某海洋工程船推進軸系校中與安裝分析

高亞坤，周瑞平，匡治國

(1.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430063;2.中國外運長航集團青山船廠，湖北 武漢 430082)

軸系的可靠運轉(zhuǎn)是船舶安全運行的保障，而軸系安裝及校中質(zhì)量的好壞，對軸系及主機正常運轉(zhuǎn)以及對減少船體振動有著重要的影響。特別是對于一些特殊結(jié)構(gòu)的推進軸系，其校中和傳動設(shè)備的安裝應(yīng)考慮更多因素的影響，加大了校中的敏感性和安裝的難度。

1 軸系基本構(gòu)成

船舶推進軸系是用于將主機的功率傳遞到推進器，并將推進器的推力傳遞到船體，使船舶運動。本船推進軸系為雙機雙槳柴油機推進，其推進軸系布置如圖1所示。

主機為 G16V300ZC20B/G16V300ZC21B，主機自由端帶軸帶發(fā)電機PTO，經(jīng)增速齒輪箱驅(qū)動左右舷消防泵。本船有2套軸系，每套軸系由中間軸、中間軸承、尾軸、隔艙密封、尾軸前后軸承、尾管前后密封裝置和調(diào)距槳裝置組成，并設(shè)有軸系接地裝置，尾軸與中間軸由輸入輸出軸偏心變向且不可逆轉(zhuǎn)離合減速齒輪箱連接。兩軸系左右平行布置，且與船體中心線水平平行。螺旋槳位于Fr3+300 mm處，減速齒輪箱位于Fr23－175 mm處，主機位于Fr69－130 mm處，減速齒輪箱至螺旋槳距船體中心線(4200±3)mm，對外消防泵至減速齒輪箱距船體中心線(3450±3)mm。

圖1 軸系布置圖

2 軸系的特點

由于該船的特殊布置，主機與螺旋槳之間的距離很遠，軸系長度接近40 m，很容易受船體變形的影響，造成推進軸系工作的不可靠。如果采用傳統(tǒng)的推進軸系布置方式，低速軸的直徑較大，所以成本會很高，功率損失較大;同時，由于軸系很長，容易產(chǎn)生很大的撓度，對回旋振動造成不利影響。再者，較長的螺旋槳軸系很有可能造成螺距控制過程中伺服油的壓縮，將齒輪箱布置到靠近螺旋槳可以允許選擇一個相對簡單的螺旋槳伺服系統(tǒng)，從而減小伺服油壓縮造成的振動和波動。因此，該推進軸系采用了低速軸段與高速軸段相結(jié)合的推進方式。

低速軸段是指從尾軸到齒輪箱輸出端的部分，尾軸由前后軸承支承，采用油潤滑。

高速軸段是指從齒輪箱輸入軸到柴油機輸出法蘭部分，包括5個中間軸，由2個膜片聯(lián)軸器分別連接減速齒輪箱和中間軸，1個高彈聯(lián)軸器連接中間軸和主機，并由7個剖分式軸承支承，結(jié)構(gòu)見圖2。

推進軸系布置高速軸有以下優(yōu)點:

(1)能很好的適應(yīng)能效設(shè)計指數(shù)EEDI的要求。根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》對軸系的要求進行計算，得出高速軸的軸徑是推力軸的軸徑的一半左右，并且能夠傳遞同樣功率。因此，采用高速軸大大降低了原材料的使用，同時降低船舶重量，減少了船舶對推進動力的需求，從而達到環(huán)保節(jié)能的目的。

(2)能有效提高調(diào)距槳螺距控制的精確度。調(diào)距槳變距機構(gòu)是采用閉環(huán)反饋，利用中空軸中內(nèi)外油管液壓油的變化控制槳轂內(nèi)的操縱機構(gòu)來反饋螺旋槳的實際螺距。當液壓裝置運行一段時間后，液壓油溫度會升高，軸內(nèi)油管和中空軸的膨脹量不相同，造成反饋不準確。當軸內(nèi)油管和中空軸長度較短時，這種溫度引起的膨脹量的差距就變小，從而提高了螺距的控制精度和穩(wěn)定度。

(3)對船體變形有很好的適應(yīng)性。船舶在滿載和空載時船體中垂和中拱變化很大，高速軸系采用彈性聯(lián)軸器連接，能很好的適應(yīng)船舶裝載的變化，補償軸系徑向和軸向位移。

3 軸系校中計算

為了保證軸系各軸段內(nèi)的應(yīng)力和軸承上的負荷均在允許范圍之內(nèi)，使軸系及與之連接的機械如主機曲軸、齒輪箱等能持續(xù)正常的運轉(zhuǎn)，在軸系安裝之前，需要進行軸系的校中計算。

3.1 低速軸的校中計算

低速軸段是尾軸到齒輪箱輸出軸的軸段，在計算之前對該軸段進行建模，將軸段劃分為41個截面。對軸系進行合理校中，計算結(jié)果見表1。由表中數(shù)據(jù)可見，冷態(tài)時齒輪箱前后軸承的反力差過大，因此需要對該低速軸系進行動態(tài)校中計算，計算結(jié)果見表2。齒輪箱廠家在進行齒輪箱設(shè)計時已計入了齒輪力的影響，齒輪箱齒輪軸瓦的分界面按動態(tài)合力確定后，兩軸承校中反力差可不受總重20%的限制。即使前后軸承校中反力差大大超過20%，但對動態(tài)合力及作用角影響很小，所以仍然是安全的。

表1 合理校中計算結(jié)果

表2 全負荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)校中計算結(jié)果

3.2 高速軸的校中計算

在高速軸上采用膜片聯(lián)軸器SX410－6連接各軸段，采用高彈聯(lián)軸器RATO－S3310連接主機與中間軸，作為彈性元件，對膜片聯(lián)軸器和高彈聯(lián)軸器的建模要進行一些簡化處理:取軸系極限狀態(tài)，忽略膜片聯(lián)軸器彈性部分，將其作為剛性元件處理。安裝狀態(tài)計算時，2個半聯(lián)軸器分別屬于各自相連的中間軸，過渡法蘭和金屬膜片組密度取0;高彈聯(lián)軸器作為質(zhì)量單元分為3個獨立的部分，一部分連接中間軸，一部分連接主機，中間的彈性部分密度取0。

在高速軸的校中計算中，需要考慮齒輪箱輸入軸的熱膨脹量(根據(jù)公式計算得到環(huán)境溫度25℃時的熱膨脹量為0.1512 mm)的影響，計算結(jié)果見表3。將齒輪箱輸入軸前后軸承的連線及延長線作為理論中心線，其他軸承位于理論中心線上，對高速軸進行直線校中，由表3可見，冷態(tài)時各軸承受力均勻，但在熱態(tài)時，各軸承負荷不均，齒輪箱后軸承處產(chǎn)生負的支反力，容易造成齒輪箱的損壞，不滿足校中計算規(guī)范要求。

因此，需要對高速軸系進行合理校中，將齒輪箱輸入軸前后軸承的連線及延長線作為理論中心線，其他軸承高于理論中心線0.1512 mm，進行高速軸的合理校中。各軸承變位值見表3。合理的校中，可以保證熱態(tài)時各軸承負荷均勻。

表3 高速軸校中計算結(jié)果

4 軸系安裝工藝分析

船舶推進軸系的安裝過程一般包括軸系拉線、螺旋槳尾軸及密封裝置的安裝、齒輪箱安裝、高速軸的連接及軸承的安裝等。在軸系安裝之前，要保證主機、齒輪箱、軸帶發(fā)電機組、消防泵組及中間軸承以及其他重大設(shè)備已按吊運要求吊運入艙，船舶結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定且盡可能均勻。

4.1 軸系的拉線

本軸系的低速軸段和高速軸段由減速齒輪箱連接，減速齒輪箱的輸入輸出軸有偏置中心距。在拉線時除了尾軸軸系中心線外，還要注意主機機座中心線，以檢查對外消防泵組、主機、中間軸承與減速齒輪箱的中心線與設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系。左右舷軸系應(yīng)同時進行，兩中心線應(yīng)在同一平面上，且相互平行，在水平方向上平行于船體中心線。

4.2 低速軸的安裝

在軸系拉線完成之后，進行船臺鏜孔定位，使人字架、尾柱、槳轂、軸承等部件上的孔與軸系中心線重合，以保證裝入尾軸管的中心與軸系中線重合。

在確定尾管前后軸承中心位置、船臺鏜孔完成之后，進行該軸段的安裝，包括尾管前后軸承的安裝、尾軸密封裝置及螺旋槳裝置的安裝等。尾軸管軸承可在車間里預(yù)先裝入尾軸管內(nèi)，也可以在尾軸管裝入船體之后再裝入。采用液壓千斤頂從尾軸管端面施加力壓入或大錘錘擊的方法將尾軸管插入船體轂孔，將尾管前后軸承放在軸系的理論中心線上，用螺母鎖緊。裝好尾軸管后將尾軸插入，用長塞尺測量尾軸與尾軸管軸承的左右及下部間隙;最后安裝密封裝置、螺旋槳和液壓聯(lián)軸器。根據(jù)表2中的低速軸系校中的結(jié)果，使齒輪箱輸入軸的前后軸承分別比軸系的理論中心線向下1.58 mm。在尾軸上放置臨時支撐T.S，如圖3所示，調(diào)節(jié)臨時支撐的垂向位移，使尾軸右法蘭與齒輪箱輸出法蘭間的偏移為0.0218 mm(即尾軸法蘭高于齒輪箱輸出軸法蘭)和曲折0.1528 mm(即法蘭開口向下)。連接尾軸法蘭和齒輪箱輸出法蘭，移開臨時支撐，完成螺旋槳到齒輪箱的安裝。

4.3 齒輪箱的安裝

推進軸系的校中按低速軸和高速軸的校中分別進行。為了保證各個軸段最佳的受力狀態(tài)，齒輪箱的輸入軸與輸出軸軸承具有不同的變位值，其值分別見表2和表3。在齒輪箱定位時，要考慮輸出軸與輸入軸軸承不同的變位值安裝齒輪箱，以保證軸系合理的受力狀態(tài)。

齒輪箱輸出軸的變位在低速軸的安裝中已完成，輸入軸的前后軸承的位置根據(jù)高速軸段的校中計算結(jié)果確定，見表3，將齒輪箱輸入軸的前后軸承放在軸系的理論中心線上，根據(jù)法蘭的偏移和曲折對齒輪箱進行定位，最后固定齒輪箱。

圖3 軸系布置簡圖

(1)按要求對齒輪箱鉸孔螺栓進行鉸孔并實測鉸制孔，然后進行相配螺栓的車配，相對應(yīng)的螺栓應(yīng)作相應(yīng)的標記一一對應(yīng)。

(2)按要求進行環(huán)氧樹脂澆鑄，澆鑄前所有螺栓和與環(huán)氧樹脂接觸面應(yīng)涂脫模劑。

(3)環(huán)氧樹脂固化后按安裝要求對螺栓扭緊。

(4)按齒輪箱安裝圖的要求進行對角固定和安裝定位銷。

4.4 高速軸的安裝

在船舶航行過程中，受風(fēng)浪、載荷等情況的影響，船體會產(chǎn)生變形。而高速軸位于船體中垂和中拱變形較大的位置，為避免船體變形對軸承受力和性能的影響，在高速軸上采用cooper剖分式滾動軸承支撐;高速軸只傳遞扭矩，不承受螺旋槳的推力;同時，在軸系中使用膜片聯(lián)軸器，并將膜片聯(lián)軸器置于軸系撓度變形最大的地方，以便軸系校中時進行一定的角度補償。高速軸通過高彈聯(lián)軸器RATOS3310與主機連接，能夠補償運轉(zhuǎn)過程中的徑向、軸向和角向位移，通過受剪切的橡膠元件傳遞扭矩，調(diào)節(jié)軸系振動頻率，降低軸系的扭振應(yīng)力，并在低載荷、正常載荷以及倒車等各種工況變化時，避免軸系承受沖擊載荷。

在軸系安裝時需要考慮膜片聯(lián)軸器在安裝時的特殊性，將高速軸按以下步驟進行安裝:

(1)將齒輪箱輸入軸支承軸承即軸系中1號～2號軸承所在的直線及延長線作為軸系的理論中心線(即通過1號～2號軸承的直線作為參考線)。

(2)用激光校準儀確定3號～9號滾動軸承垂向位置，將其放在比理論中心線高0.1512 mm的直線上。

(3)將膜片聯(lián)軸器SX410－6的半聯(lián)軸器分別安裝在齒輪箱輸入軸端、1號中間軸左端、3號中間軸右端、4號中間軸左端。

(4)按圖4 放置臨時支撐 T.S1、T.S2，調(diào)節(jié)臨時支撐T.S1和 T.S2的垂向位移，使其負荷分別為4.673 kN和3.435 kN，使1號中間軸右法蘭和2號中間軸左法蘭間的偏移(SAG)為0.2735 mm(1號中間軸右法蘭高于2號中間軸左法蘭)，曲折(或開口GAP)為0.0293 mm(法蘭開口向上);使2號中間軸右法蘭和3號中間軸左法蘭間的偏移(SAG)為0.0122 mm(2號中間軸右法蘭高于3號中間軸左法蘭)，曲折(或開口 GAP)為0.0753 mm(法蘭開口向下)，安裝時法蘭偏移和曲折的允差分別為±0.08 mm和±0.05 mm。連接1號中間軸、2號中間軸和3號中間軸，移開 T.S1和 TS2。圖4中，SAG為偏移值，GAP為曲折值。

(5)按圖5放置臨時支撐T.S3，調(diào)節(jié)T.S3的垂向位移，使T.S3的負荷為4.953 kN，4號中間軸右法蘭和5號中間軸左法蘭間的偏移(SAG)為0.1120 mm(4號中間軸右法蘭高于5號中間軸左法蘭)，曲折(或開口GAP)為0.1774 mm(法蘭開口向上)。連接4號中間軸和5號中間軸，移開T.S3。

(6)按圖6，軸承5和軸承8下移，使其完全與軸分離，調(diào)整3號、6號和7號軸承，使齒輪箱輸入軸半聯(lián)軸器與1號、3號與4號中間軸半聯(lián)軸器的曲折偏移分別滿足圖6中的要求，按膜片聯(lián)軸器安裝指南連接齒輪箱輸入軸與1號、3號與4號中間軸。膜片聯(lián)軸器的偏移和曲折示意圖見圖7(1)。

(7)分別在5號軸承和8號軸承正上方的軸上放置千分表，調(diào)整5號軸承的垂向位置，使其上抬4.4472 mm，調(diào)整8號軸承的垂向位置，使其上抬13.1922 mm。

(8)調(diào)節(jié)主機的垂向位置，使5號中間軸前法蘭與主機輸出法蘭間的偏移和曲折滿足校中計算的要求，按照彈性聯(lián)軸器安裝指南連接5號中間軸與主機。彈性聯(lián)軸器的偏移和曲折圖見圖7(2)。

4.5 安裝檢驗

安裝軸系后，如圖8所示，移走所有的臨時支撐，依次在2748 mm處(距第1號膜片聯(lián)軸器右法蘭面910 mm)、6279 mm處(距1號中間軸右法蘭面1144.5 mm)、10788 mm處(距2號中間軸右法蘭面1035.5 mm)、14079 mm處(距3號中間軸左法蘭面2255.5 mm)、16359 mm處(距第2號膜片聯(lián)軸器右法蘭面965.5 mm)、20988 mm處(距4號中間軸右法蘭面695.5 mm)以及25793.5 mm(距5號中間軸右法蘭面310 mm)處放置千斤頂，依次檢驗3號至9號中間軸承的受力情況，確認軸系的安裝情況。

5 結(jié)語

通過本文的研究，將軸系看作低速軸和高速軸的組合，低速軸承受螺旋槳產(chǎn)生的推力和扭矩，高速軸將主機的功率傳遞給齒輪箱，具有適應(yīng)能效設(shè)計指數(shù)EEDI要求，提高螺旋槳螺距控制的精度，適應(yīng)船體變形要求等優(yōu)點。由于其在校中和布置方面的特點，使用了膜片聯(lián)軸器、高彈聯(lián)軸器、cooper剖分式軸承等設(shè)備，與常規(guī)船舶軸系相比，在軸系的安裝和運行過程中，也將產(chǎn)生其特殊性。該軸系的布置設(shè)計已在實船上應(yīng)用，并取得了很好的效果。國外船舶推進系統(tǒng)采用高速軸的設(shè)計已比較普遍，但國內(nèi)的應(yīng)用仍然較少，隨著船舶推進系統(tǒng)的發(fā)展和高速軸系研究的深入，其應(yīng)用必將越來越廣泛。

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