艉機(jī)艙推進(jìn)軸系單艉管軸承布置方案初探

王萬華

(太平洋造船集團(tuán)上海臻元船舶科技有限公司，上海 200052)

對于艉機(jī)型推進(jìn)軸系的艉管，通常有兩種布置方式。一種是帶有前、后軸承的雙艉管軸承布置方式，另一種是帶有后軸承的單艉管軸承方式。以往的船舶設(shè)計大多采用了雙艉管軸承的布置。

隨著船舶建造向大型化的發(fā)展，船舶軸系有向短粗型發(fā)展的趨勢，軸系剛度增大，船體在軸承處較小的變形會引起較大的軸承反力變化。同時，由于船體尺度變大，船體剛性減小，在不同裝載工況下，船體的相對變形增大，軸系與船體的協(xié)調(diào)性變差。上述因素增加了軸系設(shè)計的難度，促使技術(shù)人員不斷地進(jìn)行研究。

在軸系設(shè)計過程中，減少軸系的軸承數(shù)量可以減小軸系剛度，增加軸系的柔度，從而改善軸系與船體的協(xié)調(diào)性，減小建造過程中的安裝誤差以及船體變形對軸系的影響。因而單艉管軸承的設(shè)計方案逐漸引起了人們的廣泛重視。

下面以某28 000 t散貨船為例，對O型、A型和B型三種軸系設(shè)計方案進(jìn)行詳細(xì)的分析。

1 軸承負(fù)荷影響系數(shù)

在該船型中，原有的設(shè)計采用雙艉管軸承方案，其軸系校中計算模型如圖1所示，此軸系簡稱為軸系O。

對于該軸系，縮聚后的軸承負(fù)荷影響系數(shù)如表1所示。

圖1 軸系O的校中計算模型

表1 軸系O軸承負(fù)荷影響系數(shù)的縮聚矩陣 單位：kN

將原有設(shè)計中的艉管前軸承去掉，相應(yīng)的軸系簡稱為軸系A(chǔ)，其校中計算模型如圖2所示。

它的軸承負(fù)荷影響系數(shù)的縮聚矩陣見表2。

建筑室內(nèi)排水管道設(shè)計工作往往會受到技術(shù)人員專業(yè)能力不足或者建筑自身因素，而出現(xiàn)設(shè)計不合理問題。舉例而言，如果排水管道管徑設(shè)計未能達(dá)標(biāo)，在排水過程中就很容易出現(xiàn)嚴(yán)重的堵塞問題。且一旦出現(xiàn)堵塞問題，一時之間難以維修到最初效果，且維修成本較高，會給建筑單位帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[3]。

表2 軸系A(chǔ)軸承負(fù)荷影響系數(shù)的縮聚矩陣單位：kN

將表1和表2進(jìn)行比較，可以看出，去掉艉管前軸承以后，軸承高度變化對軸承負(fù)荷的影響變小。為了防止前密封漏油，在實(shí)船設(shè)計中常常將中間軸承后移。為此，將軸系A(chǔ)的中間軸承后移2個肋位，即后移1 580 mm。中間軸承后移之后的軸系簡稱為軸系B。它的校中計算模型如圖3所示。

圖3 軸系B的校中計算模型

軸系B的軸承負(fù)荷影響系數(shù)的縮聚矩陣如表3所示。

表3 軸系B軸承負(fù)荷影響系數(shù)的縮聚矩陣單位：kN

比較表3和表2可以看出，中間軸承后移以后，軸承高度變化對軸承負(fù)荷的影響進(jìn)一步減小，軸承反力對軸承位置變化的敏感性進(jìn)一步降低。采用這一方案后，施工誤差以及船體變形對軸承負(fù)荷的影響比較小，可以提高船舶建造的生產(chǎn)效率，提升船舶的性能。

2 后軸承的斜鏜孔

對于原有設(shè)計軸系O，熱態(tài)時的計算結(jié)果如表4所示。

表4 軸系O的熱態(tài)計算簡表

表4中的節(jié)點(diǎn)AA是尾管前端面的位置。

從表4可以看出，在艉管后軸承（ASB）支點(diǎn)處，軸的斜率為6.74 E-04，即0.674 mm/m，大于CCS規(guī)定的0.35 mm/m，因而需要斜鏜孔。原有設(shè)計采用了0.5 mm/m傾斜角度。

由表5可以看出，在艉管后軸承（ASB）支點(diǎn)處，軸的斜率為1.43 E-04，大大小于CCS規(guī)定的0.35 mm/m，所以不需要斜鏜孔。但是在艉管前端面（AA）處，軸的撓度為-2.45 mm，需要加以注意。

3 無艉管前軸承軸系的兩種校中計算方案

在進(jìn)行這類軸系校中計算時，有兩種方案可以選擇。

表5 軸系B的熱態(tài)計算簡表

3.1 保證熱態(tài)時艉管前端面處軸的撓度基本為零

采用這種方案，計算時要保證軸的中心與前密封橡膠圈的中心基本保持同心，以確保密封的正常工作。很多情況下，如果螺旋槳比較重，也需要對后軸承進(jìn)行斜鏜孔（和雙艉管軸承布置的方案一樣）。目前，國內(nèi)外主機(jī)廠提供的校中計算較多采用這一方案。

作者在2008年以前也采用這種方案，并在論文中強(qiáng)調(diào)：無艉管前軸承的軸系，校中“計算時要控制艉管前密封處軸的撓度，防止漏油”[6]。

如果軸系B用這種方法的話，艉管后軸承也需要進(jìn)行斜鏜孔。因?yàn)槠邢蓿嬎惚聿挥枇谐觥?/p>

3.2 艉管的后軸承不采用斜鏜孔

如果采用類似表5的方案，不需要斜鏜孔，但是必須對前密封加以處理。

在表5中，第14節(jié)點(diǎn)是艉管的前端面位置，軸段在此處的撓度是-2.45 mm。這時軸的中心比密封的中心低2.45 mm。如果采用端面密封，當(dāng)然沒有問題。若采用唇式密封，則需要保證艉軸前密封與軸的同心。所以可以考慮選用以下幾種解決方式：

(1)偏心的唇式前密封

根據(jù)校中計算的結(jié)果，在訂貨前確定前密封的偏心數(shù)據(jù)，供密封廠商進(jìn)行設(shè)計與加工。圖4所示之偏心的唇式前密封，是某船在訂貨時提給供應(yīng)商的示意圖。該密封已在船上使用多年，效果良好。

(2)艉管前密封座的偏心設(shè)計

在軸系設(shè)計中，確定前密封座與艉管中心線的偏移量，如圖5所示。這是某船艉管中實(shí)際使用的工作圖的一部分。

圖6是這種前密封座的示意圖。ФB用于前密封的定位。ФA的中心線與艉管中心線重合，它的寬度必須足以安放照光的光靶支架。ФA與ФB的偏心值應(yīng)該滿足校中計算的要求。

(3)偏心的過渡法蘭

在艉管與前密封之間加一個偏心的過渡法蘭，以保證艉管前密封與軸的同心度。

(4)采用端面密封

當(dāng)（艉管前端面處）軸的中心與艉管中心線偏離時，從適應(yīng)偏心的角度來講，這種密封是最佳的選擇。

某船原設(shè)計采用普通唇式前密封，試航時發(fā)生嚴(yán)重的漏油故障，而且密封損壞。更換端面密封后，情況良好。

圖4 偏心的艉管前密封訂貨簡圖

圖5 艉管前密封座的偏心設(shè)計簡圖

圖6 艉管前密封座偏心設(shè)計的示意圖

4 結(jié)語

綜合以上分析可以看出，采用單艉管軸承設(shè)計方案可以減小建造誤差以及船體變形對軸承負(fù)荷的影響，改善了軸系性能。尤其是對短粗型軸系，此方案具有明顯的優(yōu)勢。在軸系設(shè)計與安裝過程中，需要采取一定的措施以防止前密封出現(xiàn)泄漏。

[1]John D Reeves and Vlahopoulos:Optimized alignment of a uscg polar class ice breaker wing shaft using a distributed bearing finite-elementmodel[J].Marine Technology Vol.36,No.4 1999:238-247.

[2]周繼良，鄒鴻鈞.船舶軸系校中原理及應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社，1985.

[3]許運(yùn)秀.主推進(jìn)軸系校中狀況分析與對策(上)[J].中國船檢，2008(1)：90-92.

[4]許運(yùn)秀.主推進(jìn)軸系校中狀況分析與對策(中)[J].中國船檢 2008(12)：87-88.

[5]許運(yùn)秀.主推進(jìn)軸系校中狀況分析與對策(下)[J].中國船檢，2009(1)：96-97.

[6]王萬華，孫遜.船舶推進(jìn)軸系校中計算簡介和幾個實(shí)際問題［C］.上海：滬東中華造船（集團(tuán)）科協(xié)，第二屆年會論文集，2003：53-56.