全回轉(zhuǎn)對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)裝置軸系設(shè)計(jì)與布置

陳 勇

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350007）

汽車渡船用來(lái)載運(yùn)汽車渡過(guò)江河、湖泊、海峽。傳統(tǒng)的汽渡船型因采用常規(guī)螺旋槳推進(jìn)方式，造成航行阻力大、推進(jìn)效率低、機(jī)動(dòng)性能差。全回轉(zhuǎn)對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)裝置既具有全回轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置所特有的優(yōu)良機(jī)動(dòng)性，又具有對(duì)轉(zhuǎn)槳裝置所特有的高效率推進(jìn)、減少振動(dòng)、降低噪音及空泡性能好的特點(diǎn)，滿足了汽車渡輪對(duì)機(jī)動(dòng)性及快速性的要求［1］。

1 概述

某汽車輪渡用于專線陸島客車渡輪。全船為鋼質(zhì)、首尾對(duì)稱、雙柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)的陸島車客渡輪，首尾斜坡板連接碼頭可使車輛上下通過(guò)；滿足船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》、《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》等規(guī)范要求。某汽車輪渡主要技術(shù)參數(shù)為：總長(zhǎng)44m；設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)37.70m；型寬12.8m；型深4.00m；吃水深度2.50m；設(shè)計(jì)航速11節(jié)；載重?cái)?shù)量：小轎車20輛；載客量：98人。

本船設(shè)主機(jī)2臺(tái)，選用康明斯公司生產(chǎn)的K7A19-M600型船用柴油機(jī)，每臺(tái)主機(jī)持續(xù)功率為441 kW，轉(zhuǎn)速為1 800r/min，燃油耗率小于210g/kW·h；2套對(duì)轉(zhuǎn)槳全回轉(zhuǎn)舵槳CFCR-W-LD600及2臺(tái)200kW柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組。

機(jī)艙設(shè)在前27#～后27#肋骨間船的中部。兩主機(jī)組布置在機(jī)艙左、右舷。每臺(tái)主機(jī)經(jīng)過(guò)聯(lián)軸器、離合器，由軸系帶動(dòng)舵槳裝置工作。遙控操縱臺(tái)位于駕駛室，可操縱主機(jī)調(diào)速，離合，舵槳回轉(zhuǎn)等。

2 全回轉(zhuǎn)對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)舵槳裝置特點(diǎn)及性能

全回轉(zhuǎn)對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)裝置是一種新型角傳動(dòng)z型推進(jìn)裝置，該裝置與普通的舵槳裝置相比加裝一個(gè)反轉(zhuǎn)的槳。普通的舵槳裝置有一個(gè)錐齒輪傳遞的功率，而全回轉(zhuǎn)對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)裝置加裝一個(gè)錐齒輪，這樣可實(shí)現(xiàn)傳遞功率為原單槳齒輪的一半，同時(shí)主機(jī)動(dòng)力通過(guò)聯(lián)軸器、離合器、萬(wàn)向節(jié)經(jīng)水平輸入一對(duì)直角齒輪帶動(dòng)一垂直軸齒輪，經(jīng)二級(jí)傳動(dòng)，再帶動(dòng)一對(duì)正反轉(zhuǎn)齒輪等部件傳遞給螺旋槳，該螺旋槳可以繞垂直軸做360°全回轉(zhuǎn)，提供全方位的推力，可以省舵且船尾形狀簡(jiǎn)單，阻力小，從而極大提高了船舶的機(jī)動(dòng)性［2］。因此具有以下優(yōu)良的性能：

2.1 對(duì)轉(zhuǎn)舵槳雙向出軸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，工藝性好。全回轉(zhuǎn)舵槳裝置能做360°全回轉(zhuǎn)，提供全方位的推力，具有較好船舶機(jī)動(dòng)性，但由于經(jīng)過(guò)多級(jí)齒輪傳動(dòng)，降低了傳遞效率；而對(duì)轉(zhuǎn)舵槳是在同心的內(nèi)外兩軸上安裝兩個(gè)普通螺旋，以相反等速方向旋轉(zhuǎn)。因可減小尾流旋轉(zhuǎn)損失，推進(jìn)效率高，比單槳高約8%～10%，最佳直徑小，約比單槳小10%～15%。

2.2 可原地回轉(zhuǎn)，機(jī)動(dòng)可靠安全。傳統(tǒng)推進(jìn)裝置倒車靠機(jī)械自身完成，倒車速度一般只有正車的50%～60%。全回轉(zhuǎn)對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)舵槳裝置依靠螺旋槳在水平內(nèi)180°旋轉(zhuǎn)開(kāi)正車來(lái)完成倒車，其速度可達(dá)到正車的85%～90%，這樣可減少由于倒車不及時(shí)造成的船舶碰撞、沉船等事故。尤其是汽車渡輪可做到橫移、原地回轉(zhuǎn)、順?biāo)看a頭等多種機(jī)動(dòng)操作。

2.3 減少振動(dòng)、降低噪音。使用對(duì)轉(zhuǎn)槳減少了螺旋槳負(fù)荷，可使推進(jìn)器盤(pán)面處的伴流均勻，避免產(chǎn)生空泡。從而降低振動(dòng)和噪音。

2.4 極好的操縱性能。操縱性是船舶航行的重要性能之一，船舶操縱性能的好壞對(duì)航運(yùn)安全有非常大的影響。由于全回轉(zhuǎn)對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)舵槳裝置在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，具有全方位的推力和操船力，能實(shí)現(xiàn)橫移、倒車、驟停和原地回轉(zhuǎn)功能。

由此可見(jiàn)，全回轉(zhuǎn)對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)裝置，是一種新穎、高效率、環(huán)保型推進(jìn)裝置，具有節(jié)約能源，提高航速和推進(jìn)效率，符合生態(tài)、環(huán)保要求，能廣泛適用于各種汽車渡船、游船、工作船、貨船、集裝箱船、港作船、拖輪等。

3 軸系設(shè)計(jì)與布置

3.1 軸系布置

由于全回轉(zhuǎn)對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)裝置所具有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和優(yōu)良的性能，本船選用CFCR-W-LD600舵槳裝置，該裝置上配帶有液壓離合器和彈性聯(lián)軸器，螺旋槳可繞垂直軸做360°回轉(zhuǎn)發(fā)出全方位的推力，操作船舶橫向移動(dòng)、原地回轉(zhuǎn)、快速進(jìn)退、緊急停止以及微速航行。駕控臺(tái)上布置有機(jī)槳合一的遙控操縱裝置，可以控制對(duì)主機(jī)的調(diào)速、回轉(zhuǎn)及離合器的接脫排［3-4］。

按照船體的線型及結(jié)構(gòu)，以及舵槳在全方位轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不超過(guò)船體的船寬為準(zhǔn)則，本船舵槳中心距基線4 600mm距船體中心線2 850mm，23#+250；離合器輸出法蘭布置在0#，距基線1 690mm，距船體中心線3 200mm，軸系中心線位于舵槳中心與離合器輸出法蘭中心的連線所構(gòu)成的豎直平面內(nèi)，另一軸線位于另一舷，與之呈中心對(duì)角對(duì)稱布置。為了保證所連接的兩軸能連續(xù)回轉(zhuǎn)，可靠地傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)和扭矩，使用萬(wàn)向聯(lián)軸器連接軸線相交的兩軸。這樣舵槳與主機(jī)離合器之間通過(guò)萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸系傳遞功率［5］。

本船的軸線傾斜角為7°，避免傾斜角太大，影響使用壽命。軸系的詳細(xì)布置見(jiàn)圖1。

每根中間軸系長(zhǎng)約10m，包含3根中間軸及6只中間軸承，艏艉部有萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)和隔倉(cāng)填料。中間軸間的法蘭用尼龍柱銷聯(lián)接，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。

圖1 軸系布置圖

1.船用主機(jī)；2.彈性聯(lián)軸器；3.液壓離合器；4.萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)；5.中間軸1；6.中間軸2；7.中間軸3；8.軸承座；9.軸承；10.Z型推進(jìn)裝置

3.2 軸系計(jì)算

本船軸系設(shè)計(jì)計(jì)算按“國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范”要求。主機(jī)額定功率441kW，軸的額定轉(zhuǎn)速1 800r/min，軸材料抗拉強(qiáng)度520N/mm2，屈服強(qiáng)度≥260N/mm2，液壓離合器額定傳遞扭矩3 200Nm。

3.2.1 中間軸直徑d計(jì)算

本船推進(jìn)裝置僅有中間軸，故僅對(duì)該軸進(jìn)行計(jì)算

取d=90mm

式中：d——中間軸直徑，mm；

F——柴油機(jī)推進(jìn)裝置，取100；

C——有鍵聯(lián)軸節(jié)，取1.1；

Ne——主機(jī)額定功率，441kW；

ne——軸的額定轉(zhuǎn)速，1 800r/min；

Rm——軸材料抗拉強(qiáng)度，520N/mm2。

3.2.2 中間軸聯(lián)軸節(jié)緊配螺栓直徑計(jì)算

取 df=17mm（M16）

式中：df—螺栓直徑，mm

Z—螺栓數(shù)量，8

D—螺栓節(jié)圓直徑，196mm

Rmb—螺栓材料抗拉強(qiáng)度，560N/mm2

3.2.3 中間軸法蘭厚度計(jì)算

B=0.2d=64.5×0.2=12.9

d—中間軸計(jì)算直徑：64.5mm

取B≥25mm。

3.2.4 中間軸法蘭根部過(guò)度圓角及倒角半徑計(jì)算

R=0.08d=90×0.08=7.2mm

d—中間軸實(shí)取直徑：90mm

取R≥15mm

3.2.5 萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)的強(qiáng)度校核：

本船選用上海納鐵福生產(chǎn)的200.35型，單鍵萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)的傳遞扭矩為17kNm。

本船軸系傳遞的額定扭矩為

式中：Ne—傳遞的額定功率kW

ne—額定功率時(shí)轉(zhuǎn)速r/min

按CCS規(guī)范，安全系數(shù)取2.8，故軸系的安裝扭矩M為：

M≥Me×2.8=2339.8×2.8=6.55kNm

6.55kNm＜17kNm，安全。

4 結(jié)語(yǔ)

常規(guī)汽渡在較大風(fēng)浪條件下，靠離碼頭也十分困難。而采用全回轉(zhuǎn)對(duì)轉(zhuǎn)槳全回轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置以及合理軸系設(shè)計(jì)與布置，可使輪渡在較小的半徑內(nèi)原地回轉(zhuǎn)，也可以方便地前進(jìn)、后退、左右平移和回轉(zhuǎn)等，從而安全可靠地靠離碼頭、進(jìn)出港口，有效地提高推進(jìn)效率及航速，達(dá)到船舶安全快速、操縱靈活的要求，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］沈武錚.對(duì)轉(zhuǎn)槳全回轉(zhuǎn)Z型推進(jìn)裝置及其在汽車渡輪上的應(yīng)用［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，1997（S）：6-9.

［2］周勇.全回轉(zhuǎn)Z型對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)裝置軸系設(shè)計(jì)［J］.江蘇船舶，2005（3）：19-25.

［3］黃國(guó)強(qiáng).船舶推進(jìn)［M］.北京：國(guó)防出版社，1985.

［4］陳勇.某汽車渡船動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)選型［J］.機(jī)電技術(shù)，2011（6）：9-14.

［5］鄭立新.2×1470KW全回轉(zhuǎn)平臺(tái)工程船簡(jiǎn)介［J］.船舶，2003（5）：15-20.