5 600 DWT油船的推進(jìn)軸系設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析

呂家將　程憑杰

摘? ? 要：軸系是船舶動(dòng)力裝置的重要組成部分，軸系工作狀態(tài)欠佳將引起主機(jī)油耗增加、工況惡化，甚至?xí)?dǎo)致船舶振動(dòng)，影響船舶的正常航行。本文針對(duì)某5600DWT成品油船推進(jìn)軸系，提出了可靠的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)設(shè)計(jì)軸系進(jìn)行了中間軸和螺旋槳軸的強(qiáng)度計(jì)算以及軸系的校中計(jì)算，計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足規(guī)范的要求。提出的設(shè)計(jì)方案不但能確保軸系良好的工作狀態(tài)，并一定程度上可提高主機(jī)的運(yùn)行效率，降低船舶主機(jī)的故障發(fā)生率，提高船舶營(yíng)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：船舶;軸系;強(qiáng)度;設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.21 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design and Strength Analysis of Propulsion Shafting

Based on 5 600 DWT Oil Tanker

LV Jiajiang Cheng Pingjie

（ 1.CCS Industry Corp. Qingdao Branch， Qingdao 266000， 2. CCS Qingdao Branch， Qingdao 266034 ）

Abstract： Shafting is one of the important parts of ship power plant， the poor working condition of shafting will increase the fuel consumption of main engine， deteriorate the working condition， even lead to ship vibration and affect the normal navigation of the ship. A comprehensive and reliable shafting design scheme is put forward for the shafting system of 5 600 DWT product oil tanker， the strength calculation of intermediate shaft and propeller shaft as well as the alignment calculation of shafting are carried out. The calculation and check results meet the requirements of the ship construction rules. The design scheme not only ensures the good working condition of the ship shafting， but also improves the operation efficiency of the main engine and reduces the failure rate of the main engine to a certain extent， and thus improve the economic benefits of the ship operation.

Key words： Ship;? Shafting;? Strength;? Design

1? ? ?前言

船舶推進(jìn)軸系通常由以下部件組成：推力軸（包括推力軸、中間軸和螺旋槳軸）;傳動(dòng)裝置（主要包括齒輪箱和聯(lián)軸節(jié)）;支承部件（包括各種軸承）;尾軸的密封裝置以及其它各種附件。

軸系設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，通常包括整個(gè)軸系的布置和設(shè)計(jì)，以及整個(gè)軸系的合理較中設(shè)計(jì)。船舶推進(jìn)軸系的工作環(huán)境惡劣，整個(gè)軸系的尾端部分伸出船殼并長(zhǎng)期浸泡于海水中，整個(gè)軸系受力復(fù)雜多變。例如：軸系旋轉(zhuǎn)過(guò)程中要受到扭應(yīng)力;主機(jī)正車(chē)和倒車(chē)換向過(guò)程中產(chǎn)生的拉、壓應(yīng)力;軸系自重引起的彎曲應(yīng)力;軸系安裝誤差以及軸系振動(dòng)引起的各種附加應(yīng)力等。因此，船舶軸系設(shè)計(jì)的核心任務(wù)就是更好地解決以上不利因素，減少船舶動(dòng)力裝置故障發(fā)生率，延長(zhǎng)船舶正常營(yíng)運(yùn)時(shí)間。

2? ? ?推進(jìn)軸系設(shè)計(jì)

2.1? ?軸系布置

對(duì)于單軸系的船舶軸線(xiàn)，通常在船舶的縱舯剖面上進(jìn)行合理有效布置;對(duì)于雙軸系的軸線(xiàn)，往往采用兩弦對(duì)稱(chēng)布置的方式;對(duì)于三軸系的軸線(xiàn)，通常在船舶的縱舯剖面上布置一根，余下兩根兩弦對(duì)稱(chēng)布置。軸線(xiàn)設(shè)計(jì)通常為從主機(jī)伸向船舶的尾部，個(gè)別為了靠離碼頭方便，除了具有尾部軸線(xiàn)外還可能也布置有首部軸線(xiàn)。

本船為單機(jī)、單槳、尾機(jī)艙型船舶，主機(jī)為一臺(tái)中速柴油機(jī)，軸線(xiàn)布置在船舶的縱舯剖面上。其設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示，相關(guān)的數(shù)如表1所示。

2.2? ?軸系長(zhǎng)度

軸系的長(zhǎng)度和安裝位置，主要由螺旋槳的中心及主機(jī)輸出軸的法蘭中心所確定，對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度需要考慮內(nèi)、外部的尺寸大小。其中：外部尺寸是指由船體線(xiàn)型確定的尾柱軸轂的位置，需滿(mǎn)足槳葉與船體之間具有合適的間隙，以便于螺旋槳的進(jìn)水，從而增加螺旋槳在船舶航行時(shí)的推進(jìn)效率;內(nèi)部尺寸是指滿(mǎn)足船體線(xiàn)型前提下，齒輪箱的箱座和主機(jī)的機(jī)座應(yīng)適當(dāng)朝尾部靠攏，目的在于減小軸系的長(zhǎng)度，降低成本，有利于機(jī)艙的布置。

根據(jù)本船尾部線(xiàn)型圖和機(jī)艙的布置，計(jì)算出尾軸的長(zhǎng)度為6611 mm;中間軸長(zhǎng)度為889 mm;對(duì)應(yīng)軸線(xiàn)（齒輪箱輸出端至螺旋槳的距離）總長(zhǎng)度為7500 mm。軸系設(shè)計(jì)詳圖，如圖2所示。

對(duì)于整個(gè)軸系而言，處于尾軸端的螺旋槳自身的重量比較大，船舶航行時(shí)主機(jī)軸系拖動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，懸臂處于動(dòng)載荷狀態(tài)，由此決定了尾軸承的間距不能過(guò)大。本船尾軸的基本直徑D=300 mm，其中軸承間距L與尾軸基本直徑D的比值，推薦如表2所列。

表2? 軸承間距L與尾軸直徑D比值推薦表

對(duì)傳統(tǒng)的尾機(jī)型貨輪或油輪，由于受船舶機(jī)艙空間大小的限制，軸承間距L與尾軸基本直徑D的比值僅有8～9甚至更小，所以尾軸前軸承長(zhǎng)度Li1通常取0.8～1.5倍尾軸基本直徑D。根據(jù)規(guī)范要求，結(jié)合本船實(shí)際情況，本船Li1取450 mm;，根據(jù)規(guī)范要求，靠近螺旋槳的最后一道軸承長(zhǎng)度Li2應(yīng)大于2倍直徑D，本船Li2取為900 mm;尾軸承采用白合金軸承。

2.3? ?螺旋槳軸長(zhǎng)度與錐度

螺旋槳軸的尾部主要用于安裝螺旋槳，在船舶航行時(shí)起到承受和傳遞負(fù)荷的作用;尾端的錐形部分，主要用來(lái)承受主機(jī)處于正車(chē)狀態(tài)時(shí)的推力，而固定螺母主要用來(lái)承受主機(jī)處于倒車(chē)狀態(tài)時(shí)的推力。

進(jìn)行軸系設(shè)計(jì)時(shí)，通常按照以下經(jīng)驗(yàn)數(shù)值和公式進(jìn)行估算：

（1）錐度值K與小端直徑dxz以及大端直徑dtz之間的關(guān)系式如下：

3? ? ?軸系強(qiáng)度校核

船舶軸系所承受的負(fù)荷復(fù)雜，如：主機(jī)的扭矩、軸與螺旋槳的自身重力、螺旋槳的推力以及各個(gè)軸承的反作用力等。所有負(fù)荷分為靜負(fù)荷和動(dòng)負(fù)荷兩種，目前對(duì)軸系的強(qiáng)度校核方法較多，通常是按經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。

本文采用經(jīng)驗(yàn)公式估算各種應(yīng)力，其計(jì)算結(jié)果合理，可靠性高，實(shí)用性強(qiáng)。

3.1? ?中間軸

3.1.1 螺旋槳推力計(jì)算

在計(jì)算軸系強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)先按下式估算螺旋槳的推力，

3.1.2中間軸強(qiáng)度計(jì)算

（1）由主機(jī)扭矩引起的剪應(yīng)力

3.1.3中間軸彎曲應(yīng)力計(jì)算

中間軸本身具有一定的質(zhì)量，對(duì)應(yīng)的彎曲應(yīng)力按下式計(jì)算：

3.1.4中間軸壓縮應(yīng)力計(jì)算

3.1.5中間軸合成應(yīng)力計(jì)算

3.2? 螺旋槳軸

螺旋槳軸浸入海水中受到相應(yīng)的浮力，在船舶航行時(shí)受到懸臂動(dòng)載荷作用，其受力情況比較復(fù)雜，對(duì)螺旋槳軸的強(qiáng)度計(jì)算采用了傳統(tǒng)的彎曲應(yīng)力影響系數(shù)的方法進(jìn)行估算。

3.2.1尾軸剪切應(yīng)力

3.2.2尾軸壓縮應(yīng)力

3.2.3尾軸合成應(yīng)力

3.2.4尾軸強(qiáng)度校核

4? ? ?軸系校中計(jì)算

軸系校中，就是在船舶軸系設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中，合理確定每一個(gè)中間軸承和對(duì)應(yīng)尾管軸承的間隔距離以及垂直高度位置，從而保證每一個(gè)軸承所承載的負(fù)荷均能在允許范圍內(nèi)滿(mǎn)足均勻分布的要求。軸系校中的目的，在于合理分配每一個(gè)軸承上的負(fù)荷、合理分配軸系上的彎矩，確保整個(gè)軸系正常運(yùn)行時(shí)不會(huì)在允許的偏中情況下受到較大的影響，確保主機(jī)運(yùn)行時(shí)整個(gè)軸系工作的可靠性。

4.1? ?彎矩計(jì)算

進(jìn)行軸系校中計(jì)算時(shí)，采用COMPASS軟件對(duì)本船設(shè)計(jì)的軸系選取了9個(gè)截面位置進(jìn)行計(jì)算，共有10個(gè)支座?，F(xiàn)把第i個(gè)支座的左右兩跨梁脫離體作為本船設(shè)計(jì)的研究對(duì)象，如圖3所示。

4.3軸承反力

5? ? ?結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)5 600 DWT成品油輪的軸系系統(tǒng)進(jìn)行了軸系強(qiáng)度校核和校中計(jì)算，計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足建造規(guī)范要求，說(shuō)明本文采取的設(shè)計(jì)方案正確、合理。

參考文獻(xiàn)

[1] 王宏志. 船舶柴油機(jī)推進(jìn)軸系狀態(tài)評(píng)價(jià)方法的研究[D]，大連海事大學(xué)，2015.

[2] 袁前勝. 頂升法工藝在船舶軸系中間軸承換新中的應(yīng)用和探討[J].?船舶標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2017（3）：32-34.

[3] 吳幼奇， 劉建峰， 陳建國(guó)， 王章建. 力學(xué)在船舶推進(jìn)軸系設(shè)計(jì)和安裝中的應(yīng)用[J].船舶與海洋工程.2018.12（25）：57-62.

[4] 賴(lài)國(guó)軍， 劉金林， 雷俊松， 夏極， 周瑞平， 曾凡明. 船舶推進(jìn)軸系方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)艦船研究。2019.9（20）：10-17.

[5] 周廣嶺. 船舶軸系校中計(jì)算方法分析[J]. 廣東造船. 2017 . 5（156）：53-57.

[6] 周瑞平， 徐立華， 張昇平， 黃政. 船舶推進(jìn)軸系校中若干技術(shù)問(wèn)題研、究[J]. 船舶工程.2004.12（24）：48-51.

[7] 鄭世培. 船舶軸系校中工藝[J]. 科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊.2017.4（15）：84-85.