大功率艦艇推進(jìn)軸系合理校中技術(shù)及工藝

張金國(guó)，舒禮偉，王 雋，楊 俊

（1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢430064；2.海軍駐武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所軍代表室，武漢430064）

在艦艇建造和維修過(guò)程中，軸系的校中方法很多［1］，但就其校中的基本思想和原理而言可以劃分為三大類(lèi)：軸系直線(xiàn)校中方法、軸系軸承允許負(fù)荷校中方法、軸系合理校中方法。

1 軸系直線(xiàn)校中

直線(xiàn)校中是最早采用的軸系校中方法，采用該方法需在施工過(guò)程中嚴(yán)格保證各軸承同線(xiàn)、軸系各聯(lián)接法蘭的偏中值嚴(yán)格限制在規(guī)定范圍內(nèi)。軸系呈直線(xiàn)敷設(shè)是直線(xiàn)校中的基本思想。

按軸承上允許負(fù)荷校中法是通過(guò)把軸承負(fù)荷調(diào)整在允許范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)校中的。在軸系安裝前，要求對(duì)軸承負(fù)荷進(jìn)行專(zhuān)門(mén)計(jì)算，給出軸承負(fù)荷允許范圍，在施工過(guò)程中用專(zhuān)門(mén)測(cè)力計(jì)測(cè)量軸承實(shí)際負(fù)荷。該方法通常只能對(duì)少數(shù)幾個(gè)中間軸承實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)整和檢測(cè)，無(wú)法顧及尾管軸承及齒輪箱前后軸承的負(fù)荷分布情況。此外，實(shí)施過(guò)程中的負(fù)荷檢測(cè)方法尚存在一定的缺欠和局限性，因此，此方法無(wú)論在理論上還是在實(shí)施方面都不是一種完善的校中方法。

目前，對(duì)小型船舶推進(jìn)軸系來(lái)說(shuō)，主要采用“曲折和偏移”和負(fù)荷法進(jìn)行安裝，采用“千斤頂頂舉系數(shù)”法進(jìn)行檢驗(yàn)，這些方法是在軸系實(shí)際的安裝條件與校中計(jì)算理論模型基本一致的情況下進(jìn)行的。如果軸系實(shí)際安裝條件有變化，比如船體變形、軸承支撐剛度的影響等，用理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行軸系安裝與檢驗(yàn)，就難以滿(mǎn)足軸系實(shí)際安裝的需要，可能會(huì)帶來(lái)不必要的破壞和危險(xiǎn)。而且，這些方法在應(yīng)用中都有一定的局限性，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，比如在“曲折和偏移”法中曲折和偏移的測(cè)量，除了調(diào)整軸承的變位之外，還需要在每一個(gè)法蘭連接處脫開(kāi)和連接各對(duì)法蘭；而千斤頂法需要測(cè)量軸承支反力，在某些無(wú)法安放千斤頂?shù)牡胤剑蜔o(wú)法測(cè)量軸承的支反力；同時(shí)，兩種方法都無(wú)法用來(lái)對(duì)軸系運(yùn)轉(zhuǎn)狀況進(jìn)行分析與監(jiān)測(cè)。

目前我國(guó)大功率艦艇的軸系校中仍采用了直線(xiàn)校中方法；在實(shí)際操作過(guò)程中，此方法存在不足。

其一，在艦艇建造過(guò)程中，軸系的安裝存在超差問(wèn)題，其軸系法蘭的曲折值存在超標(biāo)，且軸系安裝狀態(tài)不穩(wěn)定；碰到此種問(wèn)題艦艇設(shè)計(jì)方及建造方均要進(jìn)行分析研究才能決定是否交驗(yàn)，給艦艇的交驗(yàn)造成很大影響。

其二，由于直線(xiàn)校中方法沒(méi)有考慮支承負(fù)荷的分配問(wèn)題，通常會(huì)使得靠近螺旋槳的軸承負(fù)荷過(guò)大。此外，齒輪箱前后軸承負(fù)荷差難以保證在規(guī)定范圍內(nèi)以及個(gè)別軸承可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)負(fù)荷現(xiàn)象。顯然，由于實(shí)際結(jié)構(gòu)中存在軸系各軸承間距不等、作用力不均衡等多種原因，使軸承負(fù)荷分配不合理，各軸段應(yīng)力分布不均勻，導(dǎo)致軸系校中不良，其危害有：

1）尾軸管后軸承（靠近螺旋槳）負(fù)荷過(guò)大且單邊承載，長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)易造成軸承磨損，出現(xiàn)燒損和泄漏事故；

2）尾軸管前軸承和前中間軸承會(huì)因負(fù)荷過(guò)小或受反向負(fù)荷而失去正常的支承作用，發(fā)生失載現(xiàn)象，從而改變了軸系原有的動(dòng)力特性，可能會(huì)使軸系的回旋振動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)入主機(jī)的工作轉(zhuǎn)速區(qū)，產(chǎn)生劇烈振動(dòng)；

3）減速齒輪箱前后軸承負(fù)荷差超出允許范圍，破壞了齒輪間的正常嚙合，產(chǎn)生較大的振動(dòng)及噪聲，影響齒輪箱使用壽命等等。可見(jiàn)，直線(xiàn)校中方法不盡合理。

隨著大功率艦艇功率的增大、推進(jìn)器重量的增加，導(dǎo)致推進(jìn)軸系軸徑的增大，軸承負(fù)荷的增加，按照直線(xiàn)校中方法進(jìn)行校中計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，很多時(shí)候會(huì)出現(xiàn)無(wú)法滿(mǎn)足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的情況；故必須采用更為合理的校中方法對(duì)大功率艦艇推進(jìn)軸系進(jìn)行校中計(jì)算。

2 軸系合理校中方法

所謂軸系合理校中，其實(shí)質(zhì)是在遵守規(guī)定的軸承負(fù)荷、應(yīng)力、轉(zhuǎn)角等限制條件下，通過(guò)校中計(jì)算以確定各軸承的合理位置，將軸系安裝成規(guī)定的曲線(xiàn)狀態(tài)，以達(dá)到使各個(gè)軸承上的負(fù)荷合理分配［2］。此法在有的文獻(xiàn)中也稱(chēng)為“軸系最佳校中”。合理校中的實(shí)施包括三個(gè)階段：軸系校中方案設(shè)計(jì)、實(shí)施軸系校中、軸承負(fù)荷檢測(cè)。

采用有效的數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行校中方案設(shè)計(jì)計(jì)算，將軸系按設(shè)計(jì)方案安裝后，再對(duì)軸承負(fù)荷進(jìn)行實(shí)際測(cè)量、調(diào)整，以確保質(zhì)量?？梢?jiàn)，合理校中無(wú)疑會(huì)大大改善軸系的工作條件，有利于軸系長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

國(guó)外從上世紀(jì)50年代已開(kāi)始此項(xiàng)技術(shù)的研究，建立了合理校中設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并將優(yōu)化設(shè)計(jì)理論用于校中計(jì)算，從而使合理校中的方案設(shè)計(jì)更加精確。目前國(guó)外船級(jí)社（如法國(guó)、勞氏、挪威、日本、美國(guó)）已在船舶規(guī)范中作出明文規(guī)定，要求提供船舶設(shè)計(jì)時(shí)需提供軸系靜態(tài)校中計(jì)算書(shū)（包括校中軸系的各種狀態(tài)參數(shù)和工藝參數(shù)計(jì)算），并作為大型船舶軸系的安裝和交驗(yàn)依據(jù)。

國(guó)內(nèi)從上世紀(jì)70年代末期開(kāi)始研究軸系合理校中技術(shù)，提出了三彎距法、有限單元法和遷移矩陣法等理論分析方法，并按照理論分析方法編制了校中計(jì)算的應(yīng)用程序，進(jìn)行了計(jì)算方法、測(cè)試方法的臺(tái)架試驗(yàn)等研究，編寫(xiě)了適用于校中計(jì)算安裝軸系的標(biāo)準(zhǔn)（CB＊／Z338-84《船舶推進(jìn)軸系校中》）；同時(shí)在國(guó)內(nèi)實(shí)船上進(jìn)行了應(yīng)用，早在1981年由上海船廠(chǎng)建造的16 000t出口船舶應(yīng)用了該技術(shù)，其后江南、滬東、大連等船廠(chǎng)在建造出口船舶時(shí)也應(yīng)用了該校中計(jì)算方法?，F(xiàn)在民用船舶的軸系安裝已普遍采用此方法，有些軍用艦艇也采用此校中技術(shù)，經(jīng)實(shí)踐證明效果明顯。

3 軸系合理校中工藝

軸系合理校中時(shí)，可采用如下兩種方法進(jìn)行。

3.1 按偏移、曲折校中

根據(jù)校中計(jì)算所給的各聯(lián)接法蘭上的偏移、曲折值進(jìn)行軸系校中，是目前常用的方法。

3.2 按軸承位移校中

對(duì)于長(zhǎng)軸系，由于聯(lián)接法蘭的數(shù)量多，如按法蘭的偏移、曲折校中難以達(dá)到校中計(jì)算的要求時(shí)（由于偏移曲折的誤差積累大），應(yīng)采用光學(xué)儀按軸承的位移進(jìn)行校中。這時(shí)，校中后各軸承的位移應(yīng)符合校中計(jì)算文件的規(guī)定。

對(duì)于大功率艦艇來(lái)說(shuō)，因其推進(jìn)軸系長(zhǎng)度較大，一般采用第二種方法進(jìn)行軸系合理校中計(jì)算和安裝。

4 工程計(jì)算實(shí)例與分析

圖1為某大功率艦艇推進(jìn)軸系布置簡(jiǎn)圖，按照軸系直線(xiàn)校中方法以及軸系合理校中方法對(duì)其進(jìn)行的校中計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1、2。

圖1 軸系布置簡(jiǎn)圖

從表1中可知，軸承2的支承力為負(fù)值，不滿(mǎn)足CB＊／Z 338-84的要求，因此必須對(duì)軸系狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。采用合理校中方法，使軸承適當(dāng)變位（垂向方向），具體措施是：以軸承2為理論中心線(xiàn)，將軸承1相對(duì)理論中心線(xiàn)下降2mm，軸承4、5、6下降0.5mm。表2計(jì)算結(jié)果顯示，六個(gè)軸承的支承力滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 按軸系直線(xiàn)校中方法計(jì)算的軸承狀態(tài)

表2 按軸系合理校中方法計(jì)算的軸承狀態(tài)

采用合理校中后，尾軸軸承支承點(diǎn)轉(zhuǎn)角大于CB＊／Z 338-84的要求，可采用尾軸承斜鏜孔方法進(jìn)行處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

軸系合理校中方法不僅原理正確、技術(shù)方法成熟，而且經(jīng)過(guò)幾十年實(shí)踐運(yùn)行證明該方法比直線(xiàn)校中方法和軸承允許負(fù)荷校中方法優(yōu)越；該方法在國(guó)外已廣泛采用，并在船舶規(guī)范中明文規(guī)定軸系在設(shè)計(jì)時(shí)需提供軸系校中計(jì)算書(shū)，軸系安裝可參照軸系校中計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)進(jìn)行；大功率艦艇上采用軸系合理校中方法技術(shù)上已具備了條件。

當(dāng)前情況下，針對(duì)大功率艦艇的推進(jìn)軸系尚需開(kāi)展如下工作：推進(jìn)軸系合理校中安裝工藝研究，如推進(jìn)軸系斜鏜孔工藝；推進(jìn)軸系動(dòng)態(tài)校中研究與應(yīng)用［3］，目前軸系動(dòng)態(tài)校中在國(guó)內(nèi)還處于研究階段，實(shí)際應(yīng)用較少。

［1］周繼良，鄒鴻鈞.船舶軸系校中原理及其應(yīng)用［M］.北京：人民交通出版社，1986.

［2］張洪田.船舶軸系合理校中技術(shù)研究［J］.黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003（6）：3～7.

［3］游加慰.軸系校中計(jì)算動(dòng)態(tài)因素的研究［J］.武漢造船，1998（2）：28～31.