某實(shí)船軸系負(fù)荷校中分析

侯淑芳 葛志祥

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南通 226010）

船舶軸系是連接主柴油機(jī)和螺旋槳的傳動(dòng)部分，將主機(jī)發(fā)出的功率傳遞給螺旋槳，再將螺旋槳產(chǎn)生的軸向推力傳遞給船體，實(shí)現(xiàn)船舶航行。軸系的作用重大，將軸系校中至可接受的標(biāo)準(zhǔn)，才能讓主動(dòng)力系統(tǒng)正常運(yùn)行，才能讓船舶安全航行，否則，容易產(chǎn)生軸承故障等問(wèn)題，因此軸系校中是一項(xiàng)艱難的任務(wù)。

1 軸系介紹

某實(shí)體船的軸系由一段中間軸、螺旋槳軸和螺旋槳組成，分別由中間軸承和艉管軸承支撐。艉軸管首尾密封都采用油密封。中間軸為整體鍛造合金鋼，軸兩端自帶法蘭；螺旋槳軸與中間軸承由聯(lián)軸節(jié)連接，由優(yōu)質(zhì)碳鋼鍛造而成，與螺旋槳采用油壓無(wú)鍵套合連接。具體組成和尺寸如圖1。

圖1 該船軸系的組成和尺寸

2 軸系負(fù)荷校中

2.1 校中計(jì)算

在軸系詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，根據(jù)船舶所有裝載和冷熱情況下進(jìn)行軸系的校中計(jì)算。通過(guò)校中計(jì)算，應(yīng)確保各軸承的最小負(fù)荷不低于該軸承支撐的軸重的20%，各軸承的最大負(fù)荷不超過(guò)其允許極限值；軸系具有合理的軸彎曲應(yīng)力和軸承反力，并且受船體變形或軸承高度的影響降到最低。

在進(jìn)行軸系對(duì)中計(jì)算時(shí)，首先要建立軸系模型，然后進(jìn)行受力分析，得到軸截面的彎矩或彎曲應(yīng)力、剪力、兩軸間連接法蘭的偏移和曲折值、軸承負(fù)荷和軸承負(fù)荷影響系數(shù)等。

2.2 軸系安裝

通常，由于船體變形等因素的影響，按直線校中是不合理的，軸系無(wú)法保證無(wú)彎曲的運(yùn)轉(zhuǎn)，以前采用直線校中的軸系出現(xiàn)了嚴(yán)重的問(wèn)題如主機(jī)軸承損傷等。從上世紀(jì)后期開(kāi)始，各個(gè)國(guó)家都致力于軸系校中研究，考慮機(jī)艙雙層底的變形，重點(diǎn)檢查軸承受力情況，重心逐步向關(guān)注軸承負(fù)荷轉(zhuǎn)移。為了保證軸承負(fù)荷在正常范圍內(nèi)，將軸承上的允許負(fù)荷換算成連接法蘭上的偏移、曲折允許值，從而可用調(diào)整法蘭上允許偏移、曲折值來(lái)限制軸承上的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)按軸承上允許負(fù)荷校中軸系。

根據(jù)軸系校中計(jì)算的結(jié)果，采用連接法蘭的偏移值和曲折值方法來(lái)校中軸系，對(duì)軸系進(jìn)行安裝調(diào)整，從而保證軸承負(fù)荷在允許的范圍之內(nèi)。相鄰軸兩連接法蘭的軸心線不同軸但平行的現(xiàn)象稱(chēng)為偏移，偏移的數(shù)值稱(chēng)偏移值，用SAG 表示；相鄰軸兩連接法蘭的軸心線相交的現(xiàn)象稱(chēng)為曲折，相交角度的大小稱(chēng)為曲折值，用GAP 表示。大量的實(shí)踐證明，連接法蘭的允許偏移值和曲折值不是越小越好，目前都有將允許值適當(dāng)放寬的趨勢(shì)。安裝順序是從船尾向船首逐根定位，先定位螺旋槳軸（螺旋槳軸），以螺旋槳軸前法蘭為基準(zhǔn)，再定位中間軸，最后對(duì)主機(jī)。

軸系安裝過(guò)程中，螺旋槳軸和中間軸，首先彼此分開(kāi)，然后將螺旋槳軸放置在支撐上，并調(diào)整其高度，之后放中間軸，根據(jù)需要設(shè)置臨時(shí)支撐，如圖2所示，以螺旋槳軸法蘭作為調(diào)整依據(jù)，調(diào)整每一個(gè)支撐包括臨時(shí)支撐和中間軸承的位置高度，以保證螺旋槳軸和中間軸連接法蘭達(dá)到的預(yù)先計(jì)算出的偏移值和曲折值范圍，如圖3所示。放置好中間軸之后，以中間軸的前端法蘭來(lái)定位主機(jī)。安裝的時(shí)候，在螺旋槳軸的前法蘭端還需千斤頂提供一定的外力，來(lái)進(jìn)行固定，再合理地分析處理連接法蘭的偏移和曲折，如圖4所示。

圖2 臨時(shí)支撐的設(shè)置

圖3 基于偏移和曲折的軸系校中

安裝過(guò)程中，采用塞尺來(lái)測(cè)量連接法蘭上的曲折值（如圖5所示），采用千分尺或直尺-塞尺來(lái)測(cè)量偏移值（如圖6所示），測(cè)量時(shí)取垂直面和水平面，即上、下、左、右4個(gè)位置，如圖7所示。

圖4 千斤頂外加負(fù)載

圖5 采用塞尺測(cè)法蘭的曲折值

圖6 采用千分尺來(lái)測(cè)法蘭的偏移值

圖7 偏移值和曲折值的測(cè)量方法

偏移值測(cè)量時(shí)，用測(cè)深千分尺在法蘭的外圓面的上、下、左、右4 個(gè)位置上測(cè)量，分別用Z上、Z下、Z左、Z右4個(gè)數(shù)值來(lái)表示。

在垂直平面內(nèi)相鄰軸連接法蘭上的偏移值SAG⊥為：

SAG⊥=（Z上+Z下）／2

在水平平面內(nèi)相鄰軸連接法蘭上的偏移值SAG＿為：

SAG＿=（Z左+Z右）／2

曲折值測(cè)量時(shí)，用塞尺分別在相鄰軸連接法蘭的上、下、左、右4個(gè)位置測(cè)量?jī)煞ㄌm端面之間的間隙，分別用Y上、Y下、Y左、Y右4 個(gè)數(shù)值來(lái)表示。

在垂直平面內(nèi)相鄰軸連接法蘭的曲折值GAP⊥為

GAP⊥=（Y上-Y下）／D mm／m

在水平平面內(nèi)相鄰軸連接法蘭的曲折值GAP＿為

GAP＿=（Y左-Y右）／D mm／m

式中，D——法蘭直徑，mm。

測(cè)量時(shí)記錄并計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)，該船軸系連接法蘭的偏移值和曲折值如表1所示。

表1 該船軸系連接法蘭的偏移值和曲折值（單位：mm）

2.3 軸承負(fù)荷曲線的分析

在頂舉法測(cè)量軸承負(fù)荷時(shí)，采用的測(cè)量設(shè)備為液壓千斤頂和百分表，由帶壓力表的油泵提供壓力油。首先在待測(cè)軸承就近的軸下位置安裝放置千斤頂?shù)闹ёS上對(duì)應(yīng)點(diǎn)安放百分表，保證千斤頂?shù)捻斉e點(diǎn)和百分表量桿的觸點(diǎn)在同一軸頸界面上的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)位置。測(cè)量時(shí)，用千斤頂將軸慢慢頂起，直到軸與軸承完全脫開(kāi)，此時(shí)軸承上部間隙幾乎為零，可隔10-50bar的壓力測(cè)取一次讀數(shù)，記錄相應(yīng)的壓力值和頂起距離，注意壓力值不是預(yù)定壓力而是壓力表的實(shí)際讀數(shù)。之后，千斤頂慢慢卸油，使該軸緩慢下降，同樣做記錄。在讀數(shù)據(jù)時(shí)，一定要注意，必須在油泵壓力穩(wěn)定時(shí)，以及百分表數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)，再讀數(shù)值。

用頂舉法分別測(cè)量艉管前軸承和中間軸承負(fù)荷時(shí)，分別得到了如圖8和圖9所示的曲線。

2.3.1 尾管前軸承的頂升曲線及分析

圖8表明，其上升曲線和下降曲線由于千斤頂、百分表和軸的內(nèi)阻，并不重合，而是下降曲線滯后于上升曲線。并且，理論上，軸與軸承脫離后，繼續(xù)上升和下降應(yīng)為直線段，反應(yīng)千斤頂處的軸位移和其負(fù)荷呈線性關(guān)系，但是實(shí)際過(guò)程中，由于液壓千斤頂阻力和液壓油存在內(nèi)部漏泄等的影響，直線段部分呈波動(dòng)狀態(tài)。

根據(jù)軸承的間隙頂舉時(shí)不能超過(guò)1mm，通常取大于0.20mm為數(shù)據(jù)分析段。0.20mm 以?xún)?nèi)，由于軸與軸承的實(shí)際接觸點(diǎn)不斷變化，使得千斤頂與軸承支點(diǎn)間的距離一直變化，對(duì)軸承負(fù)荷具有很大影響，可不進(jìn)行分析。

尾管前軸承實(shí)際負(fù)荷Rs=A×k×（Ra+Rb） ／2 = 54.24 cm2× 1.00 ×（78bar+94bar）／2 =4664.64 ×1／100 =46.65KN，小于其最大的允許負(fù)荷值54KN，符合負(fù)荷要求。

式中A—液壓千斤頂活塞面積cm2；k—修正系數(shù)1.00；Ra—頂起負(fù)荷bar；Rb—頂降負(fù)荷bar Rs—尾管前軸承實(shí)際負(fù)荷KN。

圖8 艉管前軸承頂舉曲線

2.3.2 中間軸承的頂升曲線及分析

圖9的分析數(shù)據(jù)同樣取大于0.20mm 的數(shù)據(jù)段，依上述公式Ri=A×k×（Ra+Rb）／2=50.24 cm2×1.000×（110bar+154bar）=6631.68×1／100=66.32（KN），符合其58±12KN的要求。

圖9 中間軸承頂舉曲線

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著船舶大型化和高輸出功率的發(fā)展，軸系校中過(guò)程中稍有差池都會(huì)導(dǎo)致各種風(fēng)險(xiǎn)，因此軸系對(duì)中是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的程序，要嚴(yán)格的按照軸系計(jì)算書(shū)，進(jìn)行安裝、測(cè)量、調(diào)整，是不斷的預(yù)對(duì)中-測(cè)量-調(diào)整-測(cè)量，要確保軸系的校中質(zhì)量，確保在船舶全負(fù)荷狀態(tài)下，船體變形等因素引起的軸承反力不超出允許范圍，提高主動(dòng)力裝置的運(yùn)行可靠性。

1 Class NK.Guidelines on shafting alignment.2006.06.

2 V.M.Kozousek，P.G.Davies.Lloyd’s Register.Analysis and survey procedures of propulsion systems：shaft alignment.2000.

3 CCS.鋼制海船入籍規(guī)范，2006.

4 張金香.船舶軸系安裝與校中［J］.機(jī)電技術(shù)，2005.

5 滿(mǎn)一新.船機(jī)維修技術(shù)［M］.大連海事大學(xué)出版社，1999.