基于雙隧道式船艉線型的大件運(yùn)輸船軸系設(shè)計(jì)

任成德

(招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 海門(mén) 226100)

0 引言

船舶軸系的作用是將主機(jī)功率傳遞給螺旋槳，并將螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力通過(guò)推力軸承或齒輪箱傳遞給船體，使船舶前進(jìn)或后退。在過(guò)去的案例中，因軸系設(shè)計(jì)不合理，曾發(fā)生多起艉管軸承燒毀、螺旋槳軸斷裂、減速齒輪箱損壞等事故，給企業(yè)造成了重大損失。

大件運(yùn)輸船采用雙機(jī)、雙槳、雙舵、柴油機(jī)推進(jìn)，載貨量約為1 800 t，航行于長(zhǎng)江水系A(chǔ)、B、C、J1、J2航區(qū)(段)，運(yùn)載鋼制橋梁桁架類(lèi)大件。由于桁架構(gòu)件具有體積大、單位載荷較輕的特性，船東要求盡可能增大該船貨艙艙容系數(shù)，以便充分發(fā)揮運(yùn)載能力，提高運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效益。

在同等船舶主尺度的情況下，為提高貨艙艙容系數(shù)，一般采用增大貨艙主尺度的辦法。增大貨艙主尺度，使機(jī)艙后移，原有的軸架式軸系設(shè)計(jì)已不能滿足需要。針對(duì)此情況，本文提出采用雙機(jī)雙槳船軸系布置的方法。首先在確定推進(jìn)裝置型式的基礎(chǔ)上進(jìn)行軸系布置設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行軸系計(jì)算選取尺寸，最后進(jìn)行軸系強(qiáng)度校核。

1 推進(jìn)裝置總體設(shè)計(jì)及機(jī)艙布置

大件運(yùn)輸船主要參數(shù)為：

總長(zhǎng)76.5 m, 垂線間長(zhǎng)71.6 m，型寬14.0 m，型深3.8 m，設(shè)計(jì)吃水3.0 m。

1.1 推進(jìn)裝置型式設(shè)計(jì)

該船將航行于激流航段，對(duì)船舶操縱性要求較高；設(shè)計(jì)吃水3.0 m，屬于淺吃水船舶；結(jié)合船東降本增效、便于后續(xù)運(yùn)營(yíng)維護(hù)等要求，經(jīng)總體設(shè)計(jì)優(yōu)化，將軸架式船艉線型設(shè)計(jì)為雙隧道式船艉線型，采用中速柴油機(jī)齒輪箱推進(jìn)裝置。

通過(guò)船、機(jī)、槳匹配計(jì)算，分析比較了目前幾家國(guó)產(chǎn)柴油機(jī)的性?xún)r(jià)比，最后選用推進(jìn)機(jī)組如下：

(1)主機(jī)：配備Z6170ZLC/ Z6170ZLCZ各1臺(tái)柴油機(jī)，持續(xù)功率300 kW，額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min。

(2)齒輪箱：配備2臺(tái)HC400齒輪箱，減速比為3.42。

(3)配備HGTLX4.5高彈聯(lián)軸器，隨齒輪箱配套供應(yīng)。

1.2 機(jī)艙布置

推進(jìn)機(jī)組型號(hào)基本確定后，向廠家索取認(rèn)可圖及安裝資料。根據(jù)機(jī)組外形尺寸和艉部線型情況，在機(jī)艙中定位機(jī)組。機(jī)艙布置如下：

機(jī)艙位于Fr10～Fr26肋位之間，縱向長(zhǎng)8.0 m；機(jī)艙棚位于Fr13～Fr24肋位之間，縱向長(zhǎng)5.5 m。

主機(jī)組對(duì)稱(chēng)布置在Fr12～Fr18肋位左右，分別距舯3 500 mm。機(jī)艙布置示意圖見(jiàn)圖1。

2 軸系布置設(shè)計(jì)

該船軸系按中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶入級(jí)與建造規(guī)范》(2002)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《內(nèi)規(guī)》)及《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》(2004)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《法規(guī)》)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 軸系材料選用

艉軸、可拆聯(lián)軸節(jié)材料選用35#鋼鍛造，鍵、聯(lián)軸節(jié)螺栓材料選用45#鋼。

2.2 軸系構(gòu)成

本船軸系包括螺旋槳、螺旋槳軸、可拆聯(lián)軸器、中間軸、齒輪箱、高彈聯(lián)軸器、主機(jī)和艉管前后軸承、艉軸密封及其他附件等,不設(shè)人字架、中間軸承和推力軸承。

圖1 機(jī)艙布置圖

2.3 軸系布置

大件運(yùn)輸船軸系布置方法如下：

(1)兩軸系左右對(duì)稱(chēng)，距舯3 500 mm，齒輪箱輸出法蘭中心縱向位于Fr10+1 280 mm。

(2)為避免主機(jī)有效推進(jìn)功率損失，將軸線設(shè)計(jì)成與基線水平，且距基線850 mm。

(3)為便于安裝，在艉軸與中間軸連接處設(shè)有厚度約10 mm的調(diào)整墊片。

(4)為避免船舶停泊時(shí)水流使螺旋槳帶動(dòng)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)，在中間軸上設(shè)有制動(dòng)裝置。

(5)艉軸基本軸徑為Φ130 mm，其軸承為油潤(rùn)滑錫青銅軸承，艏、艉密封裝置均采用定型產(chǎn)品(船檢認(rèn)可)，艉軸與螺旋槳及聯(lián)軸器采用鍵連接。

軸系布置圖見(jiàn)圖2。

軸系布置設(shè)計(jì)時(shí)主要基于以下幾點(diǎn)考慮：

(1)主機(jī)或齒輪箱盡量靠機(jī)艙后壁布置，以縮短軸系長(zhǎng)度。根據(jù)具體的主機(jī)、齒輪箱工作圖，確定齒輪箱輸出法蘭中心縱向位置，以避免齒輪箱及主機(jī)地腳螺栓與基座腹板干涉，為后續(xù)齒輪箱、主機(jī)地腳螺栓鉆孔及鉸孔預(yù)留空間。

(2)為避免主機(jī)有效功率損失，使軸系中心線與船體基線及中縱剖面平行。

(3)艉管后軸承后端面與舵桿中心線的距離：一方面應(yīng)盡可能使該距離縮短，以增強(qiáng)舵效；另一方面不能影響螺旋槳的拆裝空間。

(4)必須控制螺旋槳直徑，使葉梢與船殼外板的間距不能太小。

(5)合理布置軸承位置及間距，以均衡整個(gè)軸系載荷(靜載荷及動(dòng)載荷)。艉管布置在左右隧道內(nèi)，艉管前后軸承間距完全受控。另外，中間軸也較短(590 mm)。為減少軸系附加負(fù)荷，取消中間軸承設(shè)置。

3 軸系計(jì)算及尺寸選取

3.1 按《內(nèi)規(guī)》計(jì)算后選取尺寸

按《內(nèi)規(guī)》計(jì)算后軸系尺寸選取如下：

(1)艉軸基本軸徑130 mm，后軸承軸頸直徑為140 mm，前軸承軸頸直徑為135 mm，中間軸直徑120 mm。

(2)螺旋槳鍵鍵寬32 mm，鍵有效長(zhǎng)度118 mm，鍵前端距錐度大端的距離實(shí)取30 mm。

(3)聯(lián)軸器鍵寬32 mm，鍵有效長(zhǎng)度133 mm，聯(lián)軸器法蘭厚度30 mm，聯(lián)軸器法蘭根部過(guò)渡圓半徑15 mm。聯(lián)軸器連接螺栓直徑 21.8 mm，緊配螺栓數(shù)量4只。中間軸與齒輪箱緊配螺栓數(shù)量6只，齒輪箱連接螺栓直徑 21.8 mm。艉管后軸承長(zhǎng)度500 mm，艉管軸承為油潤(rùn)滑錫青銅軸承。

3.2 根據(jù)《船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》計(jì)算后選取尺寸

按照《船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》計(jì)算，得到艉軸與螺旋槳連接錐體長(zhǎng)度 310 mm，錐度 1∶15。

4 軸系強(qiáng)度校核

軸系強(qiáng)度校核內(nèi)容為：

(1)軸承位置及軸承間距。

(2)軸承受力支點(diǎn)的確定。

(3)軸系強(qiáng)度校核。

①危險(xiǎn)截面分析：經(jīng)受力分析，該船軸系布置有三處薄弱環(huán)節(jié)，即艉軸后軸承前端面、螺旋槳鍵與鍵槽擠壓面及艉軸可拆聯(lián)軸器錐度小端面。

②艉軸后軸承前端面強(qiáng)度校核：螺旋槳自重產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的拉壓應(yīng)力，螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪應(yīng)力，艉軸后軸承前端面合成應(yīng)力。

③螺旋槳鍵與鍵槽擠壓面強(qiáng)度校核。

④艉軸可拆聯(lián)軸器錐度小端面強(qiáng)度校核。

經(jīng)校核，該船軸系強(qiáng)度符合要求。

5 繪制艉軸艉管總圖注意事項(xiàng)

繪制艉軸艉管總圖注意事項(xiàng)如下：

(1)根據(jù)軸系計(jì)算結(jié)果，選擇艉管前后密封裝置型號(hào)并繪制成零件圖。 (2)軸系計(jì)算得到的尺寸，按照1∶1的比例將軸系部件繪制成零件草圖。

(3)將所有軸系零件及附件按裝配關(guān)系模擬安裝到軸系相應(yīng)位置上。

(4)根據(jù)裝配關(guān)系、維修空間需要等，優(yōu)化、調(diào)整上述零件圖尺寸。

(5)該船艉管較短，為無(wú)縫鋼管焊接整體式。

(6)為便于維修，延長(zhǎng)艉軸使用壽命，在艉軸前后密封裝置處設(shè)有外表面鍍鉻的耐磨套，其長(zhǎng)度應(yīng)伸出密封環(huán)一定距離，確保密封可靠；前密封裝置軸向預(yù)留空間，以便于后續(xù)可通過(guò)密封環(huán)錯(cuò)位的方法進(jìn)行應(yīng)急維修，同時(shí)避免軸系變形。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)艉部線型的優(yōu)化，合理布置機(jī)艙，特別是調(diào)整主機(jī)組的安裝，使軸系設(shè)計(jì)更合理。船舶軸系設(shè)計(jì)是船舶動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)的一項(xiàng)主要任務(wù)，在很大程度上決定了一艘船舶設(shè)計(jì)的成敗。隨著船舶的大型化和大功率化，軸系設(shè)計(jì)越來(lái)越重要。軸系設(shè)計(jì)人員應(yīng)不斷提高自身綜合能力，應(yīng)用先進(jìn)的軸系設(shè)計(jì)方法，“多快好省”地完成軸系設(shè)計(jì)任務(wù)。該船投入營(yíng)運(yùn)后，船東對(duì)軸系運(yùn)行很滿意。