軸系動態(tài)校中技術(shù)在大型船舶上的應(yīng)用研究

何江華，潘偉昌，羅 樂，習(xí) 猛，宗晶晶

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引 言

為了迎合船東對于船舶運(yùn)營的高效性追求，船舶趨于大型化或高速化，大型而又高速化的船舶要求其配備更大功率的主機(jī)和更大面積的螺旋槳，這些因素都直接導(dǎo)致了船舶軸系的靜態(tài)和動態(tài)負(fù)荷加大，給船舶軸系的設(shè)計和安裝工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。在當(dāng)前船舶軸系校中計算和校中工藝中，對航行時的動態(tài)因素考慮較少，導(dǎo)致船舶在試航或營運(yùn)過程中常會在軸系上出現(xiàn)各種問題，影響到船舶運(yùn)營安全并可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，全面考慮動態(tài)因素對軸系校中的影響是船舶設(shè)計和建造過程中一項很重要的任務(wù)。

滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司設(shè)計建造的某大型民用船舶是國內(nèi)首制的“三高”船舶產(chǎn)品，在該類型船的建造過程中常遇到艉軸承高溫的問題。通過對軸系動態(tài)校中進(jìn)行深入的研究，在艉軸承上安裝軸系狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，解決了問題。本文主要介紹這一監(jiān)測系統(tǒng)的原理，并簡述運(yùn)用該系統(tǒng)對該類型船舶軸系監(jiān)測的成果。

1 軸系狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)簡介

軸系狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是通過在艉管前后軸承的幾個截面上安裝位移傳感器（見圖1），實(shí)現(xiàn)對艉軸位置的監(jiān)測，以便分析艉軸形態(tài)，然后結(jié)合軸系靜態(tài)校中和船舶軸系的操作狀態(tài)，評估軸系的校中狀況和軸系的工作性能。

實(shí)船具體方案為：在艉管后軸承上選取4個截面，艉管前軸承上選取兩個截面，每一個截面上安裝兩個位移傳感器，合計6個截面共12個傳感器。傳感器布置位置參見圖1，6個截面從艉向艏依次標(biāo)注為“截面①”、“截面②”、“截面③”、“截面④”、“截面⑤”、“截面⑥”以便于區(qū)分。

圖2顯示了艉軸監(jiān)測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。通過位移傳感器3測量出艉軸4的外表面與艉管后軸承2和艉管前軸承5的內(nèi)表面的間隙，可以確定艉軸4上的6個對應(yīng)截面相對于艉管軸承的位置，考慮到艉軸4的連續(xù)性，艉軸的變形情況就可以在數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng)9上表現(xiàn)出來。另外，通過I/O多通道信號采集裝置8，還可以將船舶集成自動化系統(tǒng)（IAS）7中的軸系轉(zhuǎn)速信號、舵角信號和艉管軸承的溫度信號等一起采集并輸送到數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng)9。在船舶操作過程中，數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng)9持續(xù)地將軸系的運(yùn)行狀況顯示并記錄下來，可為我們提供軸系運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時的可視化的參考。

圖3是數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng)9的顯示界面，這一截圖顯示的是軸系連接好后主機(jī)停車的狀態(tài)。圖下方從左向右依次是艉管軸承從左向右的六個艉軸截面以及各截面處油膜的最小厚度，分別為截面①0.114mm、截面②0.197mm、截面③0.176mm、截面④0.150mm、截面⑤0.171mm和截面⑥0.072mm。另外，軸系轉(zhuǎn)速顯示為0，舵角顯示為0，艉管前軸承溫度顯示為+25.1℃，艉管后軸承溫度顯示為+28℃。這些信息綜合起來就可以直觀地表現(xiàn)出在多大的轉(zhuǎn)速（大致地與航速、軸功率等相關(guān)）下，打了哪個方向的多大的舵角,是否造成了軸承的溫度變化,并且還可以判斷艉軸和艉軸承的貼合是否正常等。

圖1 艉管軸承傳感器布置

圖2 軸系監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 軸系監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)船上的應(yīng)用

該大型民用船采用蒸汽透平動力、單軸系定距槳推進(jìn)[2]，配備中間軸和艉軸各一根。軸系的基本布置參考圖4。艉管后軸承設(shè)計為單斜度，斜率0.4mm/m。圖5顯示了該船的軸系校中計算[3]模型，圖6是軸系校中計算所得到的軸系靜態(tài)校中結(jié)果。從中可以得到軸系軸承靜態(tài)變位值，見表1。

圖3 數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng)的顯示界面

圖4 軸系布置

圖5 軸系校中計算模型

表1 靜態(tài)軸系軸承變位值 mm

圖6 靜態(tài)軸系軸承變位

2.1 確認(rèn)軸系的靜態(tài)對中狀態(tài)

在艉管軸承壓入艉管后，通過再次照光，得到各軸承的變位情況，發(fā)現(xiàn)艉管后軸承中心相對軸系中心線的斜率為0.3mm/m，比設(shè)計值0.4mm/m小。經(jīng)過船級社確認(rèn)，這一結(jié)果偏差可以接受。重新計算軸系校中的結(jié)果如圖7所示。從中可以得到軸系靜態(tài)校中相關(guān)數(shù)據(jù)，見表2。軸系安裝過程中所測得軸承負(fù)荷與校中計算結(jié)果的比較參見表3。顯然，經(jīng)過調(diào)整，軸系的靜態(tài)校中結(jié)果設(shè)計值與實(shí)測值有良好的吻合。

圖7 軸系靜態(tài)軸承變位和軸承負(fù)荷值

表2 新算得軸系靜態(tài)校中結(jié)果

表3 軸承負(fù)荷比較 kN

2.2 軸系動態(tài)運(yùn)行情況測量

為了保證軸系的安全，用軸系監(jiān)測系統(tǒng)對軸系在碼頭和試航期間的各種操作情況進(jìn)行了全程監(jiān)測。以下幾個階段是監(jiān)測工作的重點(diǎn)： 1) 軸系初次運(yùn)轉(zhuǎn)；2) 船過淺水區(qū)域；3) 試航初期的磨合階段。表 4列出了軸系磨合程序的步驟。

在對磨合過程的監(jiān)測時，發(fā)現(xiàn)軸系運(yùn)轉(zhuǎn)速度初次升到全速運(yùn)行過程中的一個風(fēng)險點(diǎn)：在船舶從低速初次加速到全速83r/min并嘗試小角度打右舵時，監(jiān)測到艉管后軸承的溫度快速上升，從大約31℃迅速的升到約37.7℃。為了防止軸承溫度持續(xù)上升損壞艉軸承，則先降速，然后再回到全速狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)的操舵磨合。幾個小時之后，艉管軸承的溫度開始趨于平穩(wěn)并逐漸下降，在此期間，艉管軸承的溫度最高達(dá)到39.2℃，這一溫度對于白合金軸承仍然是十分合理的。最終，磨合的結(jié)果得到船級社和船東的高度認(rèn)可。

表4 軸系磨合程序

此外，通過持續(xù)監(jiān)測，還發(fā)現(xiàn)該船軸系一個運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)：在打右舵時螺旋槳受到較大的壓力，艉軸處于較為理想的運(yùn)行狀態(tài)，和艉軸承貼合良好；在打左舵時，螺旋槳的動態(tài)受力和右舵相比不是很理想，導(dǎo)致艉軸在艉軸腔內(nèi)會向上飄，不過此時軸承的溫度約為32℃，依然良好。

3 結(jié) 語

通過對該船軸系動態(tài)校中的研究，可得出如下結(jié)論：1) 結(jié)合軸系狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行的軸系校中工作可以獲得良好軸系靜態(tài)校中結(jié)果；2) 軸系運(yùn)轉(zhuǎn)初期的磨合過程十分關(guān)鍵。此時軸承產(chǎn)生高溫的風(fēng)險很大，結(jié)合軸系狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測進(jìn)行合理的運(yùn)轉(zhuǎn)磨合可以控制這類風(fēng)險；3) 在該船的營運(yùn)過程中，如果遇到惡劣工況，打右舵會比打左舵軸系運(yùn)營安全系數(shù)更高；4) 利用軸系狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可以適當(dāng)彌補(bǔ)當(dāng)前民用船舶主要采用的軸系靜態(tài)校中技術(shù)的缺陷，同時還能夠給船舶的運(yùn)營提供有益的指導(dǎo)。

[1] 美國船級社.Guidance Notes on Propulsion Shafting Alignment[S]. 2004.

[2] 王國強(qiáng)，盛振邦. 船舶推進(jìn)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1985.

[3] 耿厚才. 船舶軸系的動態(tài)校中計算[J]. 上海：江南集團(tuán)技術(shù)，2009, (2): 4-7.