某型40 m鋁合金雙體高速船軸系設(shè)計(jì)

李經(jīng)偉　陳笑生　詹錫波

摘? ? 要：本文介紹了某型40m鋁合金雙體高速船的螺旋槳軸系設(shè)計(jì)，根據(jù)該型船的使用條件和要求，對(duì)軸系設(shè)計(jì)的有關(guān)問(wèn)題及技術(shù)要求進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：鋁合金雙體高速船; 螺旋槳軸; 軸系設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U664.2? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Shafting Design of 40 m High-speed

Aluminum Catamaran Ferry

LI Jingwei， CHEN Xiaosheng ， ZHAN Xibo

（ Afai Southern Shipyard （Panyu Guangzhou） Ltd.， Guangzhou 511431 ）

Abstract： This paper introduces the design of propeller shafting of a typical 40m high-speed aluminum catamaran ferry， and studies the problems and technical requirements in the shafting design based on the actual conditions and requirements of this type of vessel.

Key words： High-speed aluminum catamaran; Propeller shafting; Shafting design

1? ? ? 前言

某型40 m鋁合金雙體高速船是英輝南方造船（廣州番禺）有限公司為多個(gè)客戶設(shè)計(jì)建造的高速船，該船型的主推進(jìn)方式有兩種：噴水泵推進(jìn)和螺旋槳推進(jìn)。對(duì)于螺旋槳推進(jìn)來(lái)說(shuō)，軸系的作用是將主機(jī)發(fā)出的功率傳遞給螺旋槳，螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力，從而推動(dòng)船舶前進(jìn)或后退。軸系是船舶動(dòng)力裝置的重要組成部分，直接影響船舶的推進(jìn)特性和正常航行。本文介紹該型高速船的軸系設(shè)計(jì)原則、軸系布置及軸系振動(dòng)的計(jì)算分析。

2? ? ?軸系設(shè)計(jì)原則

該型40 m鋁合金雙體高速船采用螺旋槳推進(jìn)，其軸系由傳動(dòng)軸、軸承、尾軸管密封裝置以及其他附件等組成。軸系設(shè)計(jì)一般是從軸系布置開(kāi)始，首先要對(duì)總體布置中的相關(guān)要素，如主機(jī)和螺旋槳的位置、船體尾部線型與結(jié)構(gòu)有充分的了解，初步選定軸線角度、軸承數(shù)量、軸承間距及其潤(rùn)滑冷卻方式等;其次要根據(jù)船舶建造規(guī)格書(shū)、船東的要求、船舶使用條件等，綜合考慮選擇軸承材質(zhì)、軸承潤(rùn)滑方式以及尾軸密封裝置的型式等;最后進(jìn)行軸系強(qiáng)度計(jì)算，繪制軸系布置圖、軸系總裝圖以及進(jìn)行回旋振動(dòng)驗(yàn)算，完成軸系設(shè)計(jì)工作。軸系的設(shè)計(jì)和制造應(yīng)保證各部件有足夠的強(qiáng)度，并且在正常速度范圍內(nèi)軸系不會(huì)發(fā)生有害的振動(dòng)，滿足船級(jí)社及實(shí)際使用要求。

軸系設(shè)計(jì)應(yīng)考慮軸系工作的可靠性、維護(hù)性以及使用的壽命。對(duì)于船廠來(lái)說(shuō)，軸系設(shè)計(jì)還應(yīng)從實(shí)際施工角度出發(fā)，考慮到軸系各部件是否有利于采購(gòu)、加工、制造及安裝。在滿足軸系正常工作需要的基礎(chǔ)上，力求簡(jiǎn)化，使制造、安裝方便，并便于日常的維護(hù)保養(yǎng)。

3? ? 軸系布置及其組成

3.1? ?軸系的布置

該型船推進(jìn)系統(tǒng)布置形式是雙機(jī)雙槳布置，每個(gè)片體布置一臺(tái)高速柴油機(jī)，通過(guò)高彈聯(lián)軸節(jié)與減速齒輪箱連接，減速齒輪箱的輸出法蘭與螺旋槳軸通過(guò)聯(lián)軸節(jié)連接;螺旋槳軸上安裝有尾軸密封裝置和前、后軸承，后軸承一般安裝在尾軸支架內(nèi)，螺旋槳軸末端安裝螺旋槳及導(dǎo)流螺帽。

3.2? ?軸系的組成

（1）螺旋槳軸

螺旋槳軸的設(shè)計(jì)首先要考慮軸的材質(zhì)選擇，考慮材料的抗拉強(qiáng)度、耐海水腐蝕性能、成本、采購(gòu)、船東要求等各個(gè)方面。該型船采用海水潤(rùn)滑的軸承，既要考慮螺旋槳軸的強(qiáng)度，又要考慮軸的耐海水腐蝕性，因此選用抗拉強(qiáng)度較高、耐海水腐蝕的雙相不銹鋼材料作為螺旋槳軸的材料。雙相不銹鋼的力學(xué)性能，見(jiàn)表1所示。

采用雙相不銹鋼可以取較小的螺旋槳軸直徑，并可以選用較小尺寸的尾軸密封裝置、軸承、尾軸管、聯(lián)軸節(jié)等部件。這不僅可以節(jié)約成本，減輕軸系的重量，而且整個(gè)軸系所占用的空間減少。需要注意的是，軸材料為不銹鋼時(shí)，按照《海上高速船入級(jí)規(guī)范》的要求，軸的直徑可取規(guī)范計(jì)算值的 0.9 倍，這更加有利于減小軸系的直徑。但螺旋槳軸的軸徑實(shí)際取值要比規(guī)范計(jì)算值大，應(yīng)有一定余量;同時(shí)實(shí)際取值還要考慮尾軸密封裝置的選檔。

螺旋槳軸的兩端，需要以錐面分別與螺旋槳及聯(lián)軸節(jié)聯(lián)接：錐體末端設(shè)有尾螺紋，可以用螺母將螺旋槳和聯(lián)軸節(jié)緊固聯(lián)接在螺旋槳軸上;為了延長(zhǎng)軸的使用壽命，通常將螺旋槳軸接螺旋槳的一端和接聯(lián)軸節(jié)的一端設(shè)計(jì)成一樣的形狀，這樣軸承部位磨損后可以將軸再加工后掉頭使用;還有一種方法是將軸承處軸徑增大5 mm，這樣軸承部位磨損后可以再加工軸承部位并現(xiàn)配賽龍軸承，達(dá)到延長(zhǎng)軸使用壽命的目的，見(jiàn)圖1所示

（2）軸承

通常螺旋槳軸系的尾管軸承是采用滑動(dòng)軸承，其潤(rùn)滑方式分為水潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑兩種方式：油潤(rùn)滑方式一般用于水質(zhì)較差的水域，這些水域的水質(zhì)不適合為軸承潤(rùn)滑;但在一些水質(zhì)較好的水域，水潤(rùn)滑系統(tǒng)比油潤(rùn)滑系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單。隨著水潤(rùn)滑軸承材料以及軸耐蝕、防蝕技術(shù)的不斷發(fā)展，水潤(rùn)滑方式的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。尤其是像賽龍軸承這些合成材料的軸承，其受力情況、耐磨性能、良好的彈性及抗沖擊性都優(yōu)于白合金等軸承。

該型船選用賽龍軸承、研龍軸承等材質(zhì)的水潤(rùn)滑非金屬軸承，其具有出色的抗磨損性，彈性和堅(jiān)韌性也很好，并能承受高壓和沖擊載荷，不會(huì)永久變形，能更好的保護(hù)尾軸。

賽龍軸承一般采用過(guò)盈配合和黏合安裝兩種安裝方式，該型船采用過(guò)盈配合的方式，將軸承安裝在軸承座內(nèi)。當(dāng)采用過(guò)盈壓入安裝時(shí)，必須考慮有足夠的過(guò)盈量，使得軸承即使在最低運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也不至于松脫;賽龍軸承的間隙，應(yīng)考慮過(guò)盈引起的軸承內(nèi)徑收縮，同時(shí)也要考慮運(yùn)行間隙以及水脹和熱脹的間隙余量等。

軸系軸承的位置、軸承的間距關(guān)系到各軸承的負(fù)荷分配是否合理，也影響到軸系的振動(dòng)情況。該型船的軸系設(shè)置前后兩個(gè)軸承，其中尾軸承安裝在靠近螺旋槳的尾軸支架內(nèi)，前軸承安裝在與尾軸密封連接的軸承座內(nèi)。

對(duì)于尾軸承間距的要求：一般軸徑小于300 mm的尾軸，軸承間距在16～40倍軸徑范圍較為合理;而一些主機(jī)對(duì)于第一軸承與齒輪箱輸出法蘭之間的距離也有要求，如VOLVO的D5-D16型號(hào)的主機(jī)要求軸系聯(lián)軸器和第一個(gè)軸承之間的距離，最小必須為10-14倍的軸直徑，以防止發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)時(shí)對(duì)軸系產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力，見(jiàn)圖2所示。

國(guó)外有些國(guó)家及主機(jī)品牌甚至規(guī)定，如果軸系聯(lián)軸器和第一個(gè)軸承之間的距離小于12倍的軸徑，則軸系與齒輪箱輸出法蘭的聯(lián)軸器應(yīng)為彈性聯(lián)軸器。對(duì)于高速船來(lái)說(shuō)，采用不銹鋼軸及尾軸支架的形式時(shí)，前軸承的位置會(huì)受尾部型線的限制，軸承間距有可能不能滿足這些規(guī)定。所以軸承的布置需要通過(guò)回旋振動(dòng)計(jì)算來(lái)驗(yàn)算。

（3）尾軸密封裝置

該型船的尾軸密封型式采用水潤(rùn)滑尾軸密封裝置，以防止海水進(jìn)入船內(nèi)。水潤(rùn)滑尾軸密封裝置，可以采用彈性軟管連接的型式，以減小密封裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)部件將振動(dòng)傳遞到船體上，具有很好的減振作用;尾軸密封裝置一般可以設(shè)有氣囊，以便尾軸密封需要檢修時(shí)向氣囊中充氣，阻止海水進(jìn)入密封裝置內(nèi)，見(jiàn)圖3所示。

當(dāng)然，如果條件不允許的話水潤(rùn)滑尾軸密封裝置也可以不采用彈性安裝的形式，如圖4所示的端面尾軸密封裝置。

4? ? 軸系振動(dòng)計(jì)算分析

高速船的軸系振動(dòng)計(jì)算，包括扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和回旋振動(dòng)兩部分：

（1）扭轉(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算

扭振是柴油機(jī)常見(jiàn)的振動(dòng)形式，嚴(yán)重的扭振會(huì)引起軸系連接螺栓斷裂及主機(jī)工作不正常等現(xiàn)象，所以船級(jí)社都要求提供扭轉(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算進(jìn)行認(rèn)可。

扭振計(jì)算書(shū)需要核對(duì)軸系振動(dòng)的振幅或應(yīng)力或扭矩是否超過(guò)船級(jí)社規(guī)定的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的許用值，或者整個(gè)主推進(jìn)系統(tǒng)，包括主機(jī)、高彈聯(lián)軸節(jié)、減速齒輪箱、軸系、螺旋槳等各個(gè)組成部分是否有明顯不合理的振動(dòng)情況。如果出現(xiàn)異常情況，則需要采取措施消除這些隱患，如改變高彈聯(lián)軸節(jié)、改變主機(jī)怠速設(shè)定值等方法。

（2）回旋振動(dòng)計(jì)算

回旋振動(dòng)計(jì)算要驗(yàn)證軸承數(shù)量、間距、軸系布置是否會(huì)引起軸承過(guò)大振幅的回旋振動(dòng)。如果計(jì)算結(jié)果顯示常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有過(guò)大振幅的回旋振動(dòng)，則應(yīng)根據(jù)不同情況修改軸系布置或設(shè)置轉(zhuǎn)速禁區(qū)來(lái)減小振動(dòng)。通常采用CCS開(kāi)發(fā)的COMPASS-RULES計(jì)算軟件對(duì)軸系回旋振動(dòng)進(jìn)行校核計(jì)算，其計(jì)算模型見(jiàn)圖5所示。

如果計(jì)算結(jié)果不滿足規(guī)范規(guī)定的衡準(zhǔn)范圍，則需要重新對(duì)軸系進(jìn)行設(shè)計(jì)，直到能滿足要求為止。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了某型40 m鋁合金雙體高速船螺旋槳軸系的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，著重講述了在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)綜合考慮該船型的實(shí)際條件，對(duì)軸系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文可給同類船型的軸系設(shè)計(jì)提供參考。

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