船舶机械制造工艺学
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船舶机械制造工艺学. (Section 12). 2013-02 刘正林. 2014/10/29. 1. 图 12-1 螺旋桨的形状 1- 随边; 2- 导边. 重点: 材料和毛坯 、螺旋桨加工 、螺旋桨成品检验 难点: 毛坯制作与螺旋桨机械加工. 第 12 章 螺旋桨制造 (Propeller Manufacturing). § 12.1 概述 螺旋桨由 桨毂 和 桨 叶 两部分组成。桨毂与螺旋桨轴相连接,桨叶固定在桨毂外壳上用以产生推力,如图 12-1 所示。

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船舶机械制造工艺学

(Section 12)

2013-02 刘正林

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图12-1 螺旋桨的形状

1- 随边; 2-导边

重点:材料和毛坯 、螺旋桨加工 、螺旋桨成品检验

难点:毛坯制作与螺旋桨机械加工

  • 第12章 螺旋桨制造

    (Propeller Manufacturing)

§12.1 概述

螺旋桨由桨毂和桨叶两部分组成。桨毂与螺旋桨轴相连接,桨叶固定在桨毂外壳上用以产生推力,如图12-1所示。

当螺旋桨正车旋转时,桨叶先与水接触的一边称为导边,另一边称为随边。


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图12-2 螺旋桨的结构

1-叶面; 2-叶背

  • 螺旋桨的结构有两种类型:一种是桨叶和桨毂铸成一体的,如图12-2a)所示。其结构简单,桨毂直径较小,重量较轻,效率较高;另一种是桨叶与桨毂制成可拆式或称组合式,如图12-2b)所示,因其桨毂直径较大,故螺旋桨效率较低,其优点是修理方便。由船尾向船首看所见的桨叶面称为叶面,即螺旋桨正车旋转时推水的一面;另一面为叶背,即与船的前进方向相同的一面。


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12.2 螺旋桨的材料和毛坯

12.2.1 螺旋桨材料

螺旋桨是受力较大,并在较恶劣条件下工作的零件。因此,对制造螺旋桨的材料应具有较高的强度、塑性及冲击韧性;良好的抗腐蚀性和抗剥蚀性能;以及良好的铸造工艺性和机械加工性能。

船用螺旋桨常用材料主要是金属材料,如锰黄铜、铝青铜、铸铁、钢等。此外也有采用塑料,如尼龙、玻璃钢等。

1. 锰黄铜

锰黄铜是以Cu-Zn为主体组成的多元合金,根据使用要求可添加Mn、Fe、A1、Sn、Ni等金属元素,以改变其性能。属于这类材料的有锰铁黄铜(ZCuZn40Mn3Fe1)、高铝锰铁黄铜;此外还有镍锰铁黄铜等。由于锰黄铜的使用性能较好,目前世界各国用这种材料制造螺旋桨的最多。但抗空泡剥蚀性能差,不适于制造高速船舶螺旋桨。

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2. 铝青铜

铝青铜是以Cu-Al为主体的多元合金,其添加金属元素有Mn、Fe、Ni等。

属于这类材料的有:

高锰铝青铜(ZCuAl8Mnl3Fe3Ni2),相同于英国的BSCMAl和美国的ASTMC95700牌号的铝青铜、镍铝青铜等。

铝青铜合金除具有锰黄铜的优点外,还具有疲劳强度高、抗空泡剥蚀性能良好的特点,因此多用于制造大型、高速海船(尤其是舰船)的螺旋浆。

其缺点是熔炼浇铸技术要求较高,对于大型铸件应防止粗大的γ2―相析出而引起合金缓冷脆化问题,尤其是Sn铝青铜更应注意这个弊病,应严格控制Sn的含量。

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3. 铸铁

铸铁螺旋桨成本低廉、铸造容易、材料来源丰富。但缺点是强度低、质脆,易折断,且易被海水腐蚀,使用寿命短。为了保证一定的强度,往往将桨叶制成比铜合金螺旋桨厚30%~35%,这样使螺旋桨的效率降低。所以这种材料的螺旋桨常用在主机功率小、航速低的小型内河船舶上。属于这种材料有HT200、HT250等。

4.铸钢

铸钢螺旋桨的强度和冲击韧性均比铸铁好,应用范围也比铸铁螺旋桨广,但铸造时技术条件要求较高,变形较难控制,成形后表面加工又比较困难,故成本较高。同时,铸钢螺旋桨的抗腐蚀性能比铸铁差,海水不仅腐蚀桨叶表面而且常腐蚀到叶片深处成多孔,使表面凸凹不平,缩短使用寿命。因此,这种桨多用作备件或内河船舶上。属于这种材料的有ZG200–400、ZG230–450。

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5. 塑料的应用

塑料螺旋桨的材料主要是尼龙(如尼龙6、尼龙610及尼龙1010等)和玻璃钢。

玻璃钢是以合成树脂(如环氧树脂等)为粘合剂,以玻璃纤维或织物为增强材料(如无碱无捻粗纱方格玻璃布等)相粘合而成的一种材料。

塑料螺旋桨的优点是重量轻,约为同样铜质螺旋桨重量的1/5~1/3,振动和声响小,冲击韧性好,抗腐蚀和抗空泡剥蚀性能好,制造工艺简单、造价较低。

缺点是强度和刚度较低,易老化,在载荷长期作用下有蠕变现象。此外,在浅水砂底航道中使用时易磨损。

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12.2.2 螺旋桨毛坯制造

1. 螺旋桨铸模的造型

1) 整体盖箱法 这种造型方法较简单,桨叶片夹角控制较好,但原材料耗用较多且不易烘干。用于直径小于4m的中、小型螺旋桨。

2) 托板造型法 这种造型方法较复杂,叶片夹角缝容易控制,节约造型材料,但需要配套专用托板和盖板,适用于直径大于4m的大型螺旋桨。

3) 组芯造型法 这种造型的螺距叶厚用实样模控制,尺寸精确,但桨叶片夹角不易控制,适用于批量生产的中、小型螺旋桨。

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螺旋桨铸模的造型过程大致是:先用刮板和按要求预制好的螺距板刮制螺旋面形成下砂模,并在下砂模面上放置桨叶切面样板制成桨叶模型,然后做出上砂模,烘干砂模后便可进行浇铸。这就是螺旋桨铸模常用的刮板造型。

对于大型螺旋桨的铸模,还有采用螺距规造型的方法。这种方法的特点是:不必使用螺距三角板、造型刮板及螺距补砂等工具,仅用螺距规测量螺距的方法就可以直接造型,制作出螺旋桨的螺旋面来,此法可省去大量造型工具,简化造型工艺过程,缩短造型时间,同时还可以减轻工人的劳动强度。

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2. 螺旋桨的浇铸

螺旋桨常用的浇铸方法有两种:顶铸法和底铸法。

1) 底铸法

底铸法是广泛应用的一种浇铸方法,此法是在模腔的最低点即桨毂尾端浇入金属液的,然后慢慢上升而充满整个铸型。为了保证铸件的补缩,应使冒口部分金属液能有高温。除在冒口设置保温层外,还可在浇铸过程中,当金属液上升至冒口根部以上时,将金属液改由冒口注入,以便使冒口起充分的补缩作用。

底铸法的优点是铸件成品率高,质量较好。其缺点是浇铸系统比较复杂。

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2) 顶铸法

顶铸法是将金属液自冒口上方直接注入铸型模腔。这种方法的优点是铸型简单,没有浇铸系统;冒口温度较高,铸件能得到充分补缩;金属液浇注完毕时,铸型各处金属液的温度分布比较合理,具有方向性冷凝的条件。

顶铸法的缺点是浇铸时金属液产生飞溅,将卷入空气和杂质,连同熔渣和氧化物流入铸型,致使铸件形成痂皮和疏松等缺陷,影响质量。又由于金属液直接从冒口注入,液体落下一定高度时,可能将铸型内腔冲坏。

因此,顶铸法不适于大型螺旋桨的浇铸,而只限于浇铸直径小于1m的小型螺旋桨。

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螺旋桨低压铸造,由于铸件质量较好,并可减少加工余量和冒口,因此在生产中得到了推广使用。图12-3所示为螺旋桨低压铸造原理图。在盛有金属液的密封容器1内,通入干燥的压缩空气(或其他惰性气体),使容器中形成一定的压力p。在此压力作用下金属液沿着升液管3上升,并平稳地进入铸型5,整个充型过程都在一定压力作用下进行。同时,模腔4充满后仍保持一定的余压,使之在压力作用下结晶。待浇口冷凝后,放出压缩空气,去除容器内压力,这时升液管内未冷凝的金属液便流回金属液包内,完成一次浇铸。

图12-3 螺旋桨低压铸造原理图

1-密封容器;2-金属液包;3-升液管;

4-模腔;5-铸型;6-冷却圈

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12.3 螺旋桨加工

12.3.1 螺旋桨加工技术要求

1. 桨毂锥孔和端面精度

1) 桨毂端面应与锥孔轴线垂直,垂直度误差不大于0.15mm/m。

2) 桨毂孔加工,当采用环氧树脂粘结剂与锥体装配时,允许锥孔大小端留有30~170mm长的配合环面,其余镗大0.20~0.30mm,以便于配研。当采用液压无键装配时,要求桨毂孔全部为配合面,即锥孔中部无空腔。

3) 键槽两侧应与桨毂孔轴线平行,当锥孔与轴精配时,键与槽在80%周长上均匀接触,用0.05mm塞尺插不进。

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2. 螺旋桨各部分尺寸精度

螺旋桨加工要求分为三级:

I级为较高精度,适用于船速高于18kn的海船及其它有特殊要求的船舶;

Ⅱ级为中等精度,适用于船速在8~18kn的海船及船速高于10kn的内河船舶;

Ⅲ级的公差较大,用于一般船舶。各部分精度要求如下:

1)螺旋桨半径R允许偏差为±(0.3%~0.5%)R,对有导流管螺旋桨的半径公差由施工图纸规定。

2) 叶切面长度li允许偏差为±(1%~2%) li,可测量相应半径处叶切面在螺旋面上的投影弧长(如图12-4所示)。在0.4R以内各截面上的li的公差可加大50%。

图12-4 叶片切面长度

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3) 螺旋桨的螺距。

对总平均螺距H允许偏差为±(0.75%~2.5%)H(H为各桨叶螺距Hi的算术平均值)。

对桨叶螺距Hi的偏差为±(0.1%~ 0.3%) Hi,当等螺距时Hi为各切面螺距hi的算术平均值;当变螺距时Hi则按0.7R处的h0.7R值衡量。

对切面螺距hi的偏差为±1.5%~±3.5% hi, hi为各h的算术平均值。对钢质螺旋桨,H、 Hi、h、 hi的公差可放大50%。

4) 桨叶切面厚度t的允许上偏差为(+2. 0%~+4. 0%)t,下偏差为(–1. 0%~–2. 0%)t。

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5) 桨叶中线的夹角偏差为0.5°。

6) 桨叶后倾。测量叶面中线在半径0.3R和0.95R处两点桨轴轴线上投影距离的偏差,以直径的百分数计算约为±0.20%~±0.40%,如图12-5所示。对各桨叶间后倾的偏差,测量各桨叶叶面中线在0.5R处沿桨轴方向上投影的偏差,以直径的百分数计约为±0.10%~±0.20%。

7) 桨叶沿桨毂长度位置的偏差为(1.0%~2.0%)L,L为桨毂长度。

8) 螺旋桨成品质量偏差一般应不超过理论质量±5%,舰桨按±4%。螺旋桨批量桨的质量差值一般不大于首桨质量M的±(2%M+0.5)(kg)。

L

图12-5 桨叶后倾的测量

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3. 螺旋桨的表面粗糙度

1) 桨毂锥孔为Ra3.2μm,端面为Ra6.3μm 。

2) 大于0.3R及的桨叶表面:I级的铜质桨叶面为Ra3.2~1.6μm,钢质的为Ra12.5~3.2μm;Ⅱ级的铜质桨叶面为Ra6.3~3.2μm,钢质、铁质的为Ra25~12.5μm;Ⅲ级的铜质桨叶面为Ra25~12.5μm,对钢质、铁质桨叶面的表面粗糙度则不作要求。

3) 小于0.3R的桨叶表面和桨毂表面:I级的铜质为Ra6.3~3.2μm;钢质为Ra25~6.3μm;Ⅱ级的铜质为Ra25~6.3μm;钢质、铁质为Ra25μm;Ⅲ级的铜质为Ra25μm 。

4) 组合螺旋桨桨毂为Ra25~12.5μm。

内河船舶螺旋桨的表面粗糙度数值可适当提高;对叶背的表面粗糙度数值可按照桨叶面的要求适当提高。此外,凡对表面粗糙度无要求的表面也必须达到平整光顺,除净毛刺,倒圆边角。

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12.3.2 螺旋桨机械加工

螺旋桨表面机械加工包括桨毂上镗孔和切两端面,桨毂孔加工键槽和桨叶加工等。

螺旋桨的锥孔和两端面加工,可在端面或立式车床上进行,也可在镗床或专用镗孔机上进行。加工时,螺旋桨装夹在车床花盘上或机床工作台上,用两次装夹完成。镗孔的同时加工出桨毂的两端面,可保证桨毂锥孔轴线与两端面垂直度精度。由于桨毂圆锥孔是以后的所有检验和平衡的基准,因此在镗孔时应特别注意保证镗孔的加工精度。

桨毂键槽的加工,可采用插削或刨削,也可采用专用铣床铣削。

桨叶的加工,在单件生产时,大多采用手工进行,先加工叶面,后加工叶背;在成批生产时,用专用机床或数控机床加工。

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1. 手工加工(又称批铲加工)

螺旋桨手工加工包括桨叶外形轮廓、桨叶和桨毂外表面加工,修刮轴孔,去除静不平衡和动不平衡质量等。

手工加工采用风铲、砂轮和锉刀(或刮刀)等工具进行。加工步骤是根据测量结果,划出加工线,批铲桨叶轮廓,铲除毛坯的铸造表皮,去除多余的金属,打磨桨叶表面使其达到平整光顺和所需的表面粗糙度。

螺旋桨的手工加工劳动强度大,耗费工时多且劳动条件极为恶劣,噪声大和粉尘浓度高,严重影响工人的健康。

对铸钢铸铁螺旋桨的表面一般不加工;对于低速运输船舶的螺旋桨,一般也只是把桨叶表面铲平整光顺。

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2. 桨叶表面机械加工

桨叶表面机械加工专用机床型式很多,有运动调节机床、仿形机床和数控机床等。

运动调节机床最常见的是螺旋桨刨床,常用于小型螺旋桨的叶面加工。加工时将螺旋桨固定在心轴上,叶面向上,若桨叶有后倾角,则将被加工螺旋桨也倾斜一角度,即心轴倾斜一角度,如图12-6所示,使桨叶螺旋面的母线位于水平位置,心轴可以旋转并往复移动,而刨刀作径向往复运动,便可进行叶面加工。

图 12-6 在刨床上加工螺旋桨叶面

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运动调节机床的主要缺点是不能加工变螺距的螺旋桨叶面和等螺距螺旋桨的叶背。

螺旋桨仿形机床有机械操纵的仿形机床(如机械仿形铣床)、有液压随动系统的仿形机床和电随动仿形机床等。用仿形机床可以加工变螺距螺旋桨和等螺距螺旋桨的叶面和叶背。

数字控制机床加工螺旋桨是一种有通用性、灵活性和高度自动化的先进方法,现已得到推广使用。数控铣床的加工精度比仿形加工精度高。但由于三坐标数控铣床加工螺旋桨时存在螺旋升角的影响,无法排除刀具的干扰,故加工后的桨叶表面有波纹存在,因此当采用四坐标、五坐标数控铣床加工时则没有上述干扰,故可得到满意的加工效果。

为了提高螺旋桨的加工质量和生产率,国外已有采用双轴九坐标数控铣床来加工螺旋桨的桨叶。

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12.4 螺旋桨成品检验

1. 外观检查

螺旋桨加工表面(叶面)一般不允许有损伤其强度和工作性能的缺陷存在,如气孔、裂纹、缩松、夹渣、浇铸不足等。

检查时可用目检或着色探伤检查。

此外,螺旋桨加工后桨叶面的表面粗糙度应符合规定要求。

2. 形状和尺寸检查

螺旋桨形状和尺寸检验包括桨叶尺寸和形状、桨毂尺寸和桨毂内孔的贴合检验等。

桨叶检验包括螺旋桨半径、螺距、叶截面厚度、叶截面长度(宽度)、叶片中线夹角和后倾角的检验。

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螺旋桨桨毂尺寸的检验包括桨毂外径、内径、长度和键槽宽度及深度的检验,如图12-7所示。

螺旋桨桨毂内孔与螺旋桨轴锥体的贴合应良好。

对于液压无键安装的螺旋桨,要求实际接触面积应不小于理论接触面积的70%;

对于环氧树脂粘结剂胶合安装的,其接触面积则不应小于30%,且锥体两端基本能接触。以上可进行着色探伤检查。

图 12-7螺旋桨毂尺寸检查

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下面介绍螺距和桨叶厚度的测量方法

1) 螺旋桨螺距的测量

螺旋桨的螺距常采用螺距仪进行测量。螺距仪的结构形式虽多,但原理相同,都是利用三坐标(r、θ、z)来决定桨叶面上任一点位置的方法。图12-8所示为一种测量大型螺旋桨所用的螺距仪结构简图。

图12-8 螺距仪简图

1-支座 ;2-指针 ;3-主轴 ;4-滑块 ;5-直尺 ;6-指针 ;7-量棒 ;

8-悬臂 ;9-夹紧装置

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在图12-8中,螺距仪的主轴3借专门的支座1牢固地安装在桨毂孔中,支座可按螺旋桨的高度借夹紧装置9紧固在主轴上。

能绕主轴回转的悬臂8支持在支座上并与主轴轴线垂直,在支座的外圆周上有刻度值,指针Z可以指示出悬臂转动的角度。

在悬臂上安装有带刻度的直尺5,带有量棒7的滑块4可沿悬臂移动,通过指针6可精确地测出量棒在垂直方向的移动值。

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螺距测量:测量螺距时叶面应朝上(叶背朝下),螺距仪的轴线应与螺旋桨的轴线重合。当测量某一半径处的螺距时,先将滑块沿悬臂移动到该半径处,使量棒与叶面M点接触,记下量棒的读数,然后将悬臂旋转某一角度α,使量棒与叶面N点接触并记下量棒的读数,如图12-9所示。设两相邻测量点的读数差值为y,则读半径处相邻两点MN的局部螺距h为:

图12-9 局部螺距测量

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同理,可测出该半径处其他各相邻两点的局部螺距,它们的算术平均值就是该半径处的截面螺距h。

用同样的方法可算出桨叶各半径处的截面螺距h,它们的算术平均值即为该桨叶的叶片螺距(若为变螺距螺旋桨则按0.7R处的来衡量),每个桨叶的叶片螺距的算术平均值就是总平均螺距H。

在测量螺距时,一般对每个桨叶选5~6个半径切面(0.3R、0.4 R、0.6 R、0.8 R、0.9 R、0.95 R)进行测定,每隔18°或36°一个点,对每一半径切面不应少于3个点。

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2) 桨叶厚度的测量

桨叶厚度最常用的测量方法是用螺距仪在叶面上绘出各半径处切面弧线(即螺旋线)后,再根据图纸要求在每个切面弧线上标出切面纵坐标的各点,然后用外卡尺的一个脚放在叶面标出的点α上,另一个脚紧贴在叶背相应的点b上,如图12-10b)所示。外卡尺两脚间的距离即为该点的桨叶厚度t。

图12-10 桨叶厚度测量

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3. 螺旋桨的静平衡

螺旋桨加工后,必须进行静平衡试验。当螺旋桨每一桨叶的质量或相邻两叶片之间的夹角不等时,整个螺旋桨的重心及主惯性轴与回转轴线不重合,因而产生静不平衡现象。

如果不加以消除,必将影响螺旋桨推进性能,引起尾轴振动,尾轴承磨损,轴系的工作可靠性降低,

因此螺旋桨的静平衡试验是必不可少的一道工序。

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螺旋桨的静平衡试验是在平衡架上进行的。

如图12-11所示,在螺旋桨3的锥孔中装进一根长轴4,锥孔两端用两个锥形定位盘2使长轴轴线与螺旋桨锥孔的轴线相重合,并用螺母5紧固,长铀的两端装上滚动轴承1并将它搁置在两个水平支座7的轴承支架6上,使螺旋桨能自由转动或停止。

图12-1 螺旋桨静平衡

1-轴承;2-定位盘;3-工件;4-长轴;

5-螺母;6-支架;7-支座

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螺旋桨不平衡质量允许值G,一般规定为:此质量使螺旋桨在最高转速时所引起的离心力应等于或小于螺旋桨重力的1%。由不平衡质量引起的离心力F为:

  • 由规定:F≤0.01gG,式中g为重力加速度,m/s2;G为螺旋桨质量,kg。代入上式得:

故在试验时,螺旋桨的不平衡质量应小于上式计算求得的数值,即:

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螺旋桨经静平衡后,对超过不平衡质量规定的桨叶,应将其超过的质量去除。

这时应在叶背离边缘距离不小于叶宽的10%处进行,铲叶背时面积应宽些,铲后表面应尽量均匀光滑。应注意的是修正后叶切面厚度应在允许偏差范围之内。为了避免采用铲叶背去除不平衡质量的繁重劳动,可采用偏心镗锥孔借正的方法来校准不平衡质量。这对于用无余量浇铸的大型螺旋桨的静平衡校准工作尤为重要。

通常,较大型的螺旋桨(直径在1.2m以上)都可对锥孔用粗镗和精镗进行两次镗削来消除其静平衡误差,即精镗时采用偏心镗加工螺旋桨桨毂锥孔。而使螺旋桨的几何轴线位置与其重心重合,达到消除其不平衡质量的目的。

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