快艇軸系設計的幾個問題

王艷瓊

（武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢430063）

越來越多的快艇因體積小、速度快、機動性強而被廣泛應用于公務（公安、海關、港監等）、軍事（海軍）、旅游、休閑和短距離交通。目前，這類快艇需求量大，建造速度快，尤其在南方沿海地區，快艇制造業發展很快。快艇通常采用高速柴油機作動力，螺旋槳軸的轉速達1 200r／min或更高。由于其主動力裝置的轉速高，振動也相對較大，所以，快艇軸系設計的可靠性和安全性尤顯突出。

1 快艇螺旋槳軸及螺旋槳直徑

快艇螺旋槳軸及螺旋槳直徑應根據快艇的用途和航行條件，確定其螺旋槳軸直徑。式 （1）為快艇螺旋槳軸軸徑的基本計算公式。

式中：D——螺旋槳軸軸徑，mm；

P——主機功率，kW；

Cd——設計系數，見表1；

ne——螺旋槳軸轉速，r／min；

St——螺旋槳軸材料的扭轉剪切屈服強度。

對銅基合金材料，其扭轉剪切屈服強度為其抗拉屈服強度（屈服點為產生0.5%永久變形的應力）的；對鎳和鋼合金材料，其扭轉剪切屈服強度為其抗拉屈服強度（屈服點為產生0.2%永久變形的應力）的。

表1 不同類別快艇槳軸設計系數

計算出螺旋槳軸軸徑后，可對應地估算出螺旋槳直徑D。一般螺旋槳直徑與螺旋槳軸直徑d之比不應超過15∶1［1］，對高性能快艇，如賽艇，一般該比值取12∶1，即：D＝12d。

2 快艇螺旋槳軸軸承間距

螺旋槳軸軸承間距是指支撐螺旋槳軸的軸承中心點之間的距離，可按下式計算：

式中：L——最大軸承間距，mm；

D——螺旋槳軸軸徑，mm；

ne——螺旋槳軸轉速，r／min；

E——螺旋槳軸材料的彈性模數，MPa；

W1——螺旋槳軸材料密度，g／cm3。

圖1 軸承間距-曲線

在不影響軸系校中的情況下，最小軸承間距應大于20倍的螺旋槳軸直徑。

3 快艇螺旋槳軸的軸承材料

由于快艇螺旋槳和螺旋槳軸的重量相對較輕，軸承上的負荷比較小，因此，從負荷上考慮，所有軸承材料均能滿足要求。但從振動、環保等角度考慮，世界各國的快艇多采用水潤滑的橡膠軸承，其優點是［2］：

1）吸振性能好。與其它材料（如塑料、鐵梨木等）相比，振動可減少50%；

2）不污染水域。橡膠軸承只能用水潤滑，對水域不會造成污染；

3）摩擦系數小。在水潤滑的條件下，橡膠軸承的摩擦系數大約為0.01左右；

4）抗泥沙磨損。橡膠軸承是目前唯一的一種抗泥沙磨損材料；

5）在高速工況下，工作性能好。橡膠軸承在20m／s的線速度下也能安全地工作。

快艇使用的水潤滑橡膠軸承見圖2，其標準列于表2中。

圖2 橡膠軸承

表2 常用水潤滑橡膠軸承技術標準

4 推薦尾管密封裝置

快艇用水潤滑軸承的密封裝置，主要應考慮由振動所帶來的軸向竄動和徑向跳動。一般，軸向竄動量和徑向跳動量分別可達5mm和±3mm。當采用端面密封裝置時，徑向跳動是可以滿足的，但軸向竄動量并非所有密封裝置都能滿足。選擇密封裝置的原則是：如果螺旋槳軸的軸向竄動被推力軸承所制約，則5mm是足夠補償；如果螺旋槳軸的軸向竄動沒有被推力軸承所限制，如采用ZF15MIV減速箱所組成的主動力系統，就應該用ZF公司的專用密封裝置。

圖3 STB-A型水潤滑尾管密封裝置

STB-A型密封裝置不磨損螺旋槳軸及軸套，密封環（一個備用）的特殊結構能形成動壓潤滑，可有效補償軸向竄動。此外，該裝置含有一個應急充氣密封圈，可在水上進行檢修。經實船證明，該裝置密封效果好，工作可靠，壽命長。

STB-B型密封裝置結構簡單，摩擦靜環采用耐磨材料制成，因而可以在多泥沙水域工作；由于

圖4 STB-B型水潤滑尾管密封裝置

推薦兩種快艇用端面密封裝置見圖3、4，供參考使用。波紋管的彈性，可以很好地補償軸向竄動。目前，這類密封裝置在快艇中使用較為廣泛。

［1］中國船級社.鋼質海船入級規范［S］.北京：人民交通出版社，2006.

［2］張樂天.民用船舶動力裝置［M］.北京：人民交通出版社，1980.