不同尾管后軸承模型在軸系校中計算中的比較

羅朝杰 鄭 忠 楊紅軍

（1.滬東重機有限公司，上海200129；2.新世紀(jì)造船有限公司，江蘇泰州215504；3.上海船舶研究設(shè)計院，上海201203）

0 前言

船舶推進(jìn)軸系承擔(dān)著傳遞主機功率的作用，是船舶的重要組成部分。在船舶修造過程中，世界各大船廠因軸系校中不良，導(dǎo)致主機拐擋差超標(biāo)、尾管后軸承高溫報警或振動過大等問題。船舶軸系校中質(zhì)量的優(yōu)劣受多種因素的影響，主要因素有：推進(jìn)軸系的校中設(shè)計、軸系制造加工精度、軸系安裝精度等。為避免后期出現(xiàn)軸系校中質(zhì)量問題，必須先行進(jìn)行軸系校中計算。在進(jìn)行軸系校中計算時，需對實際的軸系根據(jù)一定的原則，簡化為校中計算模型。中間軸承、主軸承和尾管前軸承，一般都可以簡化成單支點模型，且支撐點可以放在軸瓦的中心處。但尾管后軸承因受螺旋槳懸臂作用，作用力中心后移，且軸頸中心存在撓曲變形，其建模相對復(fù)雜，有多種建模方法。針對尾管后軸承，本文分別建立了單點支撐模型、雙點支撐模型、多點支撐模型，以分析不同尾管后軸承模型對校中計算的影響［1-3］。

1 軸系校中的原理和方法

船舶軸系校中計算，可以認(rèn)為是軸系設(shè)計的一部分或軸系校中設(shè)計。這是按一定的要求和方法，將軸系鋪設(shè)成某種狀態(tài)，使所有軸承上的負(fù)荷及各軸段內(nèi)的應(yīng)力均處于允許的范圍之內(nèi)，或具有最佳的數(shù)值，從而確保軸系能夠持續(xù)正常的運轉(zhuǎn)。

船舶主推進(jìn)軸系校中按照軸系校中原理，目前可分為3種：軸系直線校中、軸系軸承負(fù)荷校中、軸系合理校中。超大型民用船舶推進(jìn)軸系一般采用合理校中。軸系合理校中是把軸承負(fù)荷、螺旋槳軸在尾管后軸承處的相對傾角、軸彎曲應(yīng)力作為限制條件，同時滿足主機廠家的要求，通過理論計算，以確定軸承的理論高度，并使得軸承在運行工況下都有合理的負(fù)荷。其采用的計算方法有三彎矩法、傳遞矩陣法和有限元法等［4-5］。

對于以兩沖程柴油機為主機的船舶推進(jìn)軸系而言，軸系校中的目標(biāo)為：

1）所有軸系軸承和主軸承都有負(fù)荷，且在合理范圍內(nèi)（所有軸承不可以脫空）。

2）對尾管后軸承的傾斜安裝或尾管的斜鏜孔給出指導(dǎo)意見。

3）柴油機所有氣缸的拐擋差滿足專利公司的要求。

2 不同尾管后軸承模型對軸系校中計算結(jié)果的比較

2.1 算例

以某113000 DWT油輪推進(jìn)軸系為例，使用WinGD 6×62主機直接驅(qū)動螺旋槳，額定功率11199 kW，額定轉(zhuǎn)速84.5 r/min。軸系中設(shè)置有尾管后軸承、尾管前軸承、中間軸承。該船軸系布置圖如圖1所示。

圖1 113000 DWT油輪軸系布置圖

對實際的推進(jìn)軸系進(jìn)行簡化，并考慮以下邊界條件：

1）對螺旋槳軸末端點至尾密封處之間的軸段統(tǒng)一考慮海水浮力的影響；

2）對尾密封處至尾管前軸承之間的軸段統(tǒng)一考慮滑油浮力的影響；

3）主機曲軸的校中模型按照WinGD推薦；

4）所有主軸承的徑向剛度、間隙、承載面積、最大允許壓力保持一致。

本文使用EnDyn軟件建立軸系校中計算模型。它是一款基于有限元法并搭建3D軸系模型以進(jìn)行船舶推進(jìn)軸系軸向振動計算、回旋振動計算和軸系校中計算的專業(yè)軟件。該軟件內(nèi)置有WinGD兩沖程柴油機的曲軸模型，如果主機不是WinGD的兩沖程機，則用戶需要自行定義曲軸模型。在進(jìn)行軸系振動及校中計算時，飛輪、調(diào)頻輪、扭振減振器、中間軸、螺旋槳軸和螺旋槳的參數(shù)需要用戶自行定義。建立的軸系校中計算模型如圖2所示。

圖2 適用于各計算方案的通用計算模型

為了比較不同尾管后軸承的校中模型對校中計算結(jié)果的影響，針對尾管后軸承，采用不同的模型進(jìn)行校中計算（如表1所示），分別將其簡化為單支點、雙支點和多支點模型，并對各計算方案的計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。所謂尾管后軸承的單支點模型，就是將尾管后軸承簡化為一個支點。其支點位置，一般為距離尾管后軸承后端1/7～1/3的軸承有效長度；尾管后軸承的雙支點模型就是將尾管后軸承簡化為兩個支點，分別位于尾管后軸承的最前端和最后端；尾管后軸承的多支點模型就是將尾管后軸承簡化為多個支點。

表1 計算方案

方案1中所有主軸承和軸系軸承的偏移量都設(shè)定為0，方案2、3、4中所有主軸承和軸系軸承的偏移量設(shè)定值保持一致。

2.2 計算結(jié)果對比分析

軸系校中通常要計算冷態(tài)、熱態(tài)和運行狀態(tài)這三種工況進(jìn)行校中計算。冷態(tài)是指螺旋槳安裝完成，軸系連接完成，主機未運行；熱態(tài)是指螺旋槳安裝完成，軸系連接完成，主機運行一段時間后剛剛停止；運行狀態(tài)是指整個推進(jìn)軸系處于工作狀態(tài)。通常情況根據(jù)熱態(tài)下尾管后軸承和螺旋槳軸之間的相對傾角來決定尾管后軸承中心傾斜安裝的具體數(shù)值，因此以熱態(tài)的計算結(jié)果作對比分析。4種方案在熱態(tài)工況下各軸承負(fù)荷和尾管后軸承節(jié)點處點斜度及軸承斜度計算結(jié)果對比分別如表2和表3所示。所謂軸承斜度，就是尾管后軸承前后端中心點連線的斜率。雙支點模型和多支點模型在建模時，將軸承中心線傾斜值體現(xiàn)為支點高度的差異，作為校中計算的輸入條件。

分析表2、表3，可以得出如下結(jié)論：

1）4種方案計算結(jié)果之間的差異主要體現(xiàn)在尾管前后軸承、中間軸承和靠近輸出端三道主軸承上，對其余主軸承的影響很小；

2）方案3、4之間的差異主要體現(xiàn)在尾管前后軸承上，對中間軸承和主軸承的影響很?。?/p>

3）方案1計算的尾管前軸承的負(fù)載為0，也就是前軸承脫空，說明本項目直線校中是不合理的；

表2 四種方案在熱態(tài)工況下各軸承負(fù)荷計算結(jié)果對比 kN

表3 4種方案在熱態(tài)工況下尾管后軸承斜度計算對比

4）CCS規(guī)定，在尾管后軸承支點處，螺旋槳軸與尾管后軸承的相對傾角，在靜態(tài)條件下不超過0.35 mrad。不同的尾管后軸承的校中計算模型可能會有不同的軸承中心傾斜值的推薦。

3 結(jié)語

通過分析熱態(tài)下的軸系校中計算結(jié)果有如下發(fā)現(xiàn)：

1）合理校中計算方法可以避免軸承脫空的情況，明顯優(yōu)于直線校中計算方法；

2）在合理校中計算中，不同尾管后軸承校中計算模型，只對尾管前后軸承負(fù)荷有影響，而對主機軸承負(fù)荷幾乎無影響；

3）不同尾管后軸承校中計算模型對尾管后軸承傾斜設(shè)置的具體數(shù)值甚至是否做傾斜設(shè)置有一定影響。