某散貨船軸系安裝工藝研究

(中國船級社 武漢分社，武漢 430022)

軸系安裝是通過調整軸系各軸之間的相互位置，使各軸承負荷在合理范圍內，軸系安裝研究主要是以軸承負荷、轉矩為主，以提高安裝精度與效率[1-2]，對于軸承形式研究主要集中在對斜鏜孔形式的研究上[3]。本文從某船廠建造的載重量為57 000 t散貨船安裝工藝入手，研究軸系在艉管內的布置，通過分析研究艉軸承布置形式對整個軸系安裝的影響，探究無首軸承艉管軸系安裝要點，以推動該類軸系安裝工作的順利開展。

載重量57 000 t散貨船由上海船舶設計院設計。該船為國際航行散貨船，主機為6S50MC船用低速柴油機，推進系統通過主機、中間軸、艉軸至固定矩螺旋槳產生推力，中間軸直徑420 mm、艉軸直徑500 mm，軸系靠艉管艉軸承及中間軸承支撐。艉管為整體式現場環氧澆注安裝，艉管及艉軸承在設備廠家加工安裝完畢，無首軸承，整個軸系采用滑油潤滑，見圖1。

1 軸系安裝

軸系安裝是按一定要求和校中方法，將軸系敷設成某種狀態，處于這種狀態下的軸系，其全部軸承上的負荷及各軸段內的應力都處在允許范圍之內，或具有最佳的數值，從而保證軸系持續正常地運轉。

常用軸系校中方式主要有：直線校中、軸承負荷校中及軸系合理校中。

采取合理校中方法，調整過程主要分3個階段進行。①基準軸線的確定，艉管安裝及下水前艉軸的固定；②軸系中各軸的定位問題，各軸之間的連接以及各軸之間用“開口，GAP”和“偏移，SAG”法初步確定主機、軸系位置；③用“頂升試驗JACK-UP”法最終驗證主機、軸系各軸承負荷，檢查其軸系連接的最終有效性。軸系合理校中安裝流程見圖2。

圖2 合理校中流程

2 軸系安裝工藝

該船型為艉管整體安裝環氧澆注模式安裝，艉管艉軸承無偏心及傾斜安裝，無艉管首軸承，艉軸承壓配在設備廠家安裝，艉軸承與艉管同心，艉管首艉同心，見圖3。

圖3 艉管布置剖面示意

2.1 艉管定位

首先通過激光經緯儀掃出一束水平光線，該線通過船中且距船體基線滿足理論軸系設計要求，并在圖4的-1#點、16#及31#處設置3個靶架，留下3個靶點，通過此3點拉出的鋼絲線即代表初步確定的軸系中心線。

圖4 軸系拉線

從-1#和16#靶點拉出的鋼絲線調節艉管，使艉管中心線與軸線重合，調整時要考慮鋼絲線的下垂：通過計算給出艉管首艉測量點的下垂值。通過對測量點的控制，在去除所拉鋼絲下垂量的影響后，艉管中心線較理論軸系中心線的偏差控制在0.1 mm以內。

2.2 艉軸定位

對于艉管內設置有首艉軸承的情況，艉軸進入艉管內，直接放置于軸承上其對艉軸起到支撐作用，若在設計過程中未對首艉軸承進行偏心或斜鏜孔等處理的情況下，整個艉軸成水平狀布置，反映到艉軸軸承位間隙為：上部為總間隙，左右間隙均勻，下部間隙近似為零。

本船由于艉管內無首軸承，無法直接固定于艉管內，為此需要外加一個臨時支撐以保證艉軸的定位。如何確定臨時支撐的位置，為此在安裝過程中參考了軸系校中計算書：SA-1016-H10B713[4]，其temple support 1，位于艉軸的首部，距離法蘭面200 mm，其offset為0 mm，臨時支撐以一個對稱布置滾輪形式設置，以保證艉軸在臨時支撐位置的轉動。

整個軸系校中計算過程中，以軸系理論中心線為基礎，為此其offset為0的設置也相對于該線確定，因此temple support 1位于軸系中心線上，在實船安裝過程中即為艉管中心線。

為了滿足temple support1 處為offset為0的要求，將該點換算至艉管前端壁處，上下間隙及左右間隙近似相等，具體測量數據見表1。

表1 艉軸承首艉間隙 mm

以上數據中，艉軸承處測量值為艉軸承處間隙值，由于艉軸左右設置油槽因此測量點為其相應位置上下45°處測量結果。艉管前端測量值為艉管外徑至艉軸處距離，反映了艉軸在艉管中的位置。

從數據上分析，艉軸在艉部與艉軸承接觸，左右間隙均勻；同時艉管前端反映艉軸位于艉管中心，鑒于艉管中心處為近似與理論軸系中心線重合，艉軸在艉管前端上下左右均勻，判斷臨時支撐temple support 1 處，位于軸系中心線，offset為0 mm。

2.3 軸系對線及頂升試驗

在滿足“軸系校中計算書”狀態要求下進行軸系校中：所有大型焊接工作均已結束，船舶處于漂浮狀態，船舶左右橫傾為0°，螺旋槳冷態75%浸沒狀態下進行[5]。

在該狀態下，以艉軸法蘭作為整個軸系對線的基礎，從后向前調整各支撐位置使艉軸法蘭與中間軸法蘭、中間軸法蘭與主機之間的GAP&SAG，滿足校中計算書的要求。同時調整機座的撓度，調整機座扭曲，以滿足設備廠家設計要求，在上述調整結束后，用配制的定位銷和普通螺栓將軸系臨時連接，對軸系進行預頂升。在預頂升檢驗合格后，對主機、軸系安裝固定。最終進行頂升試驗，測量艉管前軸承(如果存在的情況下)、中間軸承和主機3道軸承(8#、7#、6#)實施負荷頂升試驗，各道軸承負荷滿足校中計算書要求，主機各道軸承負荷滿足主機廠家要求。并測量主機曲軸拐檔差和3道軸承間隙。

3 問題的產生

在實際對線的準備過程中，通過現場人員反饋，按照軸系校中計算書的要求，在艉軸法蘭處施加一個30 kN的力，以保證艉軸法蘭處校中計算書要求的位置。

現場施工過程中，當作用在法蘭上的力僅僅有15 kN時發現艉軸與臨時支撐接觸。在準備對線過程中現場施工人員認為不用施加30 kN這么大的力就可以滿足艉軸定位要求或者是臨時支撐位置不對，希望設計部門對該對線工藝和校中計算書內該數據進行核實，并修改工藝便于后續工作的開展。為此各方及時停止后續工作對當前軸系安裝狀況和計算書要求進行分析。

鑒于該艉管未設置艉管首軸承，但是在距離艉軸法蘭200 mm處設置臨時支撐，并按照軸系校中計算書的要求在對線過程中保證該點的offset為0 mm。

首先確定該外力由軸系校中計算書理論計算而來，布置位置滿足校中計算書要求，設置高度通過艉軸定位確定。同時通過與主機廠家溝通(軸系校中計算書由主機廠家負責計算)，其數據準確，不會存在施工過程中出現的偏差。

其次，核對船舶狀態，其浮態、螺旋槳浸沒狀態、船舶的傾斜狀態以及當前船舶的施工狀態沒有影響對線因素的存在。

最終決定對船臺安裝過程進行核實。

在所有過程和數據均滿足軸系安裝工藝及校中計算書要求的情況下，將問題集中于temple support 1的offset為0的設置上。

根據軸系校中計算書的要求，offset是相對理論軸系中心線設置，通過對原有檢測數據的判斷，在設置首部臨時支撐時，其相對于艉管4個方向間隙基本一致。因此判斷設置的temple support 1 為艉管中心，也就是理論軸系中心。

通過對傳統設置有首艉軸承艉管軸系的分析，在未設置偏心軸承或斜鏜孔的情況下，艉軸在艉管內布置時，在未安裝螺旋槳的情況下，其完全依靠首艉軸承支撐。如果不考慮艉軸在艉管內的傾斜，將其考慮成一個鋼性結構，整個艉軸在艉管內貼近下部軸承固定，艉軸中心線位于軸系理論中心線以下總間隙值的一半。在對線狀態下，艉軸法蘭前端面一般是作為GAP&SAG對線的基礎。虛線部分為艉管中心線，即理論軸系中心線；實線為艉軸中心線。具體布置情況見圖5。

圖5 艉軸在艉管內的狀態

為此對于offset為0的設置提出懷疑，具體安裝狀態見圖6。

圖6 4種安裝狀態下軸系布置示意

通過對比圖6設置首艉軸承和未設置首軸承臨時支撐offset為0時出現兩種理解。

1)在安裝過程中應該以實際艉軸的中心線為準來確定變位量offset，其是相對于實際艉軸的中心線而言，因此offset為0點，其位置為相對于理論軸系中心下移軸承總間隙值的一半，與存在首軸承時一致。

2)堅持認為offset就是相對于理論軸系中心線，在實際軸系運轉過程中艉軸會騰空，其中心位置就是理論軸系中心，嚴格按照軸系校中計算書要求進行。

從傳統艉管內設置首艉軸承情況下分析，對于存在外力作用時，艉軸對線滿足第一種情況，其對線時艉軸中心低于實際軸線中心。在該船的安裝過程中，未設置首軸承，為此艉軸前法蘭的高度調整范圍放大。

以上兩種情況要注意的是艉管前后軸承或艉管后軸承與臨時支承的高度一定要滿足軸系校中計算書的要求，只有這樣艉軸前法蘭才是真正的排軸基準，靜態校中計算必須尋找一套中間軸承和主機軸承的變位——offset，來保證所有軸承的負荷都在制造商許可的范圍內。為了得到軸系相關的軸承變位——offset，必須計算法蘭脫開時所需要的GAP&SAG。GAP和SAG的數值可以用在規定的校中施工過程里，以決定中間軸承和主機軸承的位置，如果中間軸承不作為臨時支承，應該最后用頂舉負荷法確定中間軸承位置。

應該明確的是在軸系校中計算中，最終確定的各軸承和臨時支承的垂向位移值都是理論值，該值是軸線與軸系理論中心線的相對位移，并沒有考慮實際中軸與軸承間隙產生的影響。

由于該軸系未設置艉管前軸承，為此對于offset位置的只有通過艉管后軸承來判斷，如果在軸系校中計算中，其offset為-0.45 mm(理論設計間隙為0.90 mm，位于軸系中心線以下)即反映校中計算過程中已經考慮了艉軸緊貼軸承的情況，則可以判斷該臨時支撐位置offset的設置依據。為此通過對校中計算書的判斷，見表2。

表2 冷態下軸承負荷及變位

通過以上數據判斷，其在AFT S/T BRG 處offset為0，與臨時支撐處offset為0一致，說明兩者應該處于同一個高度。鑒于在實際安裝過程中，冷態下艉管后軸承處艉軸是緊貼其布置，為此其艉軸中心位于理論軸系中心線以下，總間隙的一半。因此臨時支撐的位置也應該相應變位，下移總間隙的一半，與艉管軸承處軸的中心線高度一致。在理論計算中是相對于理論軸系中心線而言，但是在實際對線過程中應該考慮的是整個艉軸在艉管內的布置。通過以上分析，各方基本達成一致，認為temple support 1的設置不滿足軸系校中計算書的要求。其真實位置應該是軸系理論中心線以下，與艉軸承所在高度一致。

4 問題的處理

軸系校中總原則是以艉軸法蘭為基準，按給定的開口和外圓值調節中間軸和主機，以確定中間軸承和主機的位置，最終的確認以軸承負荷的測量結果(通過頂升試驗)為依據，其實際測定的軸承負荷應滿足負荷計算書的要求。

針對出現的問題在實際施工過程中提出兩種不同解決方案。

1)對臨時支撐位置進行調整，以滿足軸系校中計算書的要求。

2)按照當前安裝情況，重新計算，是否可以通過調整GAP&SAG滿足軸承負荷要求。

對于第2種解決方案，從理論上應該是可以滿足要求的，因為其最終安裝的驗收標準以軸承負荷為準，但是鑒于該船舶無艉管首軸承，其艉軸負荷主要分布于艉管軸承和中間軸承，鑒于艉管軸承在實際施工和檢測過程中無法測量，艉軸靜態情況下的傾斜固定，存在加大艉管艉軸承負荷的可能性，為此設備廠家、船東和船廠均不希望該現象的出現，同時與設備廠家及審批機構進行溝通和聯系，重新計算需要一定周期，無法滿足船廠施工進度要求，為此各方基本同意按照第1種解決方案進行。

在實施方案1的過程中涉及到如何調整temple support 1的問題，其中也存在兩種方案。

1)直接向下施加30 kN，去掉臨時支撐，外力作用后的位置作為對線基礎。

2)通過對臨時支撐位置的檢測來控制下移量。

為此現場分析了方案1在不考慮臨時支撐直接施加外力作用的影響。

1)直接施加外力作用按照軸系校中計算書理論計算，理想狀態在該力作用下的位置應該和臨時支撐準確安裝時的位置重合；但是該臨時支撐位置在船臺確定，較直接施外力作用產生位置更加準確。

2)不利于艉軸在實際水流中的定位，鑒于未設置艉管首軸承，對線過程中外部水流或者其它外部力的作用，如果僅僅依靠下壓力，艉軸在整個系統中完全依靠艉軸承支撐，形成單懸臂梁，易于受外部作用力的影響。

3)該臨時支撐位置是下水后軸系理論中心線惟一有效參照，取消或者丟失該點將失去下水后調整實際軸系與理論軸系中心線相對位置的惟一依據。

該臨時支撐有別于傳統對線過程中位于中間軸上的臨時支撐，該點位于艉軸上是軸系調整的基礎，其保證艉軸在艉管內布置形式。為此在實際安裝過程中為了達到與下水前安裝等同的效果，以offset為0(相對于實際艉軸中心)為依據并結合下壓力的作用，確定temple support 1的準確位置。其較艉管中心線底半個艉軸承間隙，按照理論計算該處間隙應為0.95 mm，為此實際下移量取0.47 mm。

在實際安裝過程中，考慮力可能產生的作用，在靠近temple support 1 上方安裝百分表以檢測下壓效果，在左右舷各安裝一個百分表檢測左右偏移。

最終操作方案，以臨時支撐調節為基礎，附帶均勻施加外力的作用下，大概27 kN時，臨時支撐下移0.46 mm，左右移動0.1 mm，反映左右均勻移動。并鎖定該點作為temple support 1，同時增加外力至30 kN，臨時支撐和軸系無移動。以該點為基礎完成后續安裝工作，最終各項頂升數據和主機安裝滿足軸系校中計算書要求和主機廠家要求，實際運轉過程中軸系及主機較好。

5 結論

原安裝過程問題主要出現在offset的設置上，軸系校中計算按照理論軸系計算而來，最終確定的各軸承和臨時支承的垂向位移值都是理論值，該值是軸線與軸系理論中心線的相對位移，并沒有考慮實際軸與軸承的間隙產生的影響。在該船的施工過程中，最初是按照理論軸系中心線設置臨時支撐offset，為此造成安裝無法滿足校中計算書要求。

軸系安裝過程中軸的中心線與理論軸系中心線是有區別的，部分設計單位在軸系安裝過程中，為了將軸的中心線與軸系理論中心線重合，艉軸前后軸承設計成下面厚上面薄，故意抬高軸，抬高量為1/2軸承間隙。軸布置成與軸系校中計算書中OPEN SHAFT狀態艉軸的布置情況一致。但是大多數廠家是沒有選擇將軸承故意抬起1/2軸承間隙，為此在實際施工過程中，實際軸系中心線較理論中心線下移了1/2軸承間隙，并以該高度為基礎設置臨時支撐位置。該狀況布置情況與軸系校中計算書一致。

對于無首軸承的軸系安裝，有別于設置首軸承，臨時支撐位于中間軸上的情況，定位于艉軸上的temple support 1用于支撐艉軸前段的作用，該點的確定是整個軸系安裝的基礎，其實是下水后整個軸系與理論軸系相對位置的惟一參考。

因此該點應該在下水前準確定位，考慮軸承間隙對整個軸線的影響定位該臨時支撐點，其作為艉軸的支撐作用和定位作用，其準確確定對后續考察軸系的實際位置與理論位置差別和對線提供了有效參照。

任何情況下艉軸前后軸承或艉軸后軸承與臨時支承的高度一定要滿足軸系校中計算書的要求(通常高度相同)，只有這樣艉軸前法蘭才是真正的排軸基準，然后通過法蘭間的GAP和SAG值正確確定主機和中間軸承(中間軸承也作為一個臨時支承時)的位置，如果中間軸承不作為臨時支承時應該最后用頂舉負荷法確定中間軸承位置。最終以實際頂升結果和校中計算書作為最終驗收標準。

[1] 趙勝利.20.5萬噸散貨輪軸系校中調整工藝分析[J].船海工程,2012，41(3):78-81.

[2] 孫樹德.船舶軸系校中狀態及軸心軌跡的研究[D].大連: 大連海事大學,2010.

[3] 邱曉峰，劉麗飛，甘振海，等.某化學品船軸系校中分析[J].船海工程,2011，40(1):81-83.

[4] GEUMJAE Koo.Calculation of shaft alignment[R].Korea:STX Heavy Industries Co.,Ltd.,2010

[5] 中國船級社.船上振動控制指南[S].北京：人民交通出版社，2001.