38 000 DWT雜貨船軸系方案比較分析

(泰州口岸船舶有限公司,江蘇 泰州 225321)

船舶推進軸系校中是船舶建造過程中的一個重要環節，軸系校中出現問題有船體變形、軸系振動、支座剛度不夠等原因[1]，更重要的原因是軸承間距選取不當，軸系布置不合理。本文以38 000 DWT雜貨船推進軸系為研究對象，分析軸系布置方案。

1 船舶及軸系的基本參數

38 000DWT雜貨船主要參數如下。總長為179.90 m；垂線間長176.85 m；型深15.20 m；型寬30.00 m；設計吃水9.5 m；結構吃水10.60 m；結構吃水時載重量37 400 t；服務航速14.0 kn；主機型號為WARTSILA 6RT-flex48T-D低速柴油機；SMCR功率/轉速為6 120 kW/102 r·min；螺旋槳為4葉定距螺旋槳；直徑6 m；質量13 166.4 kg，主機與螺旋槳之間通過一根中間軸和一根艉軸相連接。有艉管前軸承和無艉管前軸承軸系布置方案見圖1。

2 軸系校中計算分析

2.1 建立坐標系

以螺旋槳末端為坐標原點O，取軸系的理論中心線為X軸，正向指向船艏；過原點垂直X軸向上作為Y軸正向，按照右手法則垂直X0Y平面指向右舷為Z軸；這樣由X軸和Y軸組成XOY平面為豎直平面，由X軸和Z軸組成XOZ平面為水平平面[2]。見圖2。

2.2 模型簡化

將推進軸系看作為放置在剛性鉸支上的連續梁，梁的長度由螺旋槳導流帽的最前端開始，至主機自由端前端面止。在梁上作用有均布載荷、集中載荷和外加力偶等，邊界條件為自由端[3]。

根據軸系結構將軸系各軸承支撐點處、軸上集中載荷作用點處、軸截面參數有突變處及其它指定的截面作為計算截面，并從原點處向X軸正方向順序編號，計算各截面的撓度、轉角、彎矩和剪力等狀態參數。按照主機廠瓦錫蘭WARTSILA軸系校中計算程序分別計算兩種方案中冷態、熱態、SMCR工況點下的軸承負荷、垂向位移等參數。兩種方案的計算模型見圖3。

2.3 兩種方案校中計算結果比較

1)冷態軸承負荷。冷態軸承負荷見圖4。

方案(一)有前軸承時，中間軸承只承載少量負荷32 kN，而艉管前軸承承載了42 kN的負荷，這樣會加劇前軸承的磨損，使艉軸前密封工況變得惡劣。

方案(二)無前軸承時，則不會出現這種情況，只是中間軸承負荷增大，但仍在許用負荷范圍之內。

2)冷態垂向位移。冷態垂向位移見圖5。

由圖5可見，方案(一)有前軸承時軸系彎曲變化幅度大，特別是在主機各主軸承處，位移變化呈現前端小末端大的現象。這樣主機各缸的拐檔差加大，在實際運行過程中會加劇主軸承的磨損。而方案(二)主機主軸承處的垂向位移趨向水平。

3)熱態軸承負荷。熱態軸承負荷見圖6。

由圖6可見，同冷態下的工況基本相同，方案(一)有前軸承時中間軸承負荷過小，而艉管前軸承負荷大。

4)SMCR工況點下軸承負荷。

SMCR工況點下軸承負荷見圖7。

圖3 兩種軸系模型對比表

圖4 冷態軸承負荷

圖5 冷態垂向位移

圖6 熱態軸承負荷

圖8 SMCR工況點下垂向位移

由圖7可以明顯看出在SMCR工況下，方案(一)有前軸承時中間軸承已經近乎失載。而艉管前軸承負荷高達110 kN。而方案(二)則沒有出現這種情況。

5)SMCR工況點下垂向位移。SMCR工況點下垂向位移見圖8。

由圖8可見，SMCR工況下的垂向位移跟冷態下的情況基本相同，方案(一)主機主軸承的垂向位移變化幅度大，各缸拐檔差會變大。

6)開軸垂向位移。開軸垂向位移見圖9。

圖9 開軸垂向位移

從圖9可以看出，方案(一)有前軸承時開軸垂向位移出現跳躍式變化，這樣會加大軸系安裝校中時的難度；主軸承處垂向位移不一致會增加曲軸拐檔變化。

可以看出，在冷態和熱態工況點下艉管前軸承和中間軸承的支反力較小，而且負荷分別很不均勻，如在SMCR工況點下艉管前軸承負荷高達110 kN，而中間軸承負荷只有1 kN。另外，在冷態和熱態工況點下，艉管前軸承和中間軸承只是承載較小的負荷； 同時主機各主軸承的垂向位移很不均勻，靠近艉部軸承位移大而前端軸承移位小，這樣會造成主機各軸承負荷分布不均，給實際校中增加難度。

取消艉管前軸承，艉管后軸承的靜態負荷和熱態負荷幾乎沒有增加，只中間軸承負荷約增加30 kN。但是，在SMCR工況點下中間軸承負荷增加到79 kN，明顯比有艉管前軸承時軸承負荷分布更均勻。在各種工況下的主機各軸承的垂向位移也更加趨向一致，軸承負荷也更加均勻。

3 結論

1)未取消艉管前軸承時，在冷態和熱態工況下艉管前軸承和中間軸承承載較小負荷，而且在SMCR工況點下中間軸承失載，而艉管前軸承負荷較大；這樣會加劇軸承磨損使艉軸前密封變得更加惡劣；主機各主軸承的垂向位移很不均勻，主機各軸承負荷分布不均，易造成主機軸承磨損。

2)取消艉管前軸承、調整中間軸承位置后，冷態、熱態和SMCR工況點下軸承負荷分配均勻，都在許用的范圍之內；而且主機各軸承垂向位移趨向一致，曲軸拐檔變化小。

3)對于短軸系船舶，應根據各軸承負荷承載情況，合理設計軸承的數量和位置。取消艉管前軸承后，軸承之間的間距更加合理，各軸承動態負荷更加趨向均勻。而且，取消艉管前軸承后，軸承間距比較大，軸承間距增加提升了軸系柔順性，有利于降低船體變形對軸承負荷的影響。

[1] 宮國璽.船舶推進軸系校中計算研究[D].大連:大連理工大學,2007.

[2] 中國船舶工業綜合技術經濟研究院.CB*/Z 338—2005船舶推進軸系校中[S].北京：中國標準出版社，2006.

[3] 溫玉奎.57 300 DWT散貨船軸系校中研究[D].大連:大連海事大學,2007.