1000噸漁政船推進長軸系軸承布置分析

摘 要：本文介紹了1000噸漁政船18米推進軸系設(shè)計和軸承的布置情況，通過合理校中方法對幾種軸承方案進行比較，優(yōu)化軸承設(shè)計和布置，探討了船舶推進長軸系設(shè)計的流程和要點。

關(guān)鍵詞：可調(diào)槳；齒輪箱；長軸系；合理校中；回旋振動

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.246

1 引言

公務(wù)執(zhí)法船主機一般布置船舶中部或艏部，大型公務(wù)執(zhí)法船推進軸系較長，配置的軸承數(shù)目較多，需要通過合理校中計算進行方案比較，優(yōu)化軸承數(shù)量和布置。本文通過實際項目的分析探討了船舶推進長軸系的主要設(shè)計要點。

2 主要參數(shù)

1000噸漁政船布置形式采用兩臺中速柴油機并車，通過雙機單出齒輪箱驅(qū)動可調(diào)槳。軸系由艉軸、中間軸一和中間軸二組成，軸系全長約18米。軸系布置圖見圖1。

主要參數(shù)：主機功率：2x2720kW；螺旋槳轉(zhuǎn)速初定為203rpm；

3 推進軸系和軸承布置方案論證分析

3.1 推進軸系初步設(shè)計

按照本船總體性能和機艙布置要求，螺旋槳中心和柴油機位置已經(jīng)確定，因此軸系長度基本上確定在18米左右。按照船規(guī)要求計算艉軸和中間軸的最小直徑。初步計算出最小軸徑[1]。

其中，柴油機驅(qū)動F=100，Ne為柴油機額定功率（kW），特性系數(shù)C=1.22（艉軸），C=1（中間軸），ne=額定轉(zhuǎn)速（rpm），Rm=軸的抗拉強度（MPa）。通過計算螺旋槳最小計算直徑為329mm，實際軸徑取345mm；中間軸最小計算直徑為270mm，實際取280mm。

3.2 軸承的初步布置

軸承主要承受軸系的重力、水流對可調(diào)槳的徑向力和運轉(zhuǎn)過程中的不平衡徑向離心力等。由于結(jié)構(gòu)的原因，本船的艉管很短，前后艉管軸承的跨距比較小。中間軸承一、中間軸承二和艉管前軸承之間的跨距值根據(jù)船舶設(shè)計實用手冊的推薦公式[2]：

式中，l/d為軸承跨距與軸徑的比例，d為軸徑（cm）。

計算出中間軸軸承之間的跨距比為：8.3

方案一：由于船體結(jié)構(gòu)限制，艉管前后軸承的跨距比（l/d）僅為7.8，跨距比偏小，初步考慮取消艉管前軸承，兩根中間軸上設(shè)置兩個中間軸承，中間軸承一與艉管前端面跨距2100mm，中間軸承一和中間軸承二之間的l/d=22.5。

方案二：保留艉管前軸承，兩根中間軸上設(shè)置兩個中間軸承，中間軸承一與艉管前軸承跨距比l/d=15，中間軸承一和中間軸承二之間的l/d=19。

方案三：保留艉管前軸承，兩根中間軸只布置一個中間軸承，大概布置在兩根中間軸中間，跨距比l/d=26。

3.3 合理校中設(shè)計和回旋振動計算

（1）合理校中模型建立和計算。可調(diào)槳比定距槳多出了槳轂部分，螺旋槳部分比較重，艉管后軸承作用點偏向后方1/7處。通過三彎矩理論建立的軸系的校中模型，計算出冷態(tài)情況下的軸承負荷和回旋振動頻率，見表1。

（2）方案分析。首先考核三種方案的回旋振動頻率，第三種方案和第二種方案四葉可調(diào)槳葉頻不滿足船規(guī)要求的不在0.85倍螺旋槳額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，存在振動的風(fēng)險。

方案一取消了前軸承，各軸承之間的跨距比比較合理，軸承負荷均滿足設(shè)計要求，回旋振動也滿足要求。但是取消艉管前軸承后，艉軸在安裝時缺少固定的前支點，艉軸軸線無法定位。需增加相應(yīng)的工裝進行調(diào)整，不僅增加安裝難度，而且缺少前軸承對前密封安裝和密封性能有一定影響。此外，兩個中間軸承的負荷偏大，實際使用中易出現(xiàn)軸承發(fā)熱的現(xiàn)象。

方案二保留了前軸承，由于跨距比較小，艉管前軸承負荷比較小，存在軸承脫空的風(fēng)險。通過合理校中的方法，將中間軸承一高度降低，增加了艉管前軸承的負荷。該方案雖然比方案一多了艉管前軸承，但是艉軸穿入艉管后，前后兩個軸承可以保證定位整個軸線，降低了安裝難度。但是回旋振動無法滿足要求，通過改變軸承跨距或軸徑也沒有得到根本改善，因此只有改變螺旋槳的葉數(shù)，采用五葉可調(diào)槳。

方案三不僅回旋振動不滿足要求，而且軸承負荷過大，該方案明顯不合理。

綜合考慮，最終選擇了第二種方案。

3.4 實船軸系安裝和試驗

軸系安裝完成后，通過頂升方法對艉管前軸承、中間軸承一和中間軸承二的實際負荷進行了測量，繪制頂舉曲線計算出各軸承的實際負荷。前軸承的實際負荷為0.15Mpa，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定45℃；中間軸承一負荷為0.36Mpa，運轉(zhuǎn)溫度為52℃；中間軸承二負荷為0.42MPa，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定為55℃。各軸承負荷和運行溫度滿足船規(guī)要求。

3.5 總結(jié)

通常船舶普通軸系設(shè)計一般按照船規(guī)公式計算最小軸徑，根據(jù)船體機構(gòu)布置軸系，通過經(jīng)驗公式確定軸承跨距基本上可以完成軸系設(shè)計。但是推進軸系比較長的可調(diào)槳系統(tǒng)在軸系前期方案時需考慮多種因素，需要按照下文的設(shè)計流程進行多次調(diào)整和修改，同時借助通過校中和回旋振動計算，方能確定最優(yōu)的軸承布置方案。文中三種方案都滿足經(jīng)驗公式要求，但是通過詳細計算，第一種方案和第三種方案并不是最優(yōu)的，特別是第三種方案明顯不可行。

長軸系和軸承布置的主要設(shè)計要點為：軸承初步布置時要選擇合適的跨距比，如跨距比過小，則考慮取消一個軸承。基于安裝考慮，不建議取消艉管前軸承，可通過合理校中設(shè)計增加該軸承的負荷。

初步方案確定后必須進行軸系校中和回旋振動計算。

如回旋振動轉(zhuǎn)速范圍無法滿足要求，結(jié)構(gòu)限制無法改變軸跨距，則通過改變螺旋槳的槳葉數(shù)目來改變?nèi)~次頻共振轉(zhuǎn)速，這是一種非常有效的解決方法。

參考文獻：

[1]鋼制海船入級規(guī)范（2006）.北京：人民交通出版社，2006.

[2]中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計實用手冊[K].輪機分冊，北京：國防工業(yè)出版社，1999：133.

作者簡介：陳生華（（1979-），男，碩士研究生，工程師，研究方向：船舶推進。