澆注型環(huán)氧樹脂墊片特性及在我國船舶中的應(yīng)用

王 仙 李天勻 朱 翔 金 翔

1華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢430074 2武昌造船廠，湖北 武漢430060

澆注型環(huán)氧樹脂墊片特性及在我國船舶中的應(yīng)用

王 仙1李天勻1朱 翔1金 翔2

1華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢430074 2武昌造船廠，湖北 武漢430060

對90年代以來澆注型環(huán)氧樹脂墊片在我國船舶中的應(yīng)用情況進(jìn)行綜述，分析環(huán)氧樹脂墊片的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。針對環(huán)氧樹脂墊片在船舶機(jī)械設(shè)備安裝和軸系定位安裝中的應(yīng)用，將新工藝與傳統(tǒng)工藝進(jìn)行對比，說明環(huán)氧樹脂墊片的優(yōu)勢。介紹環(huán)氧樹脂墊片澆注工藝的發(fā)展情況和目前的設(shè)計(jì)審核方法，并對環(huán)氧樹脂墊片在我國船舶中的應(yīng)用進(jìn)行展望。

環(huán)氧樹脂；澆注；墊片；主機(jī)；艉軸管

1 引言

隨著造船業(yè)的不斷發(fā)展，澆注型環(huán)氧樹脂墊片在船舶設(shè)備安裝中的應(yīng)用越來越廣泛。環(huán)氧樹脂具有隔熱、隔振、抗壓和耐腐蝕的特性，并可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場澆注、室溫固化、一次成形，縮短施工周期，降低勞動強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效益。到90年代末期，世界上已有80%以上的修造船舶中采用該項(xiàng)新型材料和新工藝［1］。我國的修造船業(yè)也迅速掌握了澆注型環(huán)氧樹脂墊片的工藝特點(diǎn)和技術(shù)關(guān)鍵，將其廣泛地應(yīng)用于主、輔機(jī)和甲板機(jī)械的安裝、軸系的校中、美人架的定位等。作者在參考眾多文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，著重分析了澆注型環(huán)氧樹脂墊片的特點(diǎn)及其90年代以來在我國船舶機(jī)械設(shè)備安裝和軸系定位安裝中的應(yīng)用。

2 環(huán)氧樹脂墊片的可靠性與經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 環(huán)氧樹脂墊片的可靠性

船用環(huán)氧樹脂質(zhì)量要求較高，目前成熟產(chǎn)品主要有下述三家工廠的專業(yè)產(chǎn)品：

1）美國費(fèi)城樹脂公司的Chockfast系列，制作船舶主機(jī)墊片時(shí)用Chockfast Orange系列；

2）德國H.A Springer公司生產(chǎn)的Epocast系列，做主機(jī)墊片時(shí)用Epocast 36系列；

3）寧波市北侖科技實(shí)業(yè)有限公司的 JN－120A系列。其主要技術(shù)性能見表1［2－5］。

表1 環(huán)氧樹脂墊片與鑄鐵墊片主要技術(shù)性能

澆注型環(huán)氧樹脂墊片具有如下性能：

1）室溫澆注，工藝簡單；

2）表面張力小，能填滿幾乎所有凹坑；

3）澆注過程中物料不沉淀，固化后不分層，外觀均一；

4）固化后的材料性能穩(wěn)定，耐油，耐海水，對金屬無腐蝕，還具有自熄性能；

5）澆注時(shí)無毒，無污染；

6）線收縮率極?。?/p>

7）重量輕；

8）使用壽命長（＞20年）。

環(huán)氧樹脂墊片的性能在某些方面不如鑄鐵墊片，例如抗壓強(qiáng)度比鑄鐵低（表1），這也是人們普遍關(guān)注的問題，但它的密度?。ㄒ话阍?.0～2.0 g／cm3之間，為鋼、鑄鐵的1／8～1／4）［6］，所以比強(qiáng)度很高。在我國，澆注型環(huán)氧樹脂墊片已廣泛應(yīng)用于多艘萬噸級船舶、15萬噸級船塢、漁船、客船、拖船、挖泥船、高速快艇、化學(xué)品船、艦船，以及用于起重設(shè)備的回轉(zhuǎn)盤定位、艦載直升飛機(jī)平臺固定、艦艇火炮和發(fā)射架定位等。我國自行研制生產(chǎn)的JN－120A經(jīng)中國、美國等船級社及世界最大柴油機(jī)公司MAN.B＆W認(rèn)可，并通過ISO 9002質(zhì)量體系認(rèn)證，已在全國160多家船廠2 600多艘各類民用船舶和軍用艦艇上使用［7］。事實(shí)證明，環(huán)氧樹脂的使用性能并不亞于鋼、鑄鐵墊片，其可靠性經(jīng)過了實(shí)踐檢驗(yàn)。

2.2 環(huán)氧樹脂墊片的經(jīng)濟(jì)性

環(huán)氧樹脂墊片的主要經(jīng)濟(jì)性問題是原材料的價(jià)格較貴，如使用進(jìn)口環(huán)氧樹脂，再加上一些輔助材料，其原材料成本就更高。根據(jù)浙江省某船廠的資料顯示，該廠承建的4 400 DWT多用途船舶，主機(jī)用Epocast36環(huán)氧樹脂墊片安裝時(shí)，原材料成本比用鑄鐵墊片安裝增加了約300%。

經(jīng)濟(jì)性問題除了要考慮原材料成本外，同時(shí)還需考慮工時(shí)、周期及其他原材料的消耗，要對有關(guān)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮。上例中，對兩種工藝方法綜合比較，雖然原材料成本增加了，但工時(shí)節(jié)省了約46.9%，施工周期縮短了47.2%，綜合考慮，其費(fèi)用節(jié)省了21.8%。如果采用國產(chǎn)原材料將進(jìn)一步大大降低成本，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

由此可見，使用環(huán)氧樹脂墊片具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，而且這一工藝能大大減輕工人的勞動強(qiáng)度，具有良好的社會效益。

3 澆注型環(huán)氧樹脂墊片在船舶機(jī)械設(shè)備安裝中的應(yīng)用

環(huán)氧樹脂墊片廣泛地應(yīng)用于船舶主輔機(jī)、發(fā)電機(jī)組、齒輪箱、甲板機(jī)械等船用設(shè)備的安裝和固定。下面主要介紹環(huán)氧樹脂墊片在主機(jī)安裝中的應(yīng)用。

3.1 使用環(huán)氧樹脂墊片與使用傳統(tǒng)金屬墊片的比較

在船舶主機(jī)安裝中，傳統(tǒng)的方法是采用鉗工拂配鋼質(zhì)（或鑄鐵）墊片工藝。這一方法在國內(nèi)船舶主機(jī)安裝中已有多年的歷史，對于金屬墊片的設(shè)計(jì)、加工、安裝和管理等已經(jīng)形成了一套成熟的經(jīng)驗(yàn)。然而金屬墊片的使用也存在諸多弊端：

1）機(jī)加工面多，拂刮工作量大

采用傳統(tǒng)工藝安裝主機(jī)，所需墊片數(shù)量多，機(jī)加工工作量大，加工要求也高，墊片累積誤差（加工誤差、測量誤差、經(jīng)驗(yàn)誤差）多，不能預(yù)先加工完成，現(xiàn)場需要拂刮的面多。

2）勞動強(qiáng)度大，施工周期長

因?yàn)榻饘賶|片不能預(yù)制，主要的工序都必須在現(xiàn)場進(jìn)行，固定墊片的加工和活動墊片的研配等工作都需要諸多手工操作，不僅質(zhì)量較差，而且勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)周期長［8］。

3）金屬墊片受力單一，而地腳螺栓受力復(fù)雜

金屬墊片主要承受主機(jī)自重的壓力，故受力較為單一。地腳螺栓既受徑向剪切力，又受軸向鎖緊力作用。其中，因?yàn)槊拷M金屬墊片均為多層串聯(lián)結(jié)構(gòu)，為了消除這些墊片結(jié)合面造成的縫隙，則所需螺栓的軸向鎖緊力就必然大［9］。

4）金屬墊片減振性能差

金屬墊片是剛性件，當(dāng)用于動力裝置的安裝時(shí)，它基本不產(chǎn)生減振效果。

基于此，人們在不斷尋找能高效率、高質(zhì)量地進(jìn)行設(shè)備安裝，縮短修、造船周期的新方法。20世紀(jì)60年代中期，美國費(fèi)城樹脂公司受造船業(yè)的委托，開始研制澆注型環(huán)氧墊片。70年代開始，環(huán)氧樹脂墊片在船舶機(jī)械設(shè)備安裝上逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鑄鐵、鑄鋼墊片，這一造船新材料和新工藝的應(yīng)用日趨廣泛。80年代初期，澆注型環(huán)氧機(jī)座墊片以其優(yōu)越的性能獲得世界各國的公認(rèn)，在主、輔機(jī)和甲板機(jī)械安裝中被世界各地的船東及船廠大量采用。通過建造出口船，澆注型環(huán)氧樹脂墊片逐漸在我國造船行業(yè)中流行起來。為推廣這項(xiàng)新技術(shù)（圖1），1993年，國家頒布了“船用環(huán)氧機(jī)座墊片技術(shù)條件”（CB／T3514－92標(biāo)準(zhǔn)）。

與金屬墊片相比，環(huán)氧樹脂墊片主要具有以下特點(diǎn)：

1）工藝簡單，施工周期短

澆注環(huán)氧樹脂墊片不需要復(fù)雜的工具或特殊的技術(shù)，采用一次澆注成型、一步到位的工藝；環(huán)氧樹脂墊片的工作表面無需拂刮，對與其結(jié)合表面也不需要進(jìn)行機(jī)加工；與環(huán)氧樹脂墊片有關(guān)的大部分澆注與安裝工藝（如環(huán)氧樹脂配料、混合、攪拌、預(yù)熱等），均可在車間內(nèi)預(yù)制和事先完成。因此，盡管環(huán)氧樹脂施工時(shí)必須在現(xiàn)場澆注，船臺的施工周期也能大大縮短。據(jù)統(tǒng)計(jì)，其一般只占金屬墊片安裝主機(jī)時(shí)周期的1／10～1／4左右，即使計(jì)及總周期也不到1／3。

圖1環(huán)氧樹脂墊片用于主機(jī)安裝

2）連接強(qiáng)度高，綜合性能好

澆注型環(huán)氧樹脂對與其結(jié)合的表面要求不高，無需加工并能在不規(guī)則的表面上進(jìn)行澆注。因其粘度低，表面張力小，澆入后能填滿機(jī)座面上的任何凹坑，所以墊片的接觸面積大。環(huán)氧樹脂墊片具有很高的摩擦系數(shù)，基座與機(jī)座面之間極難發(fā)生滑動，所以螺栓不易松動。由于環(huán)氧樹脂墊片整個(gè)貼合面都承受載荷，因此機(jī)械強(qiáng)度比較高。相關(guān)試驗(yàn)表明，當(dāng)兩塊鋼板間的連接采用環(huán)氧樹脂膠結(jié)（膠合面積為25.4×25.4 mm2），比鉚接（鉚釘直徑為6.35 mm）的抗剪切強(qiáng)度要高40%～95%。

環(huán)氧樹脂具有較低的彈性模數(shù)，船體振動誘發(fā)出的局部瞬時(shí)壓力，易被緩和并均勻地分布在支承面上，這樣就不會因局部的瞬時(shí)壓力使螺栓和墊片損壞或變形而引發(fā)事故。

環(huán)氧樹脂墊片的熱膨脹系數(shù)為鑄鐵的2～4倍，當(dāng)主機(jī)工作時(shí)，可進(jìn)一步地漲緊螺栓，從而增加了螺栓的張力，并增加了墊片的穩(wěn)定性。

3）減振效果明顯

環(huán)氧樹脂是非金屬材料，它與鋼相比硬度低，與鑄鐵相比塑性大（約大25倍），由于其接觸面積大、吸振性能好，故能有效地減少動力裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動和噪聲。據(jù)初步測定，主機(jī)采用環(huán)氧樹脂墊片時(shí)，船體基座振動的總烈度只有主機(jī)采用金屬墊片時(shí)的1／8～1／10左右。經(jīng)驗(yàn)證明［10］，在中高頻率范圍內(nèi)，環(huán)氧樹脂墊片具有較好的減振效果。

3.2 對澆注環(huán)氧樹脂主機(jī)墊片工藝的研究

環(huán)氧樹脂墊片優(yōu)勢日益突出，引得眾多環(huán)氧樹脂生產(chǎn)企業(yè)和修、造船廠不斷對其性能和澆注工藝進(jìn)行研究和改進(jìn)。

1）對澆注工藝的研究

張松鶴、張全針對大型低速主機(jī)提出了采用環(huán)氧樹脂墊片安裝的注意事項(xiàng)。劉建國、鈕心憲介紹了環(huán)氧樹脂作為低速柴油機(jī)基座墊片的工藝及其技術(shù)關(guān)鍵，并總結(jié)了對澆注工藝進(jìn)行監(jiān)督的經(jīng)驗(yàn)。陳樸對JN－120A澆注型環(huán)氧樹脂機(jī)座墊片的使用作了說明。鈕心憲［11］從軸向及側(cè)向止推的角度，對柴油機(jī)的環(huán)氧樹脂基座墊片的處理方法提出了若干技術(shù)要求。

2）對環(huán)氧樹脂墊片事故的研究

陳秋華、徐小溪［12］和余憲海［13］分別就環(huán)氧樹脂墊片在應(yīng)用中出現(xiàn)的事故進(jìn)行原因分析和教訓(xùn)總結(jié)，得出：環(huán)氧樹脂墊片必須注意使用條件，尤其是環(huán)境溫度；船舶主機(jī)機(jī)座－墊片－基座系統(tǒng)的接觸剛度對機(jī)器的正常工作是至關(guān)重要的，此外，環(huán)氧樹脂墊片的蠕變澆注工藝應(yīng)引起重視。

3）對工藝改進(jìn)的研究

余憲海在研究環(huán)氧樹脂墊片可靠性與經(jīng)濟(jì)性時(shí)，認(rèn)識到環(huán)氧樹脂材料特性上存在的弱點(diǎn)，同時(shí)指出正因?yàn)榭紤]了這些材料特性，在主機(jī)安裝中采取了一些工藝措施，以保證墊片質(zhì)量。例如：根據(jù)安裝經(jīng)驗(yàn)，墊片厚度大約有其1／1 000的下沉量，所以，一些船廠在安裝時(shí)預(yù)提高主機(jī)的位置。為防止環(huán)氧樹脂墊片與主機(jī)機(jī)座及船體基座粘牢，在結(jié)合面上涂脫模劑（圖2），這就避免在主機(jī)工作過程中環(huán)氧樹脂墊片因蠕變較大等原因產(chǎn)生變形、松脫，從而降低地腳螺栓的緊固力，甚至引起主機(jī)振動。邵立對現(xiàn)場澆注安裝關(guān)鍵工序和監(jiān)督檢驗(yàn)過程進(jìn)行了研究分析，對于進(jìn)一步完善其安裝工藝、檢驗(yàn)方法和依據(jù)提出了建議與改進(jìn)措施。

圖2 澆注環(huán)氧樹脂的主要工序

3.3 采用環(huán)氧樹脂主機(jī)墊片的設(shè)計(jì)審查

嚴(yán)格審查環(huán)氧樹脂墊片的安裝設(shè)計(jì)，在澆注過程中全面而嚴(yán)格的監(jiān)督是保證墊片質(zhì)量的重要條件。目前，CCS對船舶主機(jī)環(huán)氧樹脂墊片的理論計(jì)算尚無統(tǒng)一的要求，一般船舶主機(jī)環(huán)氧樹脂墊片的設(shè)計(jì)計(jì)算書由現(xiàn)場驗(yàn)船師審核批準(zhǔn)，船廠設(shè)計(jì)和審核的依據(jù)一般是我國船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) “船用環(huán)氧機(jī)座墊片技術(shù)要求”（CB／T3514－92）。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備自重的靜壓應(yīng)力≤0.7 MPa，總壓應(yīng)力≤3.5 MPa，由以上兩個(gè)參數(shù)決定墊片承壓總面積。對于墊片厚度規(guī)定在15～70 mm之間，最佳厚度為25～45 mm。由螺栓壓縮引起的變形量在軸系調(diào)整中事先修正。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：墊片厚度每增加10 mm，軸線抬高0.01 mm。

設(shè)計(jì)計(jì)算書中要求包括［14］：

①柴油機(jī)或其它輔機(jī)的重量和型號；

②螺栓尺寸、材料牌號和數(shù)量；

③墊片分布圖和墊片尺寸；

④墊片有效面積；

⑤螺栓緊固力及拉應(yīng)力；

⑥螺栓扭力矩或液壓拉伸器的壓力。

審查環(huán)氧樹脂墊片時(shí)計(jì)算以下參數(shù)，檢查是否滿足規(guī)范要求：

1）由主機(jī)自重而產(chǎn)生在墊片上的靜壓應(yīng)力σ0

式中，W為主機(jī)自重 （包含主機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的潤滑油及冷卻水）；A為環(huán)氧樹脂墊片總有效面積。σ0≤0.7 MPa則符合要求。

2）由主機(jī)自重和安裝螺栓的擰緊力而產(chǎn)生在墊片上的總壓應(yīng)力σ：

式中，T為螺栓的總緊固力。對于總壓應(yīng)力σ，目前英國LR船級社作了規(guī)定，見表2。

表2 環(huán)氧樹脂墊片在不同使用溫度下的總壓應(yīng)力限值

挪威DNV、日本NK、法國BV和德國GL船級社等的要求基本上與英國LR相同。我國的船用標(biāo)準(zhǔn)則沒有溫度限制，對于總壓應(yīng)力的要求有一個(gè)范圍為2.5～3.5 MPa。

3）地腳螺栓擰緊力T

在計(jì)算地腳螺栓擰緊力時(shí)，除了要計(jì)及總壓應(yīng)力的限制，還要考慮主機(jī)制造廠商推薦的螺栓擰緊力（為確保機(jī)器不會移動，一般總緊固力應(yīng)大于主機(jī)自重的2.5倍）。

由于總壓應(yīng)力計(jì)算公式（2）中有2個(gè)未知數(shù)σ和T，所以在計(jì)算時(shí)有2種算法：

①先假定σ而后定出T；

②先假定T而后定出σ。

我國船舶標(biāo)準(zhǔn)中建議的是第一種方法，即：

假定墊片總壓應(yīng)力σ（小于標(biāo)準(zhǔn)要求上限3.5 MPa），則

然后檢驗(yàn)T／W是否大于2.5，否則不能確保機(jī)器不移動。

單個(gè)螺栓的緊固力：

式中，n為螺栓數(shù)。

若采用扭力扳手，螺栓的擰緊力矩Mt（N·m）：

式中，d為螺栓直徑，mm。

如果采用液壓拉伸器緊固螺栓，則緊固時(shí)液壓拉伸器的油壓公式為：

式中，σn為拉伸壓力；K為液壓系數(shù)，與螺栓尺寸有關(guān)；S為拉伸器活塞有效面積。

但事實(shí)上通常主機(jī)制造廠對地腳螺栓的液壓拉伸器拉伸壓力有規(guī)定（假設(shè)為σ1）。用第一種方法計(jì)算出的結(jié)果可能出現(xiàn)與規(guī)定不符的情況（σn＞σ1）。這實(shí)際上是由于先假定了墊片的總壓應(yīng)力。如果反過來計(jì)算：

設(shè)σn＝σ1，則 Tn＝σn×K×S

總緊固力 T＝Tn×n

總壓應(yīng)力σ＝T／A＋σ0，然后檢驗(yàn)σ是否小于船用規(guī)則要求的上限值3.5 MPa。

實(shí)際情況中，一般大中型主機(jī)制造廠商對于地腳螺栓的擰緊力矩或拉伸壓力都有明確的規(guī)定，此時(shí)必須按算法②進(jìn)行計(jì)算，來判斷總壓應(yīng)力σ是否滿足要求。而在對地腳螺栓的擰緊力矩或拉伸壓力沒有規(guī)定的情況下，可按算法①進(jìn)行計(jì)算，來判斷總擰緊力T是否大于設(shè)備自重的2.5倍。

4）螺栓拉應(yīng)力σn

CCS規(guī)范及我國船用標(biāo)準(zhǔn)對于螺栓的拉應(yīng)力只要求小于該螺栓材料的屈服強(qiáng)度，而未計(jì)及安全系數(shù)。而國際上其他幾個(gè)主要船級社的規(guī)范，均規(guī)定螺栓拉應(yīng)力應(yīng)小于其屈服強(qiáng)度的80%。

5）螺栓伸長量S

式中，LK為螺栓長度，mm；d為螺栓直徑，mm；Ah為液壓拉伸器活塞有效面積，mm2；σh為拉伸器拉伸壓力，MPa；K為液壓系數(shù)；E為彈性模量，MPa。

按照我國船用標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對于船舶主機(jī)環(huán)氧樹脂墊片的設(shè)計(jì)審查需要計(jì)算的參數(shù)包含前四項(xiàng)即可。但實(shí)際上考慮到主機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的振動，地腳螺栓的伸長量應(yīng)與緊固力一并在計(jì)算中考慮。德國GL船級社對地腳螺栓伸長量的下限有明確的規(guī)定，即當(dāng)總壓應(yīng)力小于3.5 MPa時(shí)，伸長量Smin＝0.12 mm；當(dāng)總壓應(yīng)力大于3.5 MPa時(shí)，伸長量Smin＝0.15 mm。

此外，對于墊片的布置，邊墊片和端墊片的設(shè)置也要進(jìn)行適當(dāng)?shù)目紤]。

4 澆注型環(huán)氧樹脂墊片在船舶軸系定位安裝中的應(yīng)用

80年代初期，隨著國內(nèi)外造船業(yè)的蓬勃發(fā)展，在軸系定位安裝中大量地采用一種澆注型環(huán)氧樹脂的新型材料。近30年來，我國在船舶主機(jī)軸系、艉軸管、舵軸承的定位，螺旋槳與槳軸的固定等方面也廣泛應(yīng)用了澆注環(huán)氧樹脂墊片這一新工藝。下面主要介紹環(huán)氧樹脂在艉軸管定位安裝中的應(yīng)用。

4.1 澆注環(huán)氧樹脂墊片工藝與傳統(tǒng)鏜孔安裝工藝的比較

長期以來，傳統(tǒng)上都是通過軸系鏜孔來實(shí)現(xiàn)艉軸管的定位，即將與艉軸管配合的軸轂 （人字架、艉柱、前支撐、隔艙加強(qiáng)板、座板等）焊接裝備在船體結(jié)構(gòu)上，以所確立的軸系理論中心線為基準(zhǔn)在各軸轂的端面上劃出加工圓線和檢驗(yàn)圓線，用鏜排（鏜桿）鏜削軸轂內(nèi)孔和端面至要求尺寸，再按照此尺寸于內(nèi)場加工艉軸管裝配在各軸轂內(nèi)以完成艉軸管定位［15］。澆注型環(huán)氧樹脂這一新材料的施工工藝是將在內(nèi)場加工到精尺寸的艉軸管提前送入留有很大間隙的各軸轂中，用調(diào)整螺栓調(diào)節(jié)艉軸管與所確立的軸系理論中心線的相對位置，使艉軸管中心線與軸系理論中心線相符，最后用環(huán)氧樹脂澆注填充艉軸管與軸轂之間的空間，待樹脂固化形成墊片即完成艉軸管定位。對比兩種工藝可以看出：

1）用傳統(tǒng)工藝安裝時(shí)使用的鏜排，其加工質(zhì)量受到很多因素的影響，如鏜桿裝置的剛性、加工設(shè)備的振動等。因此，用鏜排進(jìn)行艉轂孔的鏜孔加工，其加工質(zhì)量難以保證，而加工精度要求比較高，所以經(jīng)常會出現(xiàn)加工完工后，還需要手工拂配刮削才能達(dá)到要求。

2）鏜孔必須在船體上焊接軸承基座，需要消耗材料。整個(gè)鏜孔的周期比較長，一般鏜一個(gè)艉轂孔需要1個(gè)星期的時(shí)間。另外，艉軸管上與艉轂管內(nèi)孔相配合的外圓尺寸不能按圖紙加工，而必須事先留有一定的加工余量，在艉轂孔鏜孔完畢后根據(jù)實(shí)際尺寸精加工后才能進(jìn)行裝配，因此整個(gè)艉軸管加工裝配的周期很長。

3）采用澆注環(huán)氧樹脂工藝進(jìn)行艉軸管定位安裝時(shí)，艉轂孔（或前后軸承座）按圖紙尺寸加工后定位焊接在船體相應(yīng)位置，其內(nèi)孔與艉軸管外徑有很大間隙，所以不需鏜孔加工，艉軸管外圓可按圖紙尺寸一次性加工完成，然后上船安裝。安裝時(shí)只需調(diào)整艉軸管軸承內(nèi)孔與理論軸心線重合，在艉轂孔與艉軸管外圓之間澆注環(huán)氧樹脂，待環(huán)氧樹脂固化后，安裝過程就完成了，整個(gè)過程不過1～2天時(shí)間，所以艉軸管定位安裝的周期短。另外，環(huán)氧樹脂材料固化前后的線收縮率極小，不易產(chǎn)生偏差，以確保軸系中心線精確，因此安裝質(zhì)量比鏜孔安裝高。環(huán)氧墊片接觸面積大，貼合程度好，干固后與金屬間具有很高的摩擦系數(shù)，結(jié)合力強(qiáng)，使艉管與環(huán)氧、環(huán)氧與艉軸孔內(nèi)壁之間難以產(chǎn)生滑動。它的彈性模數(shù)隨絕對溫度的增高而成比例增大 （金屬材料是隨溫度的增高而減小的），因而當(dāng)軸系運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，盡管艉管區(qū)域溫度升高，環(huán)氧樹脂墊片也不會過早地發(fā)生塑性變形。

4.2 對軸系安裝中澆注環(huán)氧樹脂工藝的研究

1）對澆注工藝的研究

向功順［16］介紹了用Epocast 36環(huán)氧樹脂艉管校中的工藝，并對澆注過程中的設(shè)備、材料、程序進(jìn)行了闡述。游金祥［17］針對國內(nèi)大多數(shù)高速客輪軸系結(jié)構(gòu)的特殊性，介紹了使用環(huán)氧樹脂填充工藝解決細(xì)長軸系艉軸承安裝問題的方法。李錦通、呂庭豪［18］詳細(xì)介紹了船舶主機(jī)軸系安裝采用澆注環(huán)氧樹脂定位的工藝及技術(shù)要點(diǎn)。

2）對影響澆注的關(guān)鍵因素的研究

曹中華［19］分析了艉管環(huán)氧校中對軸系校中的影響，強(qiáng)調(diào)溫度、施工環(huán)境和環(huán)氧澆注環(huán)境是校中過程控制的重要影響因素。也有文獻(xiàn)指出澆注型環(huán)氧樹脂墊片的使用是要有其保障前提的，只有在工藝、設(shè)備、人員素質(zhì)等因素能夠配套跟上的時(shí)候，其才能盡顯優(yōu)越；而在配套因素達(dá)不到控制要求的生產(chǎn)條件下，新工藝的適用性將大打折扣。

3）對工藝進(jìn)行改進(jìn)的研究

要使艉軸管裝置達(dá)到定位的目的，一要保證環(huán)氧樹脂固定不動。從整個(gè)艉軸管裝置來看，艉柱是跟船體連在一起的，是固定不動的，這就要考慮如何使環(huán)氧樹脂與艉柱固定在一起，而且結(jié)構(gòu)要盡量簡單，緊湊可靠。二要保證艉軸管本身也固定不動。這就要考慮怎樣設(shè)計(jì)艉軸管兩端的結(jié)構(gòu)，以及相關(guān)的連接件結(jié)構(gòu)形狀。針對這些問題，李錦通［20］提供了設(shè)計(jì)對策，即環(huán)氧樹脂端部設(shè)計(jì)成法蘭形狀，并通過螺栓與艉柱牢固地連接在一起；對艉軸管后端部，設(shè)計(jì)成法蘭結(jié)構(gòu)與環(huán)氧樹脂相配；對艉軸管前端部，另外設(shè)計(jì)出一個(gè)前艉管壓蓋（法蘭蓋），并在壓蓋上布置了潤滑油進(jìn)出油孔。

劉立軍、孟慶揚(yáng)［21］對艉軸管工藝進(jìn)行了改進(jìn)與生產(chǎn)優(yōu)化。改進(jìn)工藝主要是對直筒型艉軸管與艉軸轂組成的密封空間進(jìn)行澆注（圖3）。所澆注的空間完全與艉軸管內(nèi)部隔開，避免了因澆注縫隙或氣泡產(chǎn)生的艉軸管泄漏，加強(qiáng)了其密閉性，同時(shí)使得艉軸管安裝方便，延長了艉軸承的使用壽命。改進(jìn)之處主要有：

①艉軸管采用整體式直筒型，把船首方向的定位螺栓放到軸包板以外，易于調(diào)節(jié)（見圖4）；

②去掉艉軸承套，艉軸承直接壓入艉軸管，另外加有定位法蘭（圖5）；

③去掉了艉軸套的連接螺栓孔，同時(shí)定位法蘭艉軸密封的螺栓孔，可拆卸法蘭進(jìn)行加工，縮短了工期和塢期；

④美人架上直接焊接艉軸轂，精確調(diào)節(jié)艉軸管。

圖3 環(huán)氧樹脂澆注示意圖

圖4 改進(jìn)工藝比較圖

4.3 艉軸管采用澆注型環(huán)氧樹脂墊片的設(shè)計(jì)審查

由于采用澆注環(huán)氧樹脂墊片這一新工藝后，整個(gè)艉軸管裝置的裝配結(jié)構(gòu)有所改變，故設(shè)計(jì)要求也更加嚴(yán)格。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)校核環(huán)氧樹脂的抗壓強(qiáng)度是否滿足要求。

圖5 艉軸管總體圖

澆注材料（以JN－120A為例）承受的靜壓力：

式中，M1為艉軸質(zhì)量；M2為艉軸管質(zhì)量；M3為螺旋槳質(zhì)量；L為澆注長度；D為艉軸管外徑。若σ0≤117 MPa（允許承受的最大靜壓力），則強(qiáng)度符合要求。

5 對船用環(huán)氧樹脂墊片的展望

5.1 環(huán)氧樹脂墊片的技術(shù)審核應(yīng)納入規(guī)范

澆注型環(huán)氧樹脂墊片的技術(shù)已經(jīng)成熟，并獲得廣泛的認(rèn)可。然而我國目前尚無對環(huán)氧樹脂墊片的理論計(jì)算的統(tǒng)一要求，對其應(yīng)用也未納入規(guī)范，僅有的依據(jù)是“船用環(huán)氧機(jī)座墊片技術(shù)條件”（CB／T 3514－92）和“驗(yàn)船師須知”（CCS）。從實(shí)際使用情況來看，一方面，“船用環(huán)氧機(jī)座墊片技術(shù)條件”僅僅適用于JN－120A澆注型環(huán)氧樹脂墊片，當(dāng)采用進(jìn)口環(huán)氧樹脂時(shí)，由于在某些技術(shù)參數(shù)上并不一致，該標(biāo)準(zhǔn)并不完全適用。而且，該標(biāo)準(zhǔn)是1993年頒布的，隨著環(huán)氧樹脂性能的不斷提高，工藝的不斷改進(jìn)，其不足和欠缺也逐漸反映出來。另一方面，供應(yīng)商推薦的樹脂墊塊下沉量大都為墊塊厚度的1／1 000，在實(shí)際工作中通常也是按照1／1 000的壓縮量來進(jìn)行軸線校中的，這與《驗(yàn)船師須知》中的1／10 000［22］不一致。由此可見，驗(yàn)船師對澆注型環(huán)氧樹脂工藝進(jìn)行審核時(shí)，需要一個(gè)統(tǒng)一的、實(shí)際操作性強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)。

隨著造船業(yè)中環(huán)氧樹脂墊片應(yīng)用的不斷廣泛和深入，建議CCS盡快頒布有關(guān)規(guī)范，為船用環(huán)氧樹脂墊片的使用提供完整的理論計(jì)算、安裝工藝及檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。

5.2 環(huán)氧樹脂墊片的性能將更加優(yōu)越

隨著化工技術(shù)的發(fā)展，環(huán)氧樹脂具有越來越好的性能，如優(yōu)良的粘結(jié)強(qiáng)度、耐水、耐熱、耐化學(xué)藥品、不易發(fā)霉、具有密封性等，因此這一材料在船舶輪機(jī)工程安裝中的應(yīng)用越來越廣泛。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬和深入，對環(huán)氧樹脂墊片技術(shù)性能的要求也越來越高。改進(jìn)環(huán)氧樹脂的性能一直是中外研究人員的“熱門”課題，在有關(guān)科技人員的努力下，各種韌性更好、強(qiáng)度更高、更耐高溫的環(huán)氧樹脂層出不窮；環(huán)氧樹脂生產(chǎn)企業(yè)也能依據(jù)產(chǎn)品的不同用途，選擇添加各種輔助材料 （如增塑劑、抗氧化劑等），或調(diào)整環(huán)氧中的成分配比，以滿足客戶對產(chǎn)品性能的要求。隨著科技的發(fā)展和應(yīng)用需求的不斷增加，高性能環(huán)氧樹脂墊片的研究將會有更大的進(jìn)展，更多品種、更高性能的船用環(huán)氧樹脂墊片將被開發(fā)出來，其用途也會更加廣泛。

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［22］驗(yàn)船師須知［S］.中國船級社，2008.

The Characteristics of Pouring Epoxy Resin Cushion and Its Application in Ships

Wang Xian1Li Tian－yun1Zhu Xiang1Jin Xiang2
1 School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China 2 Wuchang Shipbuilding Industry Company Ltd.，Wuhan 430060，China

This paper made a general description of the application of casting epoxy resin cushion in shipbuilding industry since the 1990s.It analyzed the reliability and economy of epoxy resin cushion and according to the application of epoxy resin cushion in shipping machinery and shaft installation，generalized the advantages of epoxy resin cushion by comparing the new technique with the traditional ones，and it introduced the development of casting epoxy resin cushion technique and the current design checking method.Besides，some expectations were put forward for the application of casting epoxy resin cushion in Chinese shipbuilding industry.

epoxy resin；casting；cushion；main engine；stern shaft axis

U671.99

A

1673－3185（2009）04－61－07

2009-03-18

海軍裝備預(yù)研項(xiàng)目（1010501020402）

王 仙（1986－），女，碩士研究生。研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。E-mail：pineapple_shian＠163.com

李天勻（1969－），男，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)振動與噪聲控制等。E-mail：ltyz801＠tom.com