環(huán)境溫度對軸系校中計(jì)算的影響初探

錢 程， 李 巖， 夏應(yīng)應(yīng)

(上海外高橋船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院， 上海 200136)

環(huán)境溫度對軸系校中計(jì)算的影響初探

錢 程， 李 巖， 夏應(yīng)應(yīng)

(上海外高橋船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院， 上海 200136)

通常軸系校中計(jì)算中冷態(tài)和安裝狀態(tài)設(shè)定的環(huán)境溫度均為定值，而實(shí)船軸系校中過程中環(huán)境溫度是變化的，如果僅僅在某一冷態(tài)設(shè)定溫度下做校中計(jì)算，必然會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場的實(shí)際校中出現(xiàn)偏差，因此研究環(huán)境溫度的變化對軸系校中計(jì)算結(jié)果的影響就很有必要。

軸系 校中計(jì)算 環(huán)境溫度 軸承負(fù)荷

1 前言

軸系校中就是按校中計(jì)算的要求和方法，將軸系裝成某種狀態(tài)(直線或曲線)，處于這種狀態(tài)的軸系，其各軸段內(nèi)的應(yīng)力和各軸承上的負(fù)荷均應(yīng)處在允許范圍內(nèi)，或具有最佳的數(shù)值，以保證軸系及與之相連接的機(jī)械(如主機(jī)曲軸、齒輪箱等)能持續(xù)正常的運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)船校中過程中，溫度的影響不僅包括主機(jī)熱態(tài)軸承本身的升高，還包括機(jī)艙內(nèi)部環(huán)境溫度的變化，在校中計(jì)算中，我們設(shè)定冷態(tài)和安裝狀態(tài)的環(huán)境溫度為20℃，而實(shí)際的環(huán)境溫度是變化的，如果用20℃下的校中計(jì)算數(shù)據(jù)來校中實(shí)際環(huán)境溫度下的軸系，勢必會(huì)給實(shí)船軸系校中安裝帶來一定的誤差。

本文以某船廠制造的某大型油輪(主機(jī)來自韓國現(xiàn)代)其軸系作為合理校中的計(jì)算模型(見圖1)，計(jì)算軟件采用DNV軸系校中計(jì)算軟件NAUTICUS。其中，冷態(tài)和安裝狀態(tài)螺旋槳為半浸沒，熱態(tài)螺旋槳為全浸沒，計(jì)算出不同環(huán)境溫度下的軸系校中計(jì)算數(shù)據(jù)，進(jìn)而來探討環(huán)境溫度對軸系校中計(jì)算的影響。

圖1 軸系合理校中計(jì)算模型

2 軸承變位值

軸承變位值以韓國現(xiàn)代軸系校中計(jì)算中的變位值為準(zhǔn)，其中熱態(tài)的中間軸承的溫度為35℃，主機(jī)軸承的溫度為55℃。在熱態(tài)計(jì)算結(jié)果滿足軸系校中計(jì)算衡準(zhǔn)要求下，根據(jù)韓國現(xiàn)代提供的中間軸承和主機(jī)軸承的線型膨脹數(shù)據(jù)，從而分別推算出0℃、10℃、20℃和30℃的冷態(tài)下，主機(jī)軸承和中間軸承受環(huán)境溫度影響的各軸承變位值(見表1)，其中艉管軸承的變位值都為定值0。

表1 主機(jī)軸承和中間軸承在不同環(huán)境溫度下的軸承變位值 單位：mm

3 軸承負(fù)荷影響系數(shù)

由于整個(gè)軸系的布置沒有發(fā)生變化，因此軸承負(fù)荷影響系數(shù)是相同的，不受環(huán)境溫度的影響，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 軸承負(fù)荷影響系數(shù) 單位：N/mm

4 軸承負(fù)荷

軸承負(fù)荷作為軸系校中計(jì)算的衡準(zhǔn)之一，要求軸系各軸承的負(fù)荷為正值，即不允許有軸承脫空的狀態(tài)；軸承負(fù)荷應(yīng)不小于相鄰兩跨距間所有重量總和的20%；軸承比壓不允許超過其許用比壓。具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同環(huán)境溫度下的軸承負(fù)荷 單位：N

從表3中的數(shù)據(jù)可以看出:

(1) 隨著環(huán)境溫度的增加，中間軸承和主機(jī)軸承位置的升高，艉管后軸承、中間軸承和主機(jī)軸頸軸承的負(fù)荷逐漸增加，艉管前軸承和主機(jī)倒數(shù)第二道軸承的負(fù)荷逐漸減少；

(2) 冷態(tài)環(huán)境溫度的改變，對主機(jī)倒數(shù)第二道及以后的軸承負(fù)荷影響較小，但是對艉管前軸承、中間軸承和主機(jī)軸頸軸承的負(fù)荷影響較大，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 不同環(huán)境溫度下的軸承負(fù)荷變化值 單位：N

5 千斤頂頂舉系數(shù)

施工現(xiàn)場軸承負(fù)荷不易直接測量，一般在軸承附近放置液壓千斤頂(見圖2)，通過千斤頂?shù)捻斉e力，使該軸承剛好脫空，而軸系狀態(tài)保持原狀，該力乘以千斤頂頂舉系數(shù)即得該軸承負(fù)荷。但在計(jì)算千斤頂頂舉系數(shù)過程中，一定要確保被測軸承最先頂空。

頂空量可以用以下公式計(jì)算：

式中：Δ為千斤頂頂空量；Rjb為千斤頂頂舉影響系數(shù)中千斤頂對被測軸承的影響系數(shù)；F為軸承負(fù)荷。

圖2 千斤頂?shù)奈恢?/p>

由于整個(gè)軸系的布置沒有發(fā)生變化，因此千斤頂頂舉系數(shù)和頂舉影響系數(shù)不受環(huán)境溫度的影響，具體數(shù)據(jù)如表5和表6所示。

表5 千斤頂頂舉系數(shù)

表6 千斤頂頂舉影響系數(shù) 單位：N/mm

在千斤頂頂舉測量艉管前軸承負(fù)荷時(shí)，因?yàn)轸汗芮拜S承和中間軸承的負(fù)荷接近，且艉管前軸承的千斤頂頂舉影響系數(shù)(3 429 758)較中間軸承的千斤頂頂舉影響系數(shù)(738 708)大很多，所以艉管前軸承比中間軸承先頂空。但是在千斤頂頂舉測量中間軸承負(fù)荷時(shí)，主機(jī)軸頸軸承負(fù)荷較中間軸承負(fù)荷小很多，且主機(jī)軸頸軸承(1 682 177)和中間軸承的千斤頂頂舉影響系數(shù)(2 871 066)相對接近，檢查中間軸承是否較主機(jī)軸頸軸承先被頂空就很有必要。

圖3 中間軸承和主機(jī)軸頸軸承在不同環(huán)境溫度下的頂空量

從圖3中可以看出：

(1) 隨著環(huán)境溫度的升高，由于中間軸承和主機(jī)軸頸軸承負(fù)荷的增加，其頂空量都逐漸增加；

(2) 冷態(tài)時(shí)主機(jī)軸頸軸承的頂空量始終比中間軸承小，也就是說，理論上在千斤頂頂舉測量中間軸承負(fù)荷時(shí)，主機(jī)推力軸承較中間軸承先被頂空，假如主機(jī)推力軸承頂部間隙很大，足以滿足中間軸承的頂空，則影響還不大，但是假如頂部間隙很小，主機(jī)軸頸軸承就有可能產(chǎn)生負(fù)的支反力，在中間軸承被頂空后所測得的負(fù)荷值就不正確。為了避免這種情況發(fā)生，就得重新布置千斤頂?shù)奈恢?，使千斤頂更加靠近中間軸承或者將千斤頂移至中間軸承的另一側(cè)。

6 軸連接法蘭開口

軸連接法蘭開口和偏移影響系數(shù)表示軸系中某一軸承垂直位置改變一個(gè)單位(如1mm)時(shí)，造成軸連接法蘭開口和偏移的變化量。在開軸狀態(tài)，計(jì)算軸連接法蘭開口和偏移值，是為軸系的合理安裝提供施工依據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 軸連接法蘭開口和偏移值

同時(shí)也可以通過軸連接法蘭開口和偏移影響系數(shù)(見表8)來計(jì)算出實(shí)際環(huán)境溫度下的開口和偏移值。

表8 軸連接法蘭開口和偏移影響系數(shù)

其中，主機(jī)軸承的熱膨脹是整體上升或下降的；當(dāng)后法蘭在前法蘭的上方時(shí)，開口為正值；當(dāng)開口朝下時(shí)，偏移為正值，因此：

中間軸承熱膨脹對中間軸和螺旋槳軸連接法蘭的開口影響：-0.365 mm/mm。

中間軸承熱膨脹對中間軸和螺旋槳軸連接法蘭的偏移影響：-2.103 mm/mm。

中間軸承熱膨脹對主機(jī)輸出端和中間軸連接法蘭開口的影響： 0.479 mm/mm。

中間軸承熱膨脹對主機(jī)輸出端和中間軸連接法蘭偏移的影響：-0.584 mm/mm。

主機(jī)熱膨脹對主機(jī)輸出端和中間軸連接法蘭開口的影響：

(-1.257)+1.287+(-0.016)+0.004

+(-0.001)=0 mm/mm；

主機(jī)熱膨脹對主機(jī)輸出端和中間軸連接法蘭偏移的影響：

(-1.602)+0.608+(-0.008)+0.002

=-1 mm/mm；

此時(shí)，實(shí)際環(huán)境溫度下中間軸和螺旋槳軸連接法蘭的開口值可由下式計(jì)算：

開口= 0.62 - (0.144/15) ×(T-20)

× 0.365

式中：0.62為環(huán)境溫度20℃時(shí)的開口值；0.144為從環(huán)境溫度20℃到熱態(tài)35℃的中間軸承熱膨脹量。

實(shí)際環(huán)境溫度下中間軸和螺旋槳軸連接法蘭的偏移值可由下式計(jì)算：

偏移 = 2.86 - (0.144 /15) × (T-20)

× 2.103

式中：2.86為環(huán)境溫度20℃時(shí)的偏移值，0.144為從環(huán)境溫度20℃到熱態(tài)35℃的中間軸承熱膨脹量。

實(shí)際環(huán)境溫度下主機(jī)輸出端和中間軸連接法蘭開口值可由下式計(jì)算：

開口 = 0.15 + (0.144 / 15) ×(T-20)

× 0.479

式中：0.15為環(huán)境溫度20℃時(shí)的開口值，0.144為從環(huán)境溫度20℃到熱態(tài)35℃的中間軸承熱膨脹量。

實(shí)際環(huán)境溫度下主機(jī)輸出端和中間軸連接法蘭偏移值可由下式計(jì)算：

偏移 = 1.53 - (0.64/35)×(T-20)

- (0.144/15)×(T-20)×0.584

式中：1.53為環(huán)境溫度20℃時(shí)的偏移值，0.144為從環(huán)境溫度20℃到熱態(tài)35℃的中間軸承熱膨脹量，0.64為從環(huán)境溫度20℃到熱態(tài)55℃的主機(jī)軸承熱膨脹量。

從以上計(jì)算數(shù)據(jù)和公式中可以看出環(huán)境溫度對軸連接法蘭開口和偏移值產(chǎn)生的影響較大，因此計(jì)算多個(gè)不同環(huán)境溫度下軸連接法蘭開口和偏移值就顯得尤為重要。

7 結(jié)論

因?yàn)榄h(huán)境溫度的改變會(huì)引起軸承的熱膨脹效應(yīng)，導(dǎo)致軸承變位值的改變，進(jìn)而對軸系校中產(chǎn)生一定的影響。因此考慮不同環(huán)境溫度下的軸系狀態(tài)，使校中計(jì)算更加貼近實(shí)船環(huán)境，可以減少因校中計(jì)算給實(shí)船軸系校中帶來的偏差。

[1] Hyundai Heavy Industries Co., Ltd. Calculation of Shaft Alignment(H1100)[S]. 2007.

[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] 郭勇.船舶軸系校中通用工藝規(guī)范[S].2003.

Impact of Ambient Temperature on Shafting Alignment Calculation

QIAN Cheng1， LI Yan2， XIA Ying-ying3

(Shanghai Waigaoqiao Marine Design & Research Institute, Shanghai 200136, China)

Normally, ambient temperature in shafting alignment calculation to be setted a fixed value, whereas the actual ambient temperature during shafting alignment is variable. If shafting alignment calculation to be carried out only in one setted temperature, then, some deviation to be caused definitely. Therefore, it is necessary to study influence of ambient temperature on shafting alignment calculation.

Shafting Alignment calculation Ambient temperature Shaft bearing load

錢 程(1981-)，男，工程師。

U664

A