船舶軸徑優(yōu)化試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)

劉 杰，吳 迪，凌華星，陳世偉

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

船舶軸系作為船舶動(dòng)力裝置的重要組成部分，其可靠性與船舶的安全航行息息相關(guān)。隨著材料科學(xué)與制造工藝的不斷發(fā)展，船舶軸系材料的耐疲勞強(qiáng)度、剛度等一系列可靠性指標(biāo)有了顯著提高，這給船舶軸徑優(yōu)化帶來(lái)了可能。對(duì)船舶軸徑進(jìn)行優(yōu)化，需要使用相關(guān)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行耐疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證。目前已有針對(duì)不同目標(biāo)建設(shè)的軸系試驗(yàn)臺(tái)架的研究報(bào)告，但針對(duì)軸系軸徑優(yōu)化驗(yàn)證的完整軸段試驗(yàn)臺(tái)架還未見(jiàn)報(bào)道。

1 軸系臺(tái)架設(shè)計(jì)需求分析

軸系軸徑優(yōu)化試驗(yàn)臺(tái)架用以模擬實(shí)際船舶推進(jìn)系統(tǒng)軸系工作狀態(tài)，為進(jìn)行軸徑優(yōu)化的相關(guān)科研實(shí)驗(yàn)提供支撐,建設(shè)軸徑優(yōu)化試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)任務(wù)要求如下。

1)能夠完成軸系校中參數(shù)試驗(yàn)、軸承支反力測(cè)試試驗(yàn)、軸系振動(dòng)試驗(yàn)、艉軸承特性試驗(yàn)、軸系變形試驗(yàn)、推力軸承振動(dòng)傳遞試驗(yàn)、軸系故障診斷試驗(yàn)及其與安裝工藝關(guān)系試驗(yàn)等。

2)能根據(jù)軸系設(shè)計(jì)的要求增加或減少軸系的長(zhǎng)度以及設(shè)備的個(gè)數(shù)，還能改變?cè)O(shè)備的技術(shù)參數(shù)。

根據(jù)臺(tái)架的任務(wù)要求，臺(tái)架的需求如下。

(1)動(dòng)力系統(tǒng)。試驗(yàn)臺(tái)架的軸系設(shè)計(jì)主要以試驗(yàn)為目的，需要模擬實(shí)際軸系工作情況，因此需要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)驅(qū)動(dòng)軸系在各種試驗(yàn)條件下旋轉(zhuǎn)。

(2)能夠改變載荷。實(shí)際船舶在運(yùn)行中，裝載的貨物質(zhì)量不同、海面環(huán)境不同，都會(huì)影響軸系受到的載荷。當(dāng)軸系載荷改變時(shí)，臺(tái)架要能實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)模擬。

(3)軸系系統(tǒng)和支撐組件。臺(tái)架的主要組成部件就是軸系系統(tǒng)，由于研究縮小直徑后軸系的耐疲勞強(qiáng)度，因此只需要對(duì)不同直徑的軸系進(jìn)行疲勞試驗(yàn)即可。臺(tái)架的軸系只需要1～2個(gè)軸段即可完成該試驗(yàn)，不需要整個(gè)船舶的完整軸系。

(4)電控系統(tǒng)。電控系統(tǒng)是整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架的關(guān)鍵，可對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架各個(gè)部分的主要參數(shù)進(jìn)行調(diào)整檢測(cè)，以及控制主驅(qū)動(dòng)電機(jī)、軸系力加載裝置和相關(guān)泵的接通與斷開(kāi)。

(5)測(cè)試裝置。試驗(yàn)臺(tái)架應(yīng)能完成設(shè)計(jì)任務(wù)要求的各種試驗(yàn)。對(duì)這些試驗(yàn)要求進(jìn)行綜合歸納，其中必須要完成的測(cè)試任務(wù)包括軸系校中試驗(yàn)測(cè)試、艉軸承性能試驗(yàn)測(cè)試和軸系振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試等。因此，測(cè)試裝置是試驗(yàn)臺(tái)架必不可少的部分。

(6)便捷的監(jiān)測(cè)性能。在進(jìn)行計(jì)算機(jī)程序編寫(xiě)時(shí)，程序需要根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)軸系狀態(tài)進(jìn)行判斷，因此監(jiān)測(cè)的方便性也是一個(gè)考慮的指標(biāo)。

臺(tái)架設(shè)計(jì)的需求包含很多方面，主要分為軸系的物理尺寸確定、檢測(cè)裝置的布置和電氣系統(tǒng)的規(guī)劃。本文重點(diǎn)關(guān)注臺(tái)架物理尺寸的設(shè)計(jì)。

2 軸系臺(tái)架設(shè)計(jì)方案一

2.1 臺(tái)架初步設(shè)計(jì)

根據(jù)臺(tái)架需求分析，臺(tái)架動(dòng)力系統(tǒng)需要1臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，模擬動(dòng)力輸出；需要1臺(tái)負(fù)載電機(jī)，模擬負(fù)載阻力。2臺(tái)電機(jī)通過(guò)齒輪箱變速后，由萬(wàn)向聯(lián)軸器和軸系相連。臺(tái)架軸系選取螺旋槳軸、艉軸和中間軸，共3個(gè)軸段組成試驗(yàn)臺(tái)架軸系的設(shè)計(jì)方案，三者軸徑取相同值。同時(shí)臺(tái)架提供一個(gè)徑向加載裝置，改變軸系載荷狀態(tài)。臺(tái)架的初步設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

圖1 臺(tái)架初步設(shè)計(jì)示意圖

本設(shè)計(jì)中，設(shè)定臺(tái)架長(zhǎng)度為30 m，電機(jī)功率最高3 000 kW，基準(zhǔn)軸系的軸徑為170 mm。在確定170 mm軸徑優(yōu)化試驗(yàn)臺(tái)架搭建方案后，其余軸系的軸徑范圍從120～170 mm，每10 mm一檔。臺(tái)架由長(zhǎng)2 400 mm的中間軸(1個(gè))，長(zhǎng)3 400 mm的艉軸(1個(gè))以及長(zhǎng)1 200 mm的螺旋槳軸(1個(gè))組成，套筒式聯(lián)軸節(jié)質(zhì)量為600 kg。軸系材料選擇常用的38Cr2NiMo，其密度7.85×103kg/m3，彈性模量2.07×105MPa，泊松比0.25，屈服強(qiáng)度大于等于 600 MPa，許用應(yīng)力小于等于 240 MPa。圖2為軸系臺(tái)架方案設(shè)計(jì)示意圖。

1、12-齒輪箱；2-萬(wàn)向聯(lián)軸器；3-徑向加載裝置；4-艉軸架軸承；5-螺旋槳軸；6-套筒式聯(lián)軸節(jié)；7-后艉軸承；8-艉軸；9-前艉軸承；10-中間軸；11-中間軸承

臺(tái)架的軸承包括：艉軸架軸承、艉軸管后軸承、艉軸管前軸承、中間軸承，數(shù)量各1個(gè)，大齒輪軸承2個(gè)，此外還有4個(gè)大齒輪輸出軸軸承，軸系軸承參數(shù)如表1所示。軸承靜剛度如表2所示。

表1 軸系軸承參數(shù)

表2 軸承靜剛度 kN/mm

2.2 螺旋槳質(zhì)量計(jì)算

臺(tái)架設(shè)計(jì)完成后，需要確定螺旋槳的質(zhì)量。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社設(shè)計(jì)規(guī)范，軸系校中應(yīng)滿足以下約束條件。

1) 后艉軸架軸承處截面轉(zhuǎn)角的弧度一般應(yīng)不超過(guò)3.5×10-4rad。

2) 各軸的彎曲應(yīng)力，一般應(yīng)不超過(guò)表3所示各軸的許用彎曲應(yīng)力。

表3 各軸的許用彎曲應(yīng)力 MPa

3) 軸承最小負(fù)荷應(yīng)不小于相鄰兩跨距間軸的自重和外載荷等所有重量總和的20%(20%G)。

4) 齒輪箱減速大齒輪軸的前、后軸承的軸承負(fù)荷差，不應(yīng)超過(guò)兩軸承之間的軸段與大齒輪重量之和的20%。

后艉軸承的支反力是決定螺旋槳質(zhì)量大小的主要因素，調(diào)整螺旋槳質(zhì)量大小使后艉軸承支反力符合要求。當(dāng)不考慮萬(wàn)向聯(lián)軸器的影響，即將萬(wàn)向聯(lián)軸器與螺旋槳軸脫開(kāi)時(shí)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，螺旋槳質(zhì)量為1 200 kg時(shí)，軸系直線校中各軸承撓度均為0，軸系直線核中軸承狀態(tài)見(jiàn)表4。為了求出萬(wàn)向聯(lián)軸器對(duì)螺旋槳重量的影響，此時(shí)將螺旋槳重量設(shè)為0，當(dāng)2#齒輪箱和萬(wàn)向聯(lián)軸器與螺旋槳軸相連時(shí)，此時(shí)各軸承撓度均為0，考慮萬(wàn)向聯(lián)軸器與2#齒輪箱的軸承狀態(tài)見(jiàn)表5。當(dāng)萬(wàn)向聯(lián)軸器與螺旋槳軸不相連時(shí)，此時(shí)各軸承撓度均為0，不考慮萬(wàn)向聯(lián)軸器時(shí)軸承狀態(tài)見(jiàn)表6。

表4 軸系直線校中軸承狀態(tài)

表5 考慮萬(wàn)向聯(lián)軸器與2#齒輪箱的軸承狀態(tài)

表6 不考慮萬(wàn)向聯(lián)軸器時(shí)軸承狀態(tài)

考慮萬(wàn)向聯(lián)軸器時(shí)，艉軸架軸承支反力為10.45 kN，不考慮萬(wàn)向聯(lián)軸器時(shí)，艉軸架軸承支反力為7.73 kN，萬(wàn)向聯(lián)軸器對(duì)艉軸架軸承影響為2.72 kN。

G′=mg，

(1)

式中，G′為萬(wàn)向聯(lián)軸器對(duì)螺旋槳的影響重量，取值2.72 kN；m為影響質(zhì)量；g為重力加速度，取值9.8 m/s2。由公式(1)計(jì)算可知，影響質(zhì)量約280 kg，因此，螺旋槳質(zhì)量實(shí)際為920 kg(1 200 kg-280 kg)。

3 軸系臺(tái)架設(shè)計(jì)方案二

3.1 臺(tái)架設(shè)計(jì)改進(jìn)

經(jīng)過(guò)上一節(jié)的計(jì)算發(fā)現(xiàn)170 mm軸徑軸系的某些軸承處支反力為負(fù)值。且軸系由于受到交變復(fù)雜的外界力以及自身質(zhì)量的影響，導(dǎo)致軸系易產(chǎn)生一定的彎曲，進(jìn)而產(chǎn)生一定軸向力。為解決該問(wèn)題，考慮到試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)象為軸段而不太關(guān)心軸承，提出采用滾珠軸承的布置形式，將軸系臺(tái)架的艉軸架軸承、后艉軸承和前艉軸承改用為滾動(dòng)軸承。另外，考慮到施工、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等方面存在的不便性，提出不變化軸徑，通過(guò)改變載荷的方式改變疲勞試驗(yàn)時(shí)載荷水平，實(shí)現(xiàn)只搭建一次試驗(yàn)臺(tái)架，中間不需要進(jìn)行部件更換的臺(tái)架方案。此方案為：只搭建1根170 mm軸系，以初始加載載荷為起點(diǎn)，逐漸增加負(fù)載量，通過(guò)不同負(fù)載量施加在同一根軸上產(chǎn)生的不同應(yīng)力值，模擬同樣負(fù)載在不同軸徑條件下的試驗(yàn)效果。

3.2 初始加載載荷計(jì)算

根據(jù)方案二的軸系布置，并參照HJB60-91《艦艇軸系強(qiáng)度計(jì)算方法》，在推進(jìn)軸系的彎曲應(yīng)力不超過(guò)41 MPa前提下，計(jì)算軸徑為170mm的軸系負(fù)載和轉(zhuǎn)矩。該負(fù)載和轉(zhuǎn)矩也是170 mm軸徑軸系的臨界條件，在后續(xù)的軸系耐疲勞試驗(yàn)當(dāng)中，逐一施加在不同軸徑試驗(yàn)臺(tái)架上，作為耐疲勞試驗(yàn)的條件。

在軸系載荷為0時(shí)，即僅考慮軸系自身重量，對(duì)軸系進(jìn)行直線校中，軸系直線校中各軸承撓度為0，轉(zhuǎn)角的弧度和支反力狀態(tài)參數(shù)見(jiàn)表7。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，取各個(gè)軸承襯套的中點(diǎn)為支點(diǎn)，分析徑向加載裝置在不同加載工況下，軸系的最大彎曲應(yīng)力與各軸承支反力。在徑向加載裝置加載能力不低于65 kN的條件下，各加載工況下的軸系支反力如表8所示。經(jīng)計(jì)算，軸系的最大彎曲應(yīng)力出現(xiàn)在螺旋槳軸處，各加載工況下軸系螺旋槳軸處的最大彎曲應(yīng)力見(jiàn)表9。

表7 轉(zhuǎn)角的弧度和支反力狀態(tài)參數(shù)

表8 各加載工況下軸系軸承支反力 kN

當(dāng)初始加載載荷超過(guò)17 kN時(shí)，軸系最大彎曲應(yīng)力將超過(guò)41 MPa。

表9 各加載工況下軸系螺旋槳軸處最大彎曲應(yīng)力

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架的需求分析，制定了臺(tái)架的初步設(shè)計(jì)方案一。對(duì)臺(tái)架設(shè)計(jì)方案一進(jìn)行校核分析，求解出了臺(tái)架上螺旋槳的質(zhì)量為920 kg。根據(jù)計(jì)算結(jié)果中某些臺(tái)架軸承支反力為負(fù)等原因，采取將軸系臺(tái)架的幾個(gè)軸承替換為滾柱軸承進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，考慮到軸系試驗(yàn)臺(tái)架監(jiān)測(cè)及施工組織的方便性，提出只搭建一個(gè)軸徑的軸系，通過(guò)改變加載載荷量來(lái)達(dá)到最初方案的效果，最后通過(guò)計(jì)算，確定該臺(tái)架的初始加載載荷為17 kN，為后續(xù)耐疲勞試驗(yàn)提供了指導(dǎo)依據(jù)。