高速艇推進軸系設(shè)計研討

楊濤　張周磊　付國偉

摘要：本文以孟加拉巡邏艇軸系設(shè)計為例，對高速艇推進軸系的設(shè)計要點進行研討，并簡要介紹了高速艇軸系設(shè)計的某些方法。

關(guān)鍵詞：高速艇；推進軸系；設(shè)計；要點

1.引言

推進軸系是確保船舶安全運行、總體性能指標達到設(shè)計要求以及提高船舶使用壽命的重要因素。

高速快艇與常規(guī)船舶相比具有不同的特點，主要表現(xiàn)為：船體型寬小，型深低，尾部空間狹窄，而主機功率大，軸長與軸徑的比值較大等等。軸系設(shè)計過程中，需根據(jù)以上特點并結(jié)合艇體結(jié)構(gòu)進行綜合分析，采取相應(yīng)的設(shè)計程序和設(shè)計方法，方可得到一個合理可行的軸系方案?，F(xiàn)以某孟加拉巡邏艇軸系設(shè)計為例，簡要介紹有關(guān)陜艇軸系的一些設(shè)計步驟和要點。

2.高速艇的相關(guān)參數(shù)

主尺度：總長-43m，型寬-6.4m，型深-3.6m；

最大航速：不小于25kn；

主機功率約：2臺x2000kW；

軸系全長：-11m；

中間軸徑：φ130mm。

3.涉及規(guī)范

CCS各種規(guī)范對軸系的要求大同小異。高速艇由CCS檢驗，軸系滿足規(guī)則規(guī)范：

（1）ccs《水面艦艇人級規(guī)范2011》（以下簡稱“規(guī)范”）及其修改通報；

（2）CCS《材料與焊接規(guī)范2012》（以下簡稱“材料規(guī)范”）及其修改通報。

4.推進軸系設(shè)計方法和要點

4.1主機的選型

本類型艇航速高，推進功率大，而機艙布置空間狹小，故對重量控制要求嚴格。為此，須選配功率大、重量輕的高性能高速柴油機作為主推進動力?？晒┻x用的知名品牌有MTU、CAT、CUMMINS、VOLVO、MWM等，主要是進口品牌或引進技術(shù)的柴油機。

確定柴油機型號時，除其功率須滿足要求外，其外型尺寸、重量、排放標準、售后服務(wù)等應(yīng)作為重要因素考慮，其次應(yīng)兼顧制造成本、船東意向等因素。

此外，選用高性能柴油機還須注意主機滿負荷使用率和年平均運行時間兩個參數(shù)。

本高速艇選用河南柴油機有限公司生產(chǎn)的引進MWM技術(shù)的TBD620V16型柴油機作為推進主機。

4.2齒輪箱選配

齒輪箱選配與主機參數(shù)有關(guān)，為此，在確定主機型號以后，方可進行齒輪箱選型。選型時除考慮其重量、外型尺寸、成本外，還須考慮以下主要因素：

（1）輸入轉(zhuǎn)速：齒輪箱的額定輸入轉(zhuǎn)速不得小于主機的額定轉(zhuǎn)速；

（2）傳遞能力：其能力應(yīng)不小于主機額定功率與主機額定轉(zhuǎn)速的比值，通常以kW/r/min表示；

（3）使用負荷：選用國外技術(shù)品牌的齒輪箱，要注意船舶年平均使用時間，對于同一型號的齒輪箱，如年平均使用時間增加，用于設(shè)計輸入的傳遞能力取值會降低。國產(chǎn)齒輪箱，僅有持續(xù)載荷參數(shù)；

（4）傳動比：根據(jù)螺旋槳轉(zhuǎn)速及主機轉(zhuǎn)速，可確定齒輪箱的傳動比；

（5）反轉(zhuǎn)、離合功能：對于采用可變螺距螺旋槳的推進系統(tǒng)，需選用無正反轉(zhuǎn)功能的齒輪箱；對于采用固定螺距螺旋槳的推進系統(tǒng)，選用具有離合及正反轉(zhuǎn)功能的齒輪箱；

（6）PTO功能：對需要軸帶大功率裝置的軸系，往往選用帶PTO功能的齒輪箱。

（7）船東意向和售后服務(wù)情況：設(shè)備廠家維修服務(wù)和配件供應(yīng)渠道應(yīng)讓用戶滿意。

（8）其他：采用螺旋槳推進時，應(yīng)該考慮齒輪箱是否需要帶推力軸承。

4.3軸系布置

軸系布置設(shè)計應(yīng)采用的步驟和方法。

4.3.1軸系中心線的確定

（1）水平位置：根據(jù)軸系數(shù)量、主機寬度、機艙寬度等因素，確定軸系水平面布置位置；

（2）螺旋槳定位：由總體專業(yè)根據(jù)尾部線型、槳直徑和舵裝置位置及槳可拆空間等情況確定螺旋槳中心前后位置；

（3）垂向位置：根據(jù)主機與齒輪箱組合的高度和機艙底部結(jié)構(gòu)及主甲板高度，確定主機和齒輪箱距基線的高度。其確定方法為：軸系中心線高度=基座高+墊片厚度+齒輪箱安裝面至輸出軸中心線的高度

（4）主機縱向位置：根據(jù)艇體尾部結(jié)構(gòu)和齒輪箱外型尺寸及機艙長度等參數(shù)，確定主機齒輪箱在機艙內(nèi)的前后位置；

（5）初定軸系中心線：經(jīng)過上述步驟后，螺旋槳中心點和齒輪箱輸出法蘭中心點的連線可初步確定為軸系的中心線；

（6）軸系中心線調(diào)整應(yīng)注意點：螺旋槳軸中心線應(yīng)與齒輪箱和主機中心線平行，并且齒輪箱輸出軸中心線應(yīng)盡量與螺旋槳軸中心線同軸心；軸系中心線應(yīng)盡量與艇體基線平行；

（7）布置檢查：在初步確定軸系布置后，應(yīng)根據(jù)主機、齒輪箱外型尺寸和機艙結(jié)構(gòu)進行放樣核查，對有夾角的軸系，需由總體專業(yè)進行推力分析核算，評估軸系布置對總體I生能的影響。

4.3.2軸承設(shè)置

軸承設(shè)置可采用以下步驟和方法：

（1）尾軸管軸承：通常，螺旋槳軸設(shè)有后軸承和前軸承，如果兩者之間的跨距過大，其中間可增加1～2道軸承。后軸承應(yīng)盡量靠近螺旋槳；

（2）中間軸承：根據(jù)螺旋槳前軸承與齒輪箱后軸承的跨距大小設(shè)置中間軸承；

（3）軸承跨距：通常由規(guī)范或設(shè)計手冊推薦的經(jīng)驗公式計算，并結(jié)合艇體結(jié)構(gòu)的布置情況來確定。主要方法是，軸承應(yīng)盡量布置在艇體強結(jié)構(gòu)處，并盡量使其跨距滿足《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》或其它船級社規(guī)范的推薦值。

4.3.3中間軸設(shè)置

根據(jù)軸系布置情況設(shè)置中間軸，對于長軸系，可設(shè)1-2根中間軸。

4.3.4聯(lián)軸節(jié)

小型艇的尾軸從艇尾部向前穿，為此，螺旋槳軸采用可拆式聯(lián)軸節(jié)與中間軸的固定法蘭聯(lián)接，中間軸與齒輪箱或主機采用固定式法蘭聯(lián)接。

4.3.5軸系附屬設(shè)施

（1）隔艙填料函：在軸穿過水密艙壁處應(yīng)設(shè)有隔艙填料函；

（2）制動裝置：配置軸系制動裝置，可防軸系隨水流自轉(zhuǎn)，保護齒輪箱和軸承；

（3）接地裝置：可設(shè)接地裝置，軸系與艇體連通，減少兩者之間的電位差，以使軸系亦可受到艇體上的犧牲陽極防腐蝕保護；

（4）其它：根據(jù)實際所需在軸系上配置扭力儀等。

4.4尾軸尾管總裝設(shè)計

完成軸系布置以后，方可進行尾軸尾管總裝設(shè)計。其設(shè)計通常采用以下步驟和方法。

4.4.1潤滑型式確定

尾軸承潤滑常用油潤滑或水潤滑型式。孟國拉巡邏艇采用水潤滑型式，水潤滑型式具有環(huán)保性好、無后密封裝置、冷卻效果好、維修方便等特點，但對于航行于重泥沙水域的船艇，應(yīng)注意選用耐磨軸承材料。

4.4.2軸徑確定

首先應(yīng)根據(jù)船舶規(guī)范要求進行軸系強度計算，確定各軸段的基本直徑，以及軸套厚度。

4.4.3軸承規(guī)格確定

后軸承最小長度按規(guī)范計算，而其厚度，規(guī)范未作規(guī)定，常按經(jīng)驗取得。軸承內(nèi)孔尺寸與所配軸頸直徑匹配，并保證裝配公差要求。在確定實際軸承規(guī)格時，應(yīng)盡量選用廠家標準件，以節(jié)省制造成本，提高其互換性。本艇螺旋槳軸的前軸承長度取1.5倍計算軸徑。

4.4.4軸承位置確定

鄰近螺旋槳的后軸承定位時，注意核查其后端面與螺旋槳端面間的距離，應(yīng)盡量減少螺旋槳軸后端懸臂長。

4.4.5螺旋槳裝配型式

小型快艇廣泛采用錐面配合有鍵連接方式，其螺旋槳鍵宜采用雪橇型，其鍵槽設(shè)計應(yīng)滿足規(guī)范要求。螺旋槳錐孔兩端應(yīng)采用密封措施，以防止海水滲入槳轂錐孔而引起腐蝕。

4.4.6配合公差確定

軸套與軸之間，軸與軸承間，軸承與軸承座間，密封裝置與配合件之間均應(yīng)標出配合公差。軸套與軸之間應(yīng)采用過盈配合，其過盈量可參照CB*228標準確定；軸與軸承間為間隙配合，其間隙值可參考CB/T3420或等效標準確定；軸承與軸承座間，常采用過渡配合；密封裝置與其偶合件之間配合公差按廠家推薦。

4.5軸材料選用

確定軸材料是軸系設(shè)計重要的一環(huán)，所選用軸材料的機械性能和化學(xué)成份應(yīng)符合規(guī)范的限定。為了減少軸表面質(zhì)量的敏感性，建議軸的抗拉強度小于800MPa。通常按以下方法確定軸材料：

4.5.1原材料選用

（1）熱軋圓鋼。如果軸可用直徑不超過φ250 mm的熱軋圓鋼加工成品，則可選用熱軋圓鋼而無須采用鍛件；

（2）鍛件。任何規(guī)格的軸均可采用鍛件。如采用鍛件，其化學(xué)成份和機械性能均須滿足CCS《材料與焊接規(guī)范》有關(guān)軸系鍛件的要求。

4.5.2證書要求

推進軸系用材料均應(yīng)取得CCS認可的材料證書；

4.5.3材質(zhì)的選用

船舶主推進軸采用碳鋼或碳錳鋼或合金鋼，并可參照選用CB/T1159標準所推薦的材質(zhì)。亦有一些小型快艇的尾軸裸露在海水中，而采用防腐性能比較好的不銹鋼材質(zhì)。

4.6軸零件設(shè)計

在完成軸系布置和尾軸尾管總裝設(shè)計后，方可進行軸零件圖設(shè)計，設(shè)計軸零件時，須參照總裝圖和軸系布置圖進行。

4.6.1與螺旋槳裝配的軸段設(shè)計

對小型快艇，螺旋槳與軸通常采用錐度配合有鍵聯(lián)接方式。

（1）錐體。其錐度為1/20-1/10，長度通常由螺旋槳轂長度決定，并滿足裝配后，軸錐體小端凹進螺旋槳后端10-20 mm，且螺旋槳孔大端不得超出軸錐體大端；

（2）鍵槽。應(yīng)滿足規(guī)范要求，鍵槽寬度常以軸錐體大端直徑為基數(shù)確定；

（3）尾螺紋。螺旋槳由專用螺帽或?qū)Я髅惫潭?，其螺紋軸端直徑應(yīng)不小于螺旋槳軸錐體大端計算直徑的60%。

4.6.2軸頸設(shè)計

（1）軸頸位置。軸頸在軸上的位置應(yīng)滿足軸系布置和尾管總裝圖的要求，并注意軸徑大小的變化方向應(yīng)與施工穿軸方向相吻合；

（2）直徑確定。軸頸通常比基本軸徑大5-10mm，留有足夠的磨損余量，對采用軸套的軸頸，比基本軸徑大1～5 mm，且應(yīng)注意其軸徑的變化方向應(yīng)與裝配軸套方向相吻合；

（3）長度。與各軸承配合處的軸頸長度需超出軸承兩端面20-50 mm。對采用包玻璃鋼保護的軸，軸頸兩端還應(yīng)留有足夠的包扎過渡空間。

4.6.3基本軸段設(shè)計

除需通過加大軸徑來調(diào)節(jié)振動頻率外，通常各段基本軸的直徑比規(guī)范計算值大5～10 mm，且允許從尾部向前，逐漸過渡到中間軸直徑。CCS規(guī)范允許不銹鋼軸實取直徑比計算值減少10%，但本文認為，如要采納此條意見，建議進行屈服安全系數(shù)核算，其結(jié)果應(yīng)符合相關(guān)要求。

4.6.4與聯(lián)軸節(jié)裝配的軸段設(shè)計

尾軸與中間軸用可拆聯(lián)軸節(jié)聯(lián)接，常用可拆聯(lián)軸節(jié)有：機械可拆聯(lián)軸節(jié)和液壓可拆聯(lián)軸節(jié)兩種型式。機械可拆聯(lián)軸節(jié)與軸聯(lián)接為錐度配合有鍵聯(lián)接方式，采用人工研配法安裝，其設(shè)計方法與上述螺旋槳的裝配軸段設(shè)計方法相似。而液壓可拆聯(lián)軸節(jié)與軸連接常為直軸無鍵配合方式，該軸段通常為直軸，其尺寸應(yīng)按液壓聯(lián)軸節(jié)廠家要求設(shè)計。

4.6.5中間軸設(shè)計

中間軸兩端采用固定法蘭型式，與尾軸或中間軸、齒輪箱輸出法蘭連接，其法蘭厚度應(yīng)滿足規(guī)范要求。對應(yīng)中間軸承的位置應(yīng)設(shè)有軸頸，其軸徑比基本軸徑大5-10 mm，長度比中間軸承寬度多50-100 mm。

4.6.6連接螺栓設(shè)計

軸系連接采用普通螺栓或，和鉸孔螺栓，無論采用何種連接型式，其連接螺栓直徑均須按照規(guī)范要求進行強度校核。螺栓在法蘭盤上的分布位置，應(yīng)保證不會對連接法蘭根部產(chǎn)生嚴重根切。

4.6.7軸零件加工公差確定

推進軸零件的各軸段或/和法蘭均應(yīng)有形狀公差和位置公差要求。形狀公差有：圓度、圓柱度、平面度等；位置公差有：各軸頸相對于軸中心線的跳動公差，連接法蘭相對于軸中心線的垂直度、端面跳動、法蘭外圓徑向圓跳動等。其公差值可參照CB*228標準確定。

4.6.8其它

倒角、圓角、表面光潔度。為了減少表面的應(yīng)力集中等問題，在軸變徑處應(yīng)有足夠尺寸過渡倒角或圓角，且整個軸的外表面應(yīng)具有足夠的表面光潔度。表面光潔度取值參照CB*228標準確定。對受較復(fù)雜交變應(yīng)力或易產(chǎn)生摩擦阻力的軸段，可適當提高其表面光潔度。

4.7軸系計算

4.7.1軸系強度計算書

在軸系設(shè)計開始前，應(yīng)按照規(guī)范有關(guān)規(guī)定進行軸系強度計算，首先確定中間軸和螺旋槳軸的基本直徑，然后根據(jù)實際軸系布置、總裝圖等調(diào)整計算書中數(shù)據(jù)，使計算書中內(nèi)容與圖紙一致。計算的主要項目包括：

（1）基本軸徑計算。應(yīng)按照規(guī)范計算中間軸、螺旋槳軸及其它軸段的直徑；

（2）軸套厚度計算；

（3）連接螺栓強度校核；

（4）法蘭厚度校核；

（5）鍵強度校核等。

4.7.2縱向穩(wěn)定性核算

對于快艇，其軸承跨距往往大于規(guī)范的推薦值，且軸向推力大，為此需按照CB/Z208標準或規(guī)范，對跨距與軸徑比值最大的軸段進行縱向穩(wěn)定性核算。如果計算不滿足要求，可采用調(diào)整軸徑、選用彈性系數(shù)較高的材料、減少承軸跨距等措施，或按規(guī)范要求設(shè)轉(zhuǎn)速禁區(qū)。

4.7.3回旋振動估算

對于快艇，其軸承跨距較大，除上述計算外，往往需增加軸系橫向振動核算。核算方法可參照CB/Z208標準進行，其計算所得臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)超過軸系最大轉(zhuǎn)速20%。如計算不滿足要求，可調(diào)整軸徑或軸承跨距等參數(shù)，或按規(guī)范要求設(shè)轉(zhuǎn)速禁區(qū)。

4.7.4扭振計算

對于快艇，主機功率大，往往需要進行軸系扭轉(zhuǎn)振動理論計算。通常采用軟件程序計算，但該計算軟件應(yīng)得到船檢認可。如計算不滿足要求，可采用調(diào)整軸徑、改變彈性聯(lián)軸器參數(shù)等措施。除計算外，在首制艇上還需進行振動實測。轉(zhuǎn)速禁區(qū)設(shè)置須滿足規(guī)范要求。

4.7.5縱向振動計算

通常，對于螺旋槳至推力軸承的距離大于60倍中間軸的軸系應(yīng)進行縱向振動計算。其最大縱向振幅值不得超過規(guī)范要求，否則需設(shè)轉(zhuǎn)速禁區(qū)。

4.7.6校中計算

對于快艇，其軸系布置與常規(guī)艇具有不同的特點，主要表現(xiàn)為軸系較長，尾管內(nèi)軸承數(shù)量不止2道，往往難以保證軸承負荷合理分配和軸系的內(nèi)應(yīng)力在規(guī)定范圍內(nèi)。為此，除規(guī)范規(guī)定外，通常對小型快艇也進行軸系校中計算。計算的參數(shù)主要有：各軸承負荷、軸承負荷影響系數(shù)、指定截面的彎矩、剪力、轉(zhuǎn)角、撓度等。其計算結(jié)果將用于軸系安裝對中工藝。

5.結(jié)束語

綜上所述，軸系應(yīng)按照規(guī)范要求進行設(shè)計，對無法滿足規(guī)范或存在疑問的項目，應(yīng)增加理論核算以消除疑慮。本文以孟加拉巡邏艇為例，簡述了快艇軸系設(shè)計的一些方法和要點，可供相關(guān)人員共同研討。