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，優化軸承設計和布置，探討了船舶推進長軸系設計的流程和要點。

關鍵詞：可調槳；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

公務執法船主機一般布置船舶中部或艏部，大型公務執法船推進軸系較長，配置的軸承數目較多，需要通過合理校中計算進行方案比較，優化軸承數量和布置。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計要點。

2 主要參數

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動可調槳。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：主機功率：2x2720kW；螺旋槳轉速初定為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確定，因此軸系長度基本上確定在18米左右。按照船規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，柴油機驅動F=100，Ne為柴油機額定功率（kW），特性系數C=1.22（艉軸），C=1（中間軸），ne=額定轉速（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、水流對可調槳的徑向力和運轉過程中的不平衡徑向離心力等。由于結構的原因，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船舶設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：由于船體結構限制，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 合理校中設計和回旋振動計算

（1）合理校中模型建立和計算。可調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槳葉頻不滿足船規要求的不在0.85倍螺旋槳額定轉速范圍內，存在振動的風險。

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。需增加相應的工裝進行調整，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，實際使用中易出現軸承發熱的現象。

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，采用五葉可調槳。

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，運轉穩定45℃；中間軸承一負荷為0.36Mpa，運轉溫度為52℃；中間軸承二負荷為0.42MPa，運轉穩定為55℃。各軸承負荷和運行溫度滿足船規要求。

3.5 總結

通常船舶普通軸系設計一般按照船規公式計算最小軸徑，根據船體機構布置軸系，通過經驗公式確定軸承跨距基本上可以完成軸系設計。但是推進軸系比較長的可調槳系統在軸系前期方案時需考慮多種因素，需要按照下文的設計流程進行多次調整和修改，同時借助通過校中和回旋振動計算，方能確定最優的軸承布置方案。文中三種方案都滿足經驗公式要求，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。

如回旋振動轉速范圍無法滿足要求，結構限制無法改變軸跨距，則通過改變螺旋槳的槳葉數目來改變葉次頻共振轉速，這是一種非常有效的解決方法。

參考文獻：

[1]鋼制海船入級規范（2006）.北京：人民交通出版社，2006.

[2]中國船舶工業總公司.船舶設計實用手冊[K].輪機分冊，北京：國防工業出版社，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。