
