小型氣墊船推進(jìn)軸系設(shè)計(jì)特點(diǎn)淺析

陳德娟 胡云波 徐一馳

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

全墊升氣墊船是介于常規(guī)排水型船舶與飛機(jī)之間的一種新型運(yùn)載工具［1］，為克服航行中的波浪阻力和興波阻力以獲得較高的航速，設(shè)置墊升風(fēng)機(jī)為船體底部的圍裙充氣，從而產(chǎn)生氣墊將船托起，航行時(shí)船體全部脫離支撐表面，其推進(jìn)裝置多采用空氣螺旋槳。根據(jù)使命任務(wù)及動力設(shè)備布置特點(diǎn)，小型全墊升氣墊船動力傳動系統(tǒng)一般包括推進(jìn)系統(tǒng)和墊升系統(tǒng)兩部分，本文著重介紹推進(jìn)系統(tǒng)中推進(jìn)軸系的設(shè)計(jì)。

1 某小型全墊升氣墊船推進(jìn)墊升系統(tǒng)

小型全墊升氣墊船所需的推進(jìn)與墊升功率較小，受布置空間和重量控制等因素制約，常選用前、后輸出的小型風(fēng)冷柴油機(jī)作為主動力，同時(shí)驅(qū)動墊升風(fēng)機(jī)及空氣變距螺旋槳，典型的動力傳動系統(tǒng)布置如下頁圖1所示。其中推進(jìn)系統(tǒng)由主機(jī)飛輪端連接的主動軸系、螺旋槳推進(jìn)軸系、齒形同步帶、空氣變距螺旋槳、及液壓變距油缸組成。螺旋槳推進(jìn)軸系由主動軸系通過齒形同步帶驅(qū)動，用于向空氣變距螺旋槳輸出功率，并將螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力傳遞給船體［2］，同時(shí)內(nèi)部套軸還兼作螺旋槳變距的傳動部件。

2 空氣螺旋槳及其變距機(jī)構(gòu)

螺旋槳選用航空空氣變距螺旋槳，由于槳葉直徑短、變距執(zhí)行力小，故其變距所需轉(zhuǎn)動力矩較小，采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)即能滿足變距需求，螺旋槳變距結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其主要包括槳轂（含槳?dú)?、推力軸承、機(jī)械變距機(jī)構(gòu)等）、槳葉、配重組件、變距推桿。其中槳轂內(nèi)置的機(jī)械變距機(jī)構(gòu)，可在變距推桿的作用下將液壓變距油缸的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)闃~的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，調(diào)整槳葉螺距角，從而改變螺旋槳的推力大小及其方向。采用該變距機(jī)構(gòu)，槳轂內(nèi)無需設(shè)置變距油缸及變距油路，結(jié)構(gòu)形式簡單可靠，無需潤滑油，維護(hù)保養(yǎng)方便。

3 推進(jìn)軸系設(shè)計(jì)

考慮螺旋槳變距推桿的布置及運(yùn)動特性，將推力軸設(shè)計(jì)為中空軸形式，變距推桿貫穿于推力軸的中孔。整套推進(jìn)軸系包括推力軸、內(nèi)部變距推桿軸、推力軸承、支撐軸承、同步帶帶輪（被動端）、變距轉(zhuǎn)換軸承等，見下頁圖3。

3.1 軸系校核

軸材料為高強(qiáng)度合金鋼，參照相關(guān)規(guī)范計(jì)算推力軸基本軸徑，再根據(jù)與變距推桿配合間隙要求確定推力軸的中孔直徑，并對軸的實(shí)際外徑進(jìn)行計(jì)算修正。

針對推力軸法蘭厚度、法蘭根部過渡圓角半徑、同步帶輪與軸連接鍵尺寸、推桿軸與槳?dú)そY(jié)合面緊配螺栓直徑根據(jù)規(guī)范進(jìn)行校核。

3.1.2 軸系負(fù)荷計(jì)算

采用三彎矩方程計(jì)算推進(jìn)軸軸承及帶輪中心的支反力和彎距，計(jì)算簡圖如圖4所示，計(jì)算結(jié)果可用作后續(xù)強(qiáng)度校核的計(jì)算輸入。

圖中，A、C為推力軸承及支撐軸承支點(diǎn)，B為同步帶中心，主要受力包括螺旋槳質(zhì)量Q1、同步帶張緊力Q2以及推力軸自重產(chǎn)生的均布載荷。

3.1.3 危險(xiǎn)截面強(qiáng)度計(jì)算

②計(jì)算論證范圍內(nèi)地下水可開采量，并結(jié)合論證范圍內(nèi)現(xiàn)狀地下水的開采情況計(jì)算剩余可開采量是否滿足項(xiàng)目新增用水需求。

針對推力軸上各軸承支點(diǎn)處、法蘭圓角、同步帶鍵槽以及所有變截面處進(jìn)行應(yīng)力校核，并確定各點(diǎn)安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果需滿足規(guī)范規(guī)定的許用設(shè)計(jì)應(yīng)力及許用安全系數(shù)要求。

應(yīng)力校核包括平均應(yīng)力和交變應(yīng)力計(jì)算，平均應(yīng)力是由扭矩引起的平均扭轉(zhuǎn)應(yīng)力以及由推力引起的壓縮應(yīng)力，按照最大剪切應(yīng)力理論合成平均應(yīng)力；交變應(yīng)力是彎距引起的彎曲應(yīng)力和交變扭矩引起的交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，再合成交變應(yīng)力，其中彎曲應(yīng)力根據(jù)重力彎矩、安裝附加彎矩和偏心彎矩的復(fù)合彎矩進(jìn)行確定。

安全系數(shù)是根據(jù)軸系受力后的應(yīng)力水平與軸材料的強(qiáng)度極限進(jìn)行比較而確定，計(jì)算公式［3］見式（1）：

式中： 為合成平均應(yīng)力，N/mm2； 為合成交變應(yīng)力，N/mm2； 為軸材料屈服強(qiáng)度，N/mm2；為對稱循環(huán)交變應(yīng)力下的疲勞極限，N/mm2。

3.1.4 彎曲剛度校核

由于同步帶產(chǎn)生較大的張緊力，為掌握該點(diǎn)彎曲變形量，采用疊加法進(jìn)行了最大靜撓度計(jì)算［4］。由同步帶張緊力Q2引起的靜撓度f1、推力軸自重引起的靜撓度f2分別為：式中：E為軸彈性模量，N/m2； I為軸截面慣性矩，m4。

為保證剛度要求，最大靜撓度需小于其中為軸承間跨距。

3.2 軸承設(shè)置

3.2.1 推力軸承

推力軸承兩側(cè)分別設(shè)置變距螺旋槳及齒形皮帶輪，故其需同時(shí)承受較大的軸向和徑向載荷，因此推力軸承選用單列角接觸球軸承。為適應(yīng)螺旋槳正、負(fù)螺距而產(chǎn)生的兩個(gè)方向推力，采用兩個(gè)單列角接觸球軸承，背靠背安裝，使其獲得雙向負(fù)荷承載能力。

角接觸球軸承的接觸角變化范圍較大，接觸角加大，軸向承載能力增加，而徑向承載能力降低［6］；對比軸承負(fù)荷及螺旋槳推力，確定合適的接觸角，考慮徑向載荷由兩列軸承分擔(dān)，通過加大接觸角滿足較大的軸向承載要求。

3.2.2 支撐軸承

支撐軸承主要承受徑向負(fù)荷作用，選用雙列調(diào)心滾子軸承，這類軸承徑向承載能力較大、軸向承載能力較小；同時(shí)調(diào)心滾子軸承具有自動調(diào)心功能［6］，可在一定范圍內(nèi)自動調(diào)整軸系角度偏差，彌補(bǔ)船體彈性變形、軸的撓曲及軸和軸承座之間定位誤差導(dǎo)致軸系對中不良的缺陷。

3.2.3 變距轉(zhuǎn)換軸承設(shè)計(jì)

由于變距推桿既隨槳轂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，同時(shí)需跟隨變距油缸進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動，故變距轉(zhuǎn)換軸承作為變距推桿的支撐結(jié)構(gòu)，需同時(shí)承受徑向和軸向負(fù)荷，變距轉(zhuǎn)換軸承設(shè)置雙列角接觸球軸承，剛性較好，且可承受較大的傾覆力矩。

變距轉(zhuǎn)換軸承通過銷軸連接跟隨變距油缸進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動，從而帶動變距推桿驅(qū)動螺旋槳變距；為適應(yīng)變距油缸軸向位置變化，軸承座底部設(shè)有導(dǎo)向螺釘，可在結(jié)構(gòu)支架的導(dǎo)向滑槽內(nèi)移動，見圖5。

3.3 齒形同步帶選型

齒形同步帶以其結(jié)構(gòu)簡單、傳動間距以及速比選擇靈活、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、傳動效率高、緩沖吸振能力強(qiáng)、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，在國內(nèi)小型氣墊船上獲得廣泛應(yīng)用。

根據(jù)傳遞功率、主動軸及被動軸轉(zhuǎn)速、帶輪中心距等要求，確定齒形帶節(jié)距、帶寬、主/被動齒齒數(shù)及直徑，選擇適用的主、被動輪及同步帶型號，計(jì)算運(yùn)轉(zhuǎn)線速度需小于最大速度限制要求，通過受力分析計(jì)算同步帶張力作為軸系靜撓度計(jì)算的輸入。

3.4 回旋振動計(jì)算

推進(jìn)軸系轉(zhuǎn)速快、布置位置高、支撐基礎(chǔ)弱，振動問題較為突出，并且由于鋁質(zhì)船體以及圍裙氣墊的影響，其軸承的支承剛度無法準(zhǔn)確確定。

參照其他氣墊船設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在1×105～3×106N/mm范圍內(nèi)針對不同軸承支撐剛度進(jìn)行組合設(shè)置，并計(jì)及螺旋槳陀螺效應(yīng)，采用有限元法開展回旋振動計(jì)算，圖6為計(jì)算模型。

為保證軸系運(yùn)行安全，臨界轉(zhuǎn)速裕度系數(shù)k需滿足相關(guān)規(guī)范的要求，一般要求k≥20%。

式中：nk為計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速，r/min；ne為軸系額定轉(zhuǎn)速，r/min。

4 結(jié) 論

本文以某小型全墊升氣墊船為例，探討了推進(jìn)軸系設(shè)計(jì)方法。鑒于動力裝置布置及螺旋槳變距要求，小型全墊升氣墊船推進(jìn)軸系具有顯著的設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

（1）由于推進(jìn)軸線位置較高，受尺寸空間、質(zhì)量、減速比等約束，無法采用齒輪箱等常規(guī)減速傳動方式，選擇簡單可靠的同步齒形帶，主動軸系和推進(jìn)軸系的軸線距離可大幅增加、傳動速比可通過改變帶輪齒數(shù)靈活調(diào)整，避免了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)保養(yǎng)困難等問題。

（2）推力軸承同時(shí)承受較大的正、負(fù)推力和徑向反力，選用可以承受徑向和軸向聯(lián)合負(fù)荷的單列角接觸球軸承，并成對使用，通過計(jì)算分析確定接觸角合理分配承載能力；氣墊船為鋁合金船，船體變形量較大，選用具有自動調(diào)心功能的調(diào)心滾子軸承作為支撐軸承，用以消除因安裝誤差及船體變形等造成的不良影響。

（3）與常規(guī)變距螺旋槳通過固定式油管給變距機(jī)構(gòu)供油方式不同，小型氣墊船空氣螺旋槳通過變距推桿驅(qū)動變距機(jī)構(gòu)，設(shè)置移動式變距轉(zhuǎn)換軸承，保證變距推桿隨槳轂旋轉(zhuǎn)，同時(shí)跟隨變距油缸進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動驅(qū)動變距推桿。

（4）氣墊船由于鋁質(zhì)船體以及圍裙氣墊的影響，尤其是推進(jìn)軸系位置較高，其軸承支承剛度無法準(zhǔn)確確定，通過擴(kuò)大軸承支撐剛度的選擇范圍，針對不同參數(shù)進(jìn)行組合式計(jì)算，對其振動特性進(jìn)行綜合評估。

［1］ 馬濤，鄔成杰.氣墊船總體性能與圍裙氣墊系統(tǒng)流體動力設(shè)計(jì)［M］.北京：國防工業(yè)出版社.

［2］ 朱樹文.船舶動力裝置原理與設(shè)計(jì)［M］.北京：國防工業(yè)出版社.

［3］ HJB60-91 艦艇軸系強(qiáng)度計(jì)算方法.

［4］ 歐貴寶，朱加銘.材料力學(xué)［M］.哈爾濱工程大學(xué)出版社.

［5］ 吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊［M］.化學(xué)工業(yè)出版社.

［6］ 楊可楨，程光蘊(yùn).機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.高等教育出版社.