船舶主機(jī)安裝高度偏差對軸系裝調(diào)的影響分析

鄧義斌 楊小鋼 黃燕玲 朱漢華 范世東

(武漢理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢市船舶檢驗所2) 武漢 430030)

0 引 言

船舶推進(jìn)裝置安裝是船舶建造過程的重要環(huán)節(jié)，其安裝質(zhì)量直接影響船舶的推進(jìn)性能，為此造船企業(yè)形成較為完整的安裝工藝流程和質(zhì)量控制措施，各船級社都制定較為嚴(yán)格的安裝檢驗規(guī)范[1-3].但受限于船舶建造的精度，主機(jī)實際安裝高度與設(shè)計高度會產(chǎn)生偏差[4-6].該偏差將影響軸系校中質(zhì)量[7-8]，同時在一定程度上壓縮中間軸承調(diào)整的試錯空間，增大軸系的裝調(diào)難度，導(dǎo)致軸系安裝工期長、裝調(diào)效率低，文獻(xiàn)[9]報道某輪中間軸承調(diào)整用時長達(dá)35 d的情況.因此,分析主機(jī)安裝高度偏差對軸系裝調(diào)的影響，對于制定合理的裝調(diào)決策、提高船舶推進(jìn)裝置的安裝質(zhì)量和效率具有重要意義.

1 主機(jī)安裝高度偏差原因

以國內(nèi)造船廠應(yīng)用較為廣泛的艉艏安裝工藝為例來說明船舶推進(jìn)裝置安裝過程，船舶下水前，先在船臺確定軸系理論中心線，確定軸系理論中心線通常采用以艏、艉兩基準(zhǔn)點作為依據(jù)的拉線法或光學(xué)法；然后按已確定的理論中心線在船體上鏜孔以便軸系進(jìn)入船體，再安裝艉軸管、艉軸、艉軸承等裝置；船舶下水后，以艉軸端為基準(zhǔn)，按規(guī)定的偏移值和曲折值由艉至艏逐個軸段進(jìn)行聯(lián)接，找準(zhǔn)主機(jī)及吊裝，開展軸系校中，如果校中檢驗不合格，則需要根據(jù)檢驗結(jié)果來制定調(diào)整方案.通過調(diào)整中間軸承高度或甚至調(diào)整主機(jī)高度重新找準(zhǔn)主機(jī)，直至校中檢驗合格，然后固定主機(jī)，其主要流程見圖1.

圖1 船舶軸系艉艏安裝工藝流程圖

基于該工藝流程主機(jī)安裝高度偏差產(chǎn)生的原因為：①軸系理論中心線是在船臺上確定的，但船舶下水后船體支撐狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致船體發(fā)生變形，按變形前確定的位置安裝主機(jī)則會產(chǎn)生偏差;②主機(jī)吊裝后由于重量增加使安裝主機(jī)分段的船體局部發(fā)生變形，同理該變形也產(chǎn)生偏差;③由于加工及安裝精度不易控制，難以避免存在偏差.

2 主機(jī)高度偏差影響

2.1 軸系受力

設(shè)軸段端面的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)可由軸系垂向位移z、截面轉(zhuǎn)角θ、彎矩M和剪力T表示.軸段僅受重力影響、受集中載荷單元與支承單元的傳遞矩陣分別如式(1)～式(3)所示[10-12].

(2)

(3)

式中：li為第i軸段單元的長度;qi為第i軸段單元的均布載荷;EIi為第i軸段單元的抗彎剛度；P為集中載荷；ke為支承的等效剛度；δ為某軸承安裝前向下的移動量.結(jié)合連續(xù)條件(4)，便可求出任意單元端面的狀態(tài)參量與初始量的關(guān)系(5).

(4)

(5)

式中：ti為第i單元的傳遞矩陣.

對于主機(jī)端支承，使得其變位z0=1，其他參量取0，列出軸承跨距累積矩陣，可得式(6).

(6)

綜合式(1)～式(6)，可得主機(jī)高度偏差大小對各軸承受力的影響：①當(dāng)軸系材料僅發(fā)生彈性形變時，主機(jī)高度變化與各軸承受力變化為線性關(guān)系；②各支承等效剛度大小相近時，主機(jī)高度偏差對各軸承受力的影響從艏向艉傳遞隨距離增大逐漸變小，并且相鄰軸承的影響因子不同號.

2.2 變位調(diào)整

1) 中間軸承變位試錯空間 根據(jù)船級社相關(guān)規(guī)范，軸承受力應(yīng)處于軸系校中計算書設(shè)計值允許的偏差范圍內(nèi).僅考慮單個軸承自身的受力與變位條件下，當(dāng)主機(jī)及各軸承均位于設(shè)計高度時各軸承變位試錯空間是以設(shè)計軸承高度為基準(zhǔn)點，由軸承受力允許偏差確定的軸承變位上下限；而當(dāng)主機(jī)安裝高度存在偏差各軸承仍位于設(shè)計高度時，根據(jù)2.1分析，該偏差將使軸承受力偏離設(shè)計值，導(dǎo)致試錯空間發(fā)生平移，此時如果仍按原來的試錯空間去調(diào)整軸承變位，則會出現(xiàn)小部分空間不能滿足軸承受力的規(guī)范，此時試錯空間應(yīng)縮小為平移前后的交集，見圖2.

圖2 軸承變位試錯空間變化示意圖

2) 主機(jī)變位決策 主機(jī)高度偏差在壓縮中間軸承試錯空間的同時，也會影響艉軸承受力，當(dāng)偏差過大時，將導(dǎo)致艉軸承受力超出規(guī)范允許的范圍，而艉軸端作為基準(zhǔn)一般不作調(diào)整，使軸系安裝基準(zhǔn)點的艉軸承受力超出規(guī)范的主機(jī)高度偏差稱為臨界高度偏差，當(dāng)主機(jī)安裝高度偏差超出臨界偏差時需要先調(diào)整主機(jī)高度以降低軸系校中難度.

3 實例計算

3.1 各軸承受力影響計算

以一艘汽車滾裝船推進(jìn)軸系為實例進(jìn)行計算.該輪軸系布置見圖3，全長54.3 m，設(shè)有三個中間軸承和三個艉軸承，軸系的力學(xué)參數(shù)見表1.

圖3 推進(jìn)軸系結(jié)構(gòu)簡圖

表1 各材料力學(xué)性能參數(shù)

按軸系的設(shè)計參數(shù)，設(shè)定艉軸承與中間軸承高度均為0 mm，主機(jī)及曲軸高度設(shè)為軸系計算書的給定數(shù)值，用傳遞矩陣法計算得到主機(jī)高度偏移+0.1 mm時各軸承受力變化值見表2各軸承受力的影響規(guī)律與理論分析結(jié)果完全一致，1#和2#艉軸承與主機(jī)距離較遠(yuǎn)，主機(jī)安裝高度偏差對其受力的影響可忽略不計.

表2 各軸承受主機(jī)高度偏差的受力影響因子 單位：kN

3.2 各中間軸承調(diào)整試錯空間影響計算

根據(jù)2.2的分析條件，分別計算主機(jī)安裝高度無偏差與偏差+0.1 mm時軸承變位試錯空間變化見表3.

表3 中間軸承試錯空間變化

主機(jī)高度無偏移時，各中間軸承受力允許范圍為設(shè)計值的±20%.主機(jī)高度偏差+0.1 mm時，中間軸承受力將偏離設(shè)計值，稱其為標(biāo)準(zhǔn)值，將標(biāo)準(zhǔn)值加上設(shè)計值的±20%，可求得按原變位調(diào)整軸承受力的最大值與最小值.通過各中間軸承自身受力變化影響因子及允許受力范圍，可求得各中間軸承在設(shè)計值時上下調(diào)整的空間.取主機(jī)高度正常與偏移+0.1 mm時的試錯空間交集，可得到主機(jī)高度變化+0.1 mm時，1#、2#和3#中間軸承試錯空間分別減小0.026，0.18，0.34 mm，試錯空間分別壓縮了0.8%，0.19%，18.9%.

3.3 主機(jī)高度臨界偏差計算

按2.2的分析，假設(shè)所有艉軸承高度均為0 mm，各中間軸承支撐點連線為直線，3#艉軸承受力超出規(guī)范允許的范圍時達(dá)到臨界狀態(tài).若主機(jī)安裝高度無偏差，則軸系安裝狀態(tài)為如圖4所示的水平直線；主機(jī)安裝高度有偏差時，軸系安裝狀態(tài)為如圖4所示的斜線.

圖4 軸系軸線狀態(tài)變化

由主機(jī)高度偏差引起的各中間軸承高度的變化可以利用相似三角形計算得到，并由此計算得到主機(jī)高度偏差分別為-0.8 mm和+13.5 mm時，3#艉軸承受力分別達(dá)到設(shè)計值的±20%上限和下限.當(dāng)主機(jī)高度偏差超出臨界范圍時，將極大地增加軸系校中難度，甚至導(dǎo)致校中失敗，此時應(yīng)先調(diào)整主機(jī)高度，再進(jìn)行軸系校中.

4 軸系裝調(diào)經(jīng)驗驗證及理論依據(jù)

4.1 軸系裝調(diào)經(jīng)驗驗證

由于在實際安裝過程中無法準(zhǔn)確測得主機(jī)安裝高度偏差，只能測量各軸承受力.因此，根據(jù)各軸承受力來制定是否調(diào)整主機(jī)高度的決策是軸系裝調(diào)過程中需要面對的問題.通過調(diào)研得知，針對該船型，船廠技術(shù)人員實踐經(jīng)驗為：當(dāng)各中間軸承所受支反力平均值與最靠近主機(jī)的艉軸承所受支反力大致相當(dāng)時，一般不需要調(diào)整主機(jī)安裝高度，適宜直接開展中間軸承的調(diào)整工作.該經(jīng)驗知識可表示為

F1+F2+F3=KF4

(7)

式中：F1為1#中間軸承受力；F2為2#中間軸承受力；F3為3#中間軸承受力；F4為3#艉軸承受力；K為經(jīng)驗系數(shù).

為驗證該經(jīng)驗的準(zhǔn)確性，按3.3的分析條件進(jìn)行計算得到經(jīng)驗系數(shù)K=3.15，與經(jīng)驗描述相近，說明船廠技術(shù)人員的裝調(diào)經(jīng)驗是較為準(zhǔn)確的.

4.2 軸系裝調(diào)經(jīng)驗的理論依據(jù)

為建立主機(jī)高度偏差與經(jīng)驗系數(shù)K之間的關(guān)系，找到軸系校中工作難度不大的K值范圍，分別計算主機(jī)高度偏差從-0.4 mm～+3 mm時的K值，結(jié)果見圖5.隨著主機(jī)高度增加，K呈下降趨勢.由于3#中間軸承距主機(jī)最近，主機(jī)高度偏差對其受力影響最大，計算得到不同主機(jī)高度偏差時其受力變化趨勢見圖6，假定3#中間軸承處于設(shè)計高度，若其受力在規(guī)范允許的偏差內(nèi)說明主機(jī)高度偏差在可接受的范圍內(nèi)，中間軸承調(diào)整難度不大.根據(jù)3#中間軸承受力的允許偏差計算得到主機(jī)高度偏差分別為-0.2 mm和+0.8 mm，K值分別為2.7和3.25，即認(rèn)為當(dāng)經(jīng)驗系數(shù)K值位于為2.7～3.25區(qū)間時，較為適宜進(jìn)行中間軸承的校中調(diào)整，從而在中間軸承的調(diào)整難度與主機(jī)安裝精度要求之間取得較好的平衡.

圖5 經(jīng)驗系數(shù)K值變化曲線

圖6 3#中間軸承受力變化曲線

5 結(jié) 論

1) 通過軸系力學(xué)理論分析可知，主機(jī)高度偏差對各軸承受力的影響為線性變化，并且從艏向艉傳遞時會隨距離增大逐漸變小，相鄰軸承的影響因子正負(fù)交替；以實船為例計算得到各軸承的影響因子.

2) 主機(jī)安裝高度偏差會壓縮軸承變位調(diào)整的試錯空間，實例計算結(jié)果顯示主機(jī)高度發(fā)生+0.1 mm變化時，1#、2#和3#中間軸承試錯空間分別壓縮了0.8%、0.19%、18.9%；此外過大的主機(jī)安裝高度偏差將使靠近主機(jī)端的艉軸承負(fù)荷超出規(guī)范要求的范圍，此時需要先調(diào)整主機(jī)高度再進(jìn)行軸系校中工作.

3) 通過該實例船型軸系裝調(diào)經(jīng)驗知識的探討和分析，認(rèn)為當(dāng)各中間軸承受力之和是3#艉軸承受力的2.7～3.25倍時，中間軸承調(diào)整難度與主機(jī)安裝精度要求取得較好的平衡，適宜開展中間軸承的校中調(diào)整.