某船調(diào)距槳主推裝置傳動(dòng)軸系的強(qiáng)度校核研究

張慶舉，王德倫，張宇寧

(1.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024；2.遼寧師范大學(xué)，遼寧 大連 116029)

某冷藏運(yùn)輸船采用槳轂油缸式調(diào)距槳主推進(jìn)裝置，該主推裝置由調(diào)距槳、傳動(dòng)軸系、齒輪箱和柴油主機(jī)等組成。調(diào)距槳主推裝置的傳動(dòng)軸系非常重要，它將主機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)矩傳遞給調(diào)距槳，同時(shí)又將調(diào)距槳產(chǎn)生的推力傳遞給船體，使船前進(jìn)、后退或停車[1]。該船主機(jī)通過(guò)齒輪箱還額外驅(qū)動(dòng)3臺(tái)發(fā)電機(jī)為冷藏艙室制冷提供動(dòng)力，在不需要制冷或部分制冷時(shí)，受調(diào)距槳額定功率限制，使主機(jī)功率有部分閑置。為充分利用主機(jī)功率，在調(diào)距槳能夠充分吸收主機(jī)額定功率條件下，對(duì)原傳動(dòng)軸系的軸徑、強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)研究計(jì)算和校核?，F(xiàn)將研究、計(jì)算、校核過(guò)程簡(jiǎn)述如下。

1 傳動(dòng)軸系的組成及作用

1.1 傳動(dòng)軸系的組成

該船調(diào)距槳主推裝置傳動(dòng)軸系，從調(diào)距槳至柴油主機(jī)依次排列著艉軸、配油軸、中間軸和齒輪箱輸出軸，如圖1所示。

1-調(diào)距槳；2-艉管前支撐軸承；3-艉軸；4-配油箱(OD箱)及配油軸；5、8-中間軸承；6-中間軸；7-制動(dòng)器；9-齒輪箱輸出軸圖1 傳動(dòng)軸系示意圖

1.2 傳動(dòng)軸系的作用

艉軸后端與調(diào)距槳槳轂相連，前端與配油軸相連，艉軸承擔(dān)調(diào)距槳質(zhì)量，傳遞主機(jī)轉(zhuǎn)矩和調(diào)距槳推力。艉軸裝在艉軸管內(nèi)，由艉軸管內(nèi)白合金艉軸承和艉管前支撐軸承支撐。配油軸前端與中間軸相連，配油箱(OD箱)通過(guò)白合金軸承裝配在配油軸上。工作時(shí)，OD箱不動(dòng)，配油軸旋轉(zhuǎn)，OD箱通過(guò)配油軸向槳轂油缸供油。中間軸前端與齒輪箱輸出軸相連，中間軸由2個(gè)中間軸承支撐。中間軸上裝有制動(dòng)裝置，以便船舶停航時(shí)固定軸系，防止“水渦輪”情況發(fā)生。齒輪箱輸出軸前端有推力軸承，通過(guò)齒輪箱輸出軸軸肩、推力軸承、齒輪箱體將調(diào)距槳推力傳遞給船體。

2 船用主機(jī)功率使用及分配情況

該船專門運(yùn)輸海上漁加工母船生產(chǎn)的漁產(chǎn)品，采用單臺(tái)調(diào)距槳推進(jìn)。該船主機(jī)額定功率5 664 kW，額定轉(zhuǎn)速520 r/min，經(jīng)齒輪箱減速后，調(diào)距槳轉(zhuǎn)速160 r/min。經(jīng)齒輪箱增速后，3臺(tái)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min。3臺(tái)發(fā)電機(jī)功率分別為1臺(tái)1 200 kW，2臺(tái)320 kW。調(diào)距槳直徑4 m，設(shè)計(jì)螺距為3 880 mm,額定功率為3 824 kW，最大功率為4 250 kW。

該船從漁加工母船往陸地運(yùn)送漁產(chǎn)品過(guò)程中，要求保證漁品新鮮，需用3臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)給冷藏貨艙通電制冷。從陸地前往漁加工母船的航程中，根據(jù)攜帶物品情況，冷藏貨艙不制冷或部分制冷。從漁加工母船向陸地運(yùn)送漁產(chǎn)品的過(guò)程中，主機(jī)帶3臺(tái)發(fā)電機(jī)、1臺(tái)調(diào)距槳都以額定功率、額定轉(zhuǎn)速滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。而從陸地前往漁加工母船的過(guò)程中，在不制冷停開(kāi)全部軸帶發(fā)電機(jī)或部分制冷停開(kāi)部分軸帶發(fā)電機(jī)的情況下，受調(diào)距槳功率限制，主機(jī)額定功率沒(méi)被充分利用，使主機(jī)經(jīng)濟(jì)性不高。

為充分發(fā)揮主機(jī)額定功率，在更換調(diào)距槳后，研究、計(jì)算、校核傳動(dòng)軸系強(qiáng)度，以滿足傳遞主機(jī)額定功率需要。

3 傳動(dòng)軸系強(qiáng)度的計(jì)算與校核

3.1 傳動(dòng)軸系軸徑計(jì)算的規(guī)范要求

根據(jù)2018年中國(guó)船級(jí)社發(fā)布的《鋼制海船入級(jí)與建造規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)要求[2]，柴油機(jī)-調(diào)距槳推進(jìn)裝置的傳動(dòng)軸軸徑d應(yīng)不小于公式(1)計(jì)算值：

(1)

式中，d為傳動(dòng)軸軸徑，mm；c為軸的設(shè)計(jì)特性系數(shù)(見(jiàn)表1)；Ne為軸傳遞的主機(jī)額定功率(齒輪箱和軸承的損失可不計(jì))，kW；ne為軸傳遞Ne時(shí)的額定轉(zhuǎn)速， r/min；σb為材料的抗拉強(qiáng)度，MPa。

表1 軸的設(shè)計(jì)特性系數(shù)表

如果1根軸的結(jié)構(gòu)有多種型式，則設(shè)計(jì)特性系數(shù)應(yīng)多個(gè)連乘進(jìn)行修正。如果軸段芯部有中孔，當(dāng)中空度大于0.4時(shí)，傳動(dòng)軸軸徑計(jì)算后還需按公式(2)修正。

(2)

式中，da為存在中孔且中空度大于0.4的傳動(dòng)軸軸徑，mm；d0為軸芯中孔直徑，mm。

3.2 傳動(dòng)軸系各部件材料

傳動(dòng)軸系各軸段材料均采用35#鋼[3]，35#鋼是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，為提高軸段強(qiáng)度、硬度，對(duì)35#鋼做鍛打處理。鍛打在高溫進(jìn)行[4]，始鍛溫度1 150～1 200 ℃，終鍛溫度800 ℃。始鍛溫度不能太高，否則金相組織容易被燒壞。

鍛后要緩冷，否則容易產(chǎn)生裂紋而報(bào)廢。35#鋼經(jīng)高溫鍛打產(chǎn)生熱變形，晶格錯(cuò)位使金相組織更加致密，材料硬度得到提高。鍛后緩冷使金相組織內(nèi)部應(yīng)力得到釋放。鍛后軸強(qiáng)度較鍛前提高10%左右，硬度較鍛前明顯提高，由鍛前HB 197提高至HRC38～45。

調(diào)距槳與艉軸通過(guò)12個(gè)M72×4的螺栓和4個(gè)D90的銷軸連接，螺栓材料37CrNi3，銷軸用調(diào)質(zhì)45#鋼。艉軸與配油軸通過(guò)液壓無(wú)鍵套合聯(lián)軸器連接，液壓無(wú)鍵套合聯(lián)軸器的箍套、錐套采用42CrMo。艉軸與配油軸、配油軸與中間軸、中間軸與齒輪箱輸出軸的法蘭螺栓均采用37CrNi3。軸系各傳動(dòng)部件材料機(jī)械性能見(jiàn)表2。

表2 傳動(dòng)部件材料機(jī)械性能表

3.3 傳動(dòng)軸系各軸徑的計(jì)算

1)艉軸直徑計(jì)算。艉軸總長(zhǎng)8 290 mm，艉軸后端凸緣法蘭直徑為940 mm，與艉軸承配合軸徑為460 mm，與艉管前支承軸承配合軸徑為410 mm。艉軸前端通過(guò)液壓無(wú)鍵套合聯(lián)軸器與配油軸連接，艉軸與液壓無(wú)鍵套合聯(lián)軸器的配合軸徑為400 mm，艉管內(nèi)艉軸非工作軸徑為458 mm，艉管前艉軸非工作軸徑為400 mm。艉軸芯部鏜孔，中孔直徑為126 mm，中空度為0.315。

艉管內(nèi)艉軸的設(shè)計(jì)特性系數(shù)取1.15，艉管前艉軸的設(shè)計(jì)特性系數(shù)取1.22。按《規(guī)范》要求，不同功率下艉軸軸徑的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 根據(jù)《規(guī)范》要求計(jì)算的艉軸軸徑

艉軸傳遞5 664 kW的主機(jī)額定功率時(shí)，艉管內(nèi)艉軸非工作軸徑為458.00 mm，大于352.23 mm；艉管前艉軸非工作軸徑為400.00 mm，大于373.62 mm，滿足《規(guī)范》要求。

2)配油軸直徑校核。配油軸外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，前后端帶凸緣法蘭。前部是配油軸段，上面有徑向油孔。中間是螺距反饋滑環(huán)軸頸，其周向均布3個(gè)在D390的圓周表面銑削的平面；后部是支撐軸頸，和配油軸一起支撐OD箱。配油軸結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 配油軸結(jié)構(gòu)示意圖

支撐軸徑為450 mm，螺距反饋滑環(huán)軸徑的等效直徑為369 mm，配油軸徑為420 mm 。配油軸芯部孔徑為136 mm，中空度為0.368。配油軸屬中間軸范疇，設(shè)計(jì)特性系數(shù)按整體連接法蘭式、徑向孔式2種連接形式進(jìn)行系數(shù)連乘修正。配油軸設(shè)計(jì)特性系數(shù)取1.0×1.10=1.10。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 根據(jù)《規(guī)范》要求計(jì)算的配油軸直徑

配油軸傳遞5 664 kW主機(jī)額定功率時(shí)，配油軸滑環(huán)等效軸徑為 369.0 mm，大于 336.9 mm，滿足《規(guī)范》要求。

3)中間軸直徑校核。中間軸是實(shí)心軸，前后有凸緣法蘭，總長(zhǎng)6 050 mm。中間軸前法蘭與齒輪箱輸出軸相連，中間軸后法蘭與配油軸前法蘭相連。中間軸工作軸徑為360 mm，非工作軸徑為355 mm。按《規(guī)范》要求，中間軸設(shè)計(jì)特性系數(shù)取1.0，不同功率時(shí)中間軸直徑的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 根據(jù)《規(guī)范》要求計(jì)算的中間軸直徑

中間軸傳遞5 664 kW主機(jī)額定功率時(shí)，非工作軸徑為355.00 mm，大于306.23 mm，滿足《規(guī)范》要求。

4)齒輪箱輸出軸直徑校核。齒輪箱輸出軸直徑為360 mm，是實(shí)心軸，軸上有鍵槽，前端有推力軸承,屬于推力軸范疇。按《規(guī)范》要求，軸的設(shè)計(jì)特性系數(shù)取1.10，校核齒輪箱輸出軸軸徑的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 根據(jù)《規(guī)范》要求計(jì)算的齒輪箱輸出軸直徑

齒輪箱輸出軸傳遞5 664 kW主機(jī)額定功率時(shí)，非工作軸徑為355.00 mm，大于 336.90 mm，滿足《規(guī)范》要求。

3.4 齒輪箱傳動(dòng)齒輪強(qiáng)度校核

齒輪箱一進(jìn)四出，主機(jī)輸入5 664 kW功率，在滿載返程時(shí)開(kāi)3臺(tái)發(fā)電機(jī)制冷，余3 824 kW功率推船前進(jìn)。在去程時(shí)不制冷，5 664 kW主機(jī)功率可全部用來(lái)推船前進(jìn)。這樣，與軸系相連的齒輪箱輸出軸傳動(dòng)齒輪副傳遞功率由3 824 kW提高到5 664 kW，增幅48%。

齒輪可看做懸臂梁，其危險(xiǎn)截面用30°切線法確定[5]。做與輪齒對(duì)稱中心線成30°夾角且與齒根圓角相切的斜線，兩切點(diǎn)連線的截面就是輪齒彎曲的危險(xiǎn)截面，對(duì)該危險(xiǎn)截面進(jìn)行輪齒彎曲強(qiáng)度校核。齒根靠近節(jié)線的齒面位置，容易發(fā)生點(diǎn)蝕，取節(jié)點(diǎn)處的接觸應(yīng)力作為齒面接觸強(qiáng)度的計(jì)算依據(jù)。

1)齒輪轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式[6]：

(3)

式中,T為齒輪轉(zhuǎn)矩，N·m。

2)輪齒彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式：

(4)

式中,σF為輪齒彎曲強(qiáng)度，MPa;K為載荷系數(shù)；Y為齒形系數(shù)；b為齒寬，mm；m為齒輪模數(shù)；z為齒輪齒數(shù)。

3)齒輪齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算公式：

(5)

式中,σH為齒輪齒面接觸強(qiáng)度,MPa；i為傳動(dòng)比；a為中心距，mm。

齒輪傳動(dòng)，需保證輪齒彎曲應(yīng)力和齒面接觸應(yīng)力在允許范圍內(nèi)。該船齒輪箱傳動(dòng)是硬齒面閉式傳動(dòng)，在傳動(dòng)過(guò)程中，齒輪中心距、減速比不變；功率增加，輪齒上的轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增加。根據(jù)輪齒彎曲強(qiáng)度和齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算公式，輸出功率提高48%，輪齒彎曲應(yīng)力就增加48%，齒面接觸應(yīng)力就增加21.6%。原齒輪副滿足傳遞3 824 kW功率的應(yīng)力要求，為保證現(xiàn)應(yīng)力也在允許范圍內(nèi)，在齒輪箱空間允許的條件下，將齒寬增加50%即可滿足傳遞5 664 kW主機(jī)額定功率的應(yīng)力要求。

4 聯(lián)軸器緊配螺栓直徑校核及應(yīng)力計(jì)算

艉軸后法蘭直徑為940 mm，寬125 mm，在D840的節(jié)圓上用12個(gè)D74的緊配螺栓、4個(gè)D90的緊配銷軸與調(diào)距槳槳轂相連。配油軸后法蘭直徑為850 mm，寬80 mm，在D735的節(jié)圓上用12個(gè)D63的緊配螺栓與艉軸液壓無(wú)鍵套合聯(lián)軸器連接固定。配油軸前法蘭、中間軸法蘭、齒輪箱輸出軸法蘭直徑為725 mm，寬85 mm，在D585的節(jié)圓上用8個(gè)D85的緊配螺栓將它們兩兩連接固定。

1)聯(lián)軸器緊配螺栓直徑校核。軸系螺栓均用37CrNi3材料，螺栓直徑df按《規(guī)范》要求，應(yīng)不小于公式(6)的計(jì)算值，艉軸與調(diào)距槳槳轂的緊配螺栓，其直徑還應(yīng)至少增大5%。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

(6)

式中，df為螺栓直徑,mm；Z為螺栓數(shù)；D為節(jié)圓直徑，mm；σb1為中間軸材料的抗拉強(qiáng)度，MPa；σb2為螺栓材料的抗拉強(qiáng)度，MPa。

表7 根據(jù)《規(guī)范》要求計(jì)算的軸系連接螺栓直徑 mm

艉軸與槳轂緊配螺栓直徑為74.00 mm，大于35.11 mm，艉軸與配油軸緊配螺栓直徑為63.00 mm，大于39.06 mm，配油軸與推力軸、推力軸與中間軸、中間軸與齒輪箱輸出軸緊配螺栓直徑為85.00 mm，大于39.79 mm，所以緊配螺栓直徑滿足《規(guī)范》要求。

2)聯(lián)軸器緊配螺栓應(yīng)力校核。調(diào)距槳軸系傳遞5 664 kW主機(jī)額定功率，額定轉(zhuǎn)速160 r/min，則軸系傳遞的轉(zhuǎn)矩為：

(7)

艉軸后法蘭節(jié)圓直徑為840 mm，有12個(gè)D74的緊配螺栓、4個(gè)D90的緊配銷軸。配油軸后法蘭節(jié)圓直徑為735 mm，有12個(gè)D63緊配螺栓。推力軸法蘭、中間軸法蘭節(jié)圓直徑為585 mm，有8個(gè)D85緊配螺栓。螺栓、銷軸材料均采用37CrNi3,是高淬透性合金調(diào)質(zhì)鋼，屈服強(qiáng)度980 MPa，安全系數(shù)取1.5，許用正應(yīng)力[σ]=653.33 MPa, 許用剪切應(yīng)力 [τ]=377.21 MPa。各聯(lián)軸節(jié)緊配螺栓剪切應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 軸系連接螺栓剪切應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，各聯(lián)軸節(jié)緊配螺栓傳遞5 664 kW主機(jī)額定功率時(shí)，所受剪切應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用剪切應(yīng)力[τ]，滿足傳遞功率需要。

5 校核計(jì)算的幾點(diǎn)說(shuō)明

1)傳動(dòng)軸系各軸段強(qiáng)度滿足傳遞主機(jī)額定功率5 664 kW的需要，更滿足傳遞停開(kāi)1臺(tái)、2臺(tái)或3臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)后，剩余主機(jī)功率的需要。

2)艉軸后法蘭與調(diào)距槳槳轂相連，在D840的螺栓節(jié)圓上除12個(gè)D74的緊配螺栓外，還有4個(gè)D90的緊配銷軸與調(diào)距槳槳轂緊配相連。進(jìn)行緊配螺栓的強(qiáng)度及應(yīng)力計(jì)算校核時(shí)，沒(méi)計(jì)入4個(gè)D90的緊配銷軸和調(diào)距槳質(zhì)量。調(diào)距槳質(zhì)量11.8 t，由4個(gè)銷軸承擔(dān)，則每個(gè)銷軸所受剪切應(yīng)力46.5 MPa，遠(yuǎn)小于許用剪切應(yīng)力[τ]，不影響12個(gè)緊配螺栓傳遞主機(jī)額定功率。

3)齒輪箱傳動(dòng)齒輪強(qiáng)度校核時(shí)，因主機(jī)轉(zhuǎn)速、齒輪箱減速比不發(fā)生變化，原齒輪副能傳遞3 884 kW功率，在傳遞的功率增至主機(jī)額定功率時(shí)，按額定功率計(jì)算的輪齒彎曲應(yīng)力和齒面接觸應(yīng)力只需小于允許應(yīng)力即可，如不滿足，可更換加寬后的齒輪副。

4)配油軸直徑校核時(shí)，最小軸徑在滑環(huán)軸頸部位?；h(huán)軸頸的截面積一定要計(jì)算其等效截面積，然后再與規(guī)范要求的允許軸徑比較。

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)計(jì)算、校核傳動(dòng)軸系各軸段的軸徑、各聯(lián)軸節(jié)法蘭緊配螺栓的直徑和應(yīng)力、更換強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)的傳動(dòng)齒輪副后，在滿足傳遞主機(jī)額定功率的條件下，開(kāi)車運(yùn)轉(zhuǎn)。運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程平穩(wěn)，傳遞功率正常，無(wú)螺栓及聯(lián)軸節(jié)擠壓損壞，無(wú)傳動(dòng)軸變形。運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果表明傳動(dòng)軸系各軸段強(qiáng)度滿足傳遞主機(jī)額定功率需要，直徑及強(qiáng)度的計(jì)算校核結(jié)果可用，達(dá)到了預(yù)期目的，為該冷藏運(yùn)輸船的良好運(yùn)營(yíng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為船方節(jié)約了成本，并創(chuàng)造了較好經(jīng)濟(jì)效益。