合理校中的原理及其應(yīng)用

鄭代忠

（江蘇東方重工有限公司，江蘇 靖江 214521）

0 前言

船舶推進軸系的安裝是船舶建造過程中重要的一環(huán)，能否正確合理的進行軸系安裝，直接影響到船舶的航運安全。軸系安裝不好在其運轉(zhuǎn)時會造成軸承迅速磨損、燒壞，甚至?xí)鹞草S管密封件的迅速磨損而造成滑油泄漏，破壞減速齒輪的正常嚙合和支撐軸承的正常工作以及引起船體振動。為確保軸系長期安全、正常地運轉(zhuǎn)，除了在軸系設(shè)計時應(yīng)保證具有足夠的強度及剛度外，在軸系安裝時，還應(yīng)保證它具有合理的狀態(tài)，使軸系各軸段內(nèi)的應(yīng)力及各軸承上的負荷均處在合理的范圍以內(nèi)。理論分析和生產(chǎn)實踐均證明：要安裝好軸系，除設(shè)計因素之外，軸系校中質(zhì)量也起著關(guān)鍵作用。

顯然，對船舶軸系校中原理和方法的研究，及在生產(chǎn)過程中對其的合理應(yīng)用，是提高船舶建造及修理質(zhì)量的一個重要方面。同時，船舶軸系安裝的工藝過程與所采用的軸系校中方法也是密切相關(guān)的。軸系校中的方法是多種多樣的，但以校中的原理而言，大致分為直線校中、按軸承許用負荷校中及合理校中三類。經(jīng)過近幾十年的研究和實踐，軸系合理校中技術(shù)已在造船生產(chǎn)中得到了有效的應(yīng)用。目前，已有多家船級社和主機制造廠能為軸系合理校中計算提供完整的技術(shù)文件甚至計算軟件，這項技術(shù)已在現(xiàn)代造船中被廣泛采用。

1 軸系合理校中的原理

1.1 合理校中的實質(zhì)

所謂軸系合理校中，其實質(zhì)是遵守規(guī)定的軸承負荷、應(yīng)力、轉(zhuǎn)角等限制條件下，通過校中計算以確定各軸承的合理位置，將軸系安裝成規(guī)定的曲線狀態(tài)，以達到各個軸承上的負荷合理分配。

1.2 合理校中的內(nèi)容

進行軸系合理校中的計算時，將軸系視為放置在多個支座上的連續(xù)梁，故可用求解平面桿系的工程力學(xué)理論，求出各支座上的反力及其指定截面上的彎矩、剪力、擾度和轉(zhuǎn)角等參數(shù)。其主要內(nèi)容和步驟可概括如下：

1）進行軸系各結(jié)構(gòu)要素的處理、建立軸系計算的物理模型；

2）計算按直線校中時軸系各支座處的彎矩、剪力、擾度及截面轉(zhuǎn)角；

3）計算能表征軸承負荷與位移關(guān)系的軸承負荷影響系數(shù)；

4）根據(jù)給定的約束條件，用線型規(guī)劃法或試湊法確定軸承的合理偏移量；

5）根據(jù)軸承偏移量及軸承負荷影響系數(shù)求出軸承上的實際負荷；

6）根據(jù)軸承合理偏移量，計算軸系有關(guān)連接法蘭上的開口和偏移值；

7）計算當采用頂舉法檢驗軸承負荷時的軸承負荷頂舉系數(shù)。

1.3 合理校中的主要特點

與直線校中相比，合理校中可以對多種軸系可能運行的狀態(tài)進行計算。一般，軸系合理校中是以熱態(tài)結(jié)果滿足衡準為基礎(chǔ)，并根據(jù)軸承相應(yīng)的變位值以及外力的變化情況，完成冷態(tài)及安裝狀態(tài)的計算。如今，越來越多的船級社要求在校中計算時考慮軸系運轉(zhuǎn)狀態(tài)即動態(tài)工況的結(jié)果。而隨著研究的深入，船體裝載變形對軸系的影響也開始倍受關(guān)注。

不僅如此，合理校中計算在船舶軸系設(shè)計階段便已介入，成為軸系設(shè)計工作的重要一環(huán)，實現(xiàn)了軸系設(shè)計與軸系校中的緊密結(jié)合（設(shè)計、工藝一體化），故能較好地改善軸系各個軸承（尤其是支撐螺旋槳的軸承和減速齒輪軸軸承）負荷的狀況，提高軸系的運轉(zhuǎn)質(zhì)量。

軸系合理校中計算也是一個最優(yōu)化問題，其計算結(jié)果不是唯一確定的，只要符合相應(yīng)的約束條件，都可以認為是合理的。對于某些特殊的項目，在船廠完成對軸系的安裝后，根據(jù)實際測得的各個軸承的載荷，通過軟件模擬還原各個軸承的位置，并符合相應(yīng)的約束條件，這樣的方法也是適用的。

1.4 合理校中的施工方法

因缺乏足夠準確可靠的測量手段，很難直接調(diào)整軸承的偏移量，使軸承的位置精確滿足計算的要求，所以根據(jù)校中計算所給出的各連接法蘭上的開口和偏移值進行軸系校中，是目前最常用的方法。

當各軸在未連接的狀態(tài)下放置于相應(yīng)的軸承和臨時支撐上時，兩個法蘭間的開口和偏移值是一定的并可以通過計算得到。反之，當尾軸包括尾管前、后軸承的位置確定以后，將開口和偏移值調(diào)整至計算得到的相應(yīng)數(shù)值，所對應(yīng)得到的中間軸包括軸承和臨時支撐位置便是計算所要求的位置。同樣，主機或齒輪箱的位置也可通過開口和偏移值確定。

2 軸系安裝的主要步驟和過程

船舶軸系安裝的工藝過程與所采用的軸系校中方法密切相關(guān)，并與船體建造工藝、軸系結(jié)構(gòu)、船舶噸位以及船廠設(shè)備都有關(guān)。但就安裝工程的主要工作內(nèi)容進行的順序而論，還是具有一定的規(guī)律性。下文便以79800 DWT雙殼散貨船為例，簡單介紹開口偏移法校中的主要步驟和過程。

2.1 79800 DWT雙殼散貨船軸系的構(gòu)成

如圖1所示，79800 DWT雙殼散貨船使用的主機為MAN B&W 7S50MC-C，最大輸出功率11620 kW×127 r/min。整個軸系主要由一根直徑約460 mm的中間軸，一根直徑約540 mm的尾軸，一個尾管后軸承和一個中間軸承組成，整個軸系位于船中水平位置。需要特別指出的是，根據(jù)主機廠提供的校中計算結(jié)果，該船沒有設(shè)置尾管前軸承。

2.2 下水前軸系的安裝

2.2.1 確定軸系理論中心線

1）基線的確定

如圖2所示，在-5#-500處設(shè)立光靶A，將其固定在合攏中心線上，且與水平面的夾角為（90°+β）。再將激光儀置于0號肋位處，其重錘與船體合攏中心線相交，激光儀的軸線位于船體的中縱剖面上，并向船首方向射出一與水平線成β仰角的光束。在18號至36號肋位間的中龍筋外板處，選定6～8點，測量上述選定各點與光束之間的距離。各點距離與相應(yīng)板厚的和為m，各m值總和的平均值為M。由此可確定基線就位于該光束上方M處的平行線上。

2）軸系理論中心線的確定

將激光儀光束投到尾柱端面上，在其豎直方向上選定兩點，并打好記號B、C。復(fù)位激光儀使其與基線平行，再將激光儀翻轉(zhuǎn)180°，將光束投在光靶Ⅰ上，從光點向上量?。∕+3600）mm，設(shè)此點為 A，打好樣沖標記。由A、B、C可確定船體理論縱中心面。

將激光儀置于機艙內(nèi)的16號肋位處附近。調(diào)整光束，使其通過B，C連線，光點與A點重合，光束與水平線成β俯角。再將光束翻轉(zhuǎn)180°，光點交于31號肋位處附近的光靶Ⅱ，確定D點，打好樣沖標記。A、D連線即為軸系理論中心線。

圖1 79800 DWT雙殼散貨船軸系布置圖

圖2 軸系拉線（照光）示意圖

2.2.2 尾軸管鏜孔

1）檢查照光確定的軸中心線與主機基座面板和中間軸承機座相對位置是否適宜，即確保加工后，留有足夠的主機環(huán)氧安裝厚度和中間軸承墊塊厚度。

2）按照光結(jié)果確定尾管鏜孔中心，在尾管轂的后和前端面按加工尺寸劃出加工圓，并打好樣沖眼，表示鏜孔后加工的尺寸，經(jīng)船東檢驗確認后作為鏜孔基準。同時劃出一個比加工圓大20 mm～30 mm的同心圓，作為鏜孔后檢驗標記。

3）安裝并調(diào)整鏜孔機械,對照尾管轂前后端面加工圓樣沖標記點校中，然后調(diào)整校中鏜桿，船東、船級社現(xiàn)場確認后，進行鏜孔。鏜孔時應(yīng)先進行粗鏜孔，待切削余量較小時進行精鏜孔。精鏜孔時，必須對鏜排中心再一次校中，使鏜排中心和檢驗圓中心重合。精鏜須一次鏜出，不允許接刀。

4）對鏜孔結(jié)果進行測量并做好記錄。

5）根據(jù)尾管鏜孔后的實際尺寸以及圖紙上過盈量等加工要求來加工軸承外圓，并進行軸承的壓裝。

2.2.3 尾軸及螺旋槳的安裝

1）將尾軸從機艙緩慢放入尾管內(nèi)，調(diào)整軸向位置，使尾柱端面與尾軸末端的距離為1822 mm。

2）按校中計算書的要求，在距離尾軸法蘭前端面向尾150 mm的位置布置臨時支撐，并在距尾軸法蘭端面正中處垂直下壓5 t(49 kN)的力。

3）安裝首尾密封裝置。

4）安裝無鍵連接螺旋槳。

5）調(diào)整臨時支撐，使尾管前端處與尾軸的四周距離相等，尾管后端面與尾軸左右間隙相等，并記錄。

2.2.4 中間軸、主機初步定位并進行下水前固定。

2.3 下水后軸系的安裝

2.3.1 軸系校中

1）拆除下水前用于固定螺旋槳、尾軸、中間軸的固定裝置，保留校中計算書中要求的臨時支撐以及在距尾軸法蘭端面正中處垂直下壓的力。注意尾管前端處與尾軸的四周距離監(jiān)測，以防止尾軸中心左右偏移。檢查螺旋槳的浸沒狀態(tài)，不同的浸沒狀態(tài)將對應(yīng)校中計算書中不同的計算結(jié)果。

2）根據(jù)校中計算書的結(jié)果，調(diào)整中間軸的狀態(tài)，使尾軸前端法蘭與中間軸尾端法蘭在左、右方向偏移值為 0±0.05 mm，曲折值為 0±0.05 mm；豎直方向上的偏移為 0.35 mm±0.1 mm， 曲折為 0.1 mm±0.1 mm。使中間軸前端法蘭與主機輸出端法蘭在左、右方向上偏移值為 0±0.05 mm，曲折值為 0±0.05 mm；豎直方向上的偏移為 1.11 mm±0.1 mm， 曲折為 0.1 mm±0.1 mm。主機的調(diào)整過程中需兼顧主機狀態(tài)的測量和調(diào)整，例如機座扭曲度和水平撓度、拐擋差和主軸承間隙等。

3）檢查連接螺栓和鉸制孔的配合尺寸是否符合圖紙的要求，然后用液氮冷凍法安裝鉸制孔螺栓（注意螺栓的序號，并用丙酮清洗，不得涂滑油），待螺栓溫度恢復(fù)到常溫后用扭力扳手對角擰緊，并向船東、船級社報驗。

4）拆除臨時支撐及尾軸法蘭端面的附加外力，并對主機拐擋等進行復(fù)查。

2.3.2 頂舉法檢驗軸承負荷

1）根據(jù)校中計算書的位置設(shè)置千斤頂和百分表。

2）中間軸承負荷的測量。記錄千斤頂壓力每升高1 MPa相應(yīng)百分表的讀數(shù)，直至軸升高到約0.5 mm～0.6 mm，然后緩慢釋放壓力，記錄千斤頂壓力每下降1 MPa相應(yīng)百分表的讀數(shù)，直至油壓為0。

3）繪制壓力與軸位移量的關(guān)系。見圖3，延長圖中ab和cd直線交橫坐標于P2和P1，按公式計算軸承負荷：Ra=（Pj×S×C）/1000 kN；Pj=（P1+P2）/2 MPa；C為修正系數(shù)，由校中計算書根據(jù)頂舉的位置給出；S為活塞面積mm2。

4）利用相似方法，測量主機輸出端最后3個軸承的負荷。最終的測量結(jié)果應(yīng)在計算結(jié)果的±20%誤差范圍以內(nèi)，并向船東、船級社報驗。

圖3 千斤頂壓力與軸升高度對照曲線

2.3.3 中間軸承安裝固定。

2.3.4 主機環(huán)氧墊塊澆注并完成安裝。

2.3.5 試航過程中對軸承的熱態(tài)負荷進行檢驗。

3 結(jié)語

由于本文主要介紹軸系合理校中的原理及應(yīng)用，故在介紹軸系安裝的過程中，省略了一些內(nèi)容，例如螺旋槳的安裝、各個步驟中的復(fù)檢等。

采用合理校中的方法，雖然對校中計算提出了更高的要求，計算的內(nèi)容也比采用直線校中的方法多了許多。但正是由于計算過程中已經(jīng)考慮了施工的工藝，使得整個軸系安裝、校中的過程相對簡便的。尤其對于大型船舶的短軸系，只要在施工過程中嚴格控制誤差，結(jié)果一般是令人滿意的。

［1］周繼良、周鴻鈞.船舶軸系校中原理及其應(yīng)用［M］.人民交通出版社.1985.

［2］船上振動控制指南［M］.中國船級社.2000.

［3］Shaft Alignment［M］.英國勞氏船級社.2006.