基于負荷的軸系安裝工藝參數優化

吳 楹，姚玉南，劉永杰，鄭良焱,葉衛林

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

維修理論

基于負荷的軸系安裝工藝參數優化

吳 楹，姚玉南，劉永杰，鄭良焱,葉衛林

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

為了提高軸系的安裝效率及安裝質量，文章以某型集裝箱船作為研究對象，運用ANSYS有限元法對不同負荷時的軸系形變進行仿真，記錄形變曲線，分析形變范圍，總結可接受的安裝偏差區間。研究結果得出一個確定的軸系曲線集合，當軸系實際安裝曲線屬于該集合時，軸系各點負荷滿足主機廠的安裝要求。以該曲線集合作為軸系安裝的工藝參數，可以為現場操作提供依據，省去調整軸系負荷的過程，節約時間和成本。

軸系安裝；負荷；偏移區間；安裝參數

船舶軸系安裝是船舶制造過程中的關鍵工序，船舶在下水前，軸系的調整直接影響著船舶的航行性能。船舶軸系安裝不當，輕者會延長造船周期，增加造船成本，嚴重時還會導致軸系損毀，無法按時交船。

目前，對船舶軸系安裝的研究主要集中于船舶軸系校中工藝，梁啟龍以32 500 DWT散貨船軸系安裝為例介紹了目前軸系安裝技術及檢驗要求[1]，潘峰對某型號散貨船的軸系安裝工藝進行了研究[2]，趙秀忠闡述了船舶推進軸系安裝與校中的關系[3]，鐘濤、耿厚才等歸納了影響船舶軸系校中的因素[4]，耿厚才、鄭雙燕等針對大型船舶船體變形對軸系校中的影響進行了研究[5]，紀生華總結了船舶軸系校中時的質量問題與解決方案[6]，徐東洋、劉皓分析了76 000 t散貨船的軸系安裝及校中工藝[7]，蔣平考慮了多因素對軸系校中工藝的影響[8]，周瑞平、肖能齊等列舉了船舶軸系振動與校中的關鍵技術[9]，趙勝利對20.5萬t散貨輪的軸系校中工藝進行了調整優化[10]。而在國外，Murawski L進行了船舶結構柔性與軸系變形關系的研究[11]，Schiffer W總結了動態與靜態軸系曲線的計算方法[12]，nenad vulic等人歸納了國外推進軸系建模與校中的基本程序[13]。

相關人員作出了大量關于船舶軸系校中工藝的分析及優化。軸系校中發生在軸系安裝之前，目的是得到一條最優的船舶軸系安裝曲線，作為造船廠安裝軸系時的參數來源。但在實際安裝船舶軸系時，安裝偏差無法避免。現場工人以軸系各點負荷作為安裝是否合格的評判標準，不斷測量并調整各點負荷直至滿足主機廠的要求，這一過程既費時又費力。

本文采用有限元法對滬東中華造船廠8 530 TEU集裝箱船軸系進行仿真，計算出當軸系各軸承處負荷處于上下臨界點時軸系的曲線狀態，繪制曲線圖，得到1個可行的安裝曲線集合。當實際安裝曲線屬于該集合時，軸系各點負荷滿足主機廠的要求。以此曲線集合作為軸系安裝工藝的優化參數，可以免去船舶軸系安裝中調整負荷這一步驟，從而提高軸系安裝效率及質量。

1 軸系安裝工藝概述及分析

1.1 軸系安裝工藝概述

軸系安裝工藝流程如圖1所示。

圖1 軸系安裝工藝流程圖

在軸系安裝過程中，必須依照順序，按每一項操作要求逐步把軸系連接起來，由于安裝偏差的存在，很難保證第一次安裝成型的軸系曲線各點負荷滿足主機廠的要求，需要花費較多的時間測量并調整負荷。因此，如何有效提升該工藝的安裝效率，縮短其生產周期，是各大中小型造船廠一個重要的研究課題。

1.2 對軸系安裝工藝安裝偏差的分析

軸系安裝工藝的17步操作按所處階段可歸納為4個部分，分別為：①安裝前的準備工作；②軸系大件吊裝及擺位；③軸系連接；④調整負荷。其中，安裝前的準備工作、軸系大件吊裝及擺位這2部分內容在進行時，軸系各部分是斷開的，采用臨時支撐將軸系擺成特定的曲線形式，隨時可以單獨調整軸系某段的偏移，可以認為安裝偏差不存在。

軸系安裝偏差主要來源于軸系連接部分。軸系連接是指上緊艉軸與中間軸，推力軸與中間軸間的連接螺栓，用中間軸軸承替換臨時支撐，讓軸系因受重力及支撐力成一定的曲線狀態，理想狀態下應成為主機廠計算得到的軸系最優曲線。

但實際上，在軸系連接操作完成后，軸系曲線狀態不可能是主機廠給出的軸系最優曲線。以8 530 TEU集裝箱船為例，在安裝該船的軸系時，現場共使用了4個中間軸臨時支撐，在撤除臨時支撐后，中間軸軸承無論數量還是位置都與臨時支撐不同，因此一定會產生安裝偏差。

1.3 現場對安裝偏差的處理

軸系曲線的安裝偏差會導致軸系各點實際負荷與理論最優負荷不同，軸系安裝工藝規定：軸承的實際負荷與校中計算書的規定數值進行比較，艉管軸承及中間軸承負荷的允許誤差應不超過計算值的±20%。調整負荷這一部分操作即是為了達到這一要求，現場工人利用液壓千斤頂測量軸系多個點處的負荷，將其與計算值的±20%進行比較，不斷調整軸系曲線使負荷達標。但軸系是一個彈性體，調整某一點的負荷將導致其他位置處的負荷也發生變化，因此這部分操作需要消耗大量的時間。如果能在現場安裝時，給工人一個可靠的安裝參數，則可以有效提高安裝效率。

2 軸系安裝工藝參數優化模型

2.1 優化目標

為了提高軸系安裝工藝的安裝效率及安裝質量，以上海滬東中華造船廠8 530 TEU集裝箱船作為分析對象，采用有限元法建立仿真模型，計算不同負荷時該軸系的曲線狀態，記錄并分析，最終得到一個可靠的軸系曲線集合，所有曲線在該集合內的軸系各點負荷滿足安裝要求。該曲線集合能夠作為現場工人安裝軸系時的工藝參數，從而消除或簡化最后調整負荷的過程，提高軸系安裝質量及效率。

2.2 優化判據

本文選用軸系各點負荷作為優化判據，選用理由如下。

1)本文優化目標是得到一個可靠的軸系曲線集合，軸系各點負荷與曲線狀態緊密相關。

2)現場在安裝軸系時，各點負荷是唯一能夠直接測得的數據，其他如振動、噪聲、溫度等因素必須使軸系運轉后才能得到。

3)主機廠給出了軸系最優曲線狀態及最優各點負荷，以負荷作為優化判據可以更好的建立仿真模型。

2.3 推進軸系參數

如圖2所示，8 530 TEU新歐洲號集裝箱船推進軸系全長49 060 mm，由1根艉軸、3根中間軸組成，受5個軸承支撐，分別為1個艉軸后軸承、1個艉軸前軸承、3個中間軸軸承。其中，艉軸外徑為975 mm，艉軸長15 609 mm。中間軸外徑為795 mm，3段中間軸長度分別為12 880 mm、11 000 mm、11 000 mm。

1-螺旋槳；2-艉軸后軸承；3-艉軸；4-艉軸前軸承；5、7、9-中間軸；6、8、10-中間軸軸承。圖2 8 530 TEU集裝箱船推進軸系圖

除了上述軸系參數外，模型建立所需其他軸系參數見表1,軸系材料為34CrMol。

表1 軸系主要參數表

2.4 基于有限元的仿真模型構建

為了探究8 530 TEU集裝箱船軸系曲線狀態與軸系各點負荷的關系，從而得到一個可靠的安裝曲線集合，采用有限元法進行結構靜力學分析。按軸系仿真模型建立的基本原則，具體簡化方法如下。

1)將整根軸看作由同一材料構成的均勻彈性體，允許軸各點在徑向發生偏移，但水平方向偏移不存在。

2)艉軸端是軸系安裝工藝的基準，艉軸管限制了艉軸端的徑向偏移，認為艉軸端處于軸系最優曲線狀態。

3)主機端由于主機自重較大，不方便進行調整，把主機端看作約束。

4)軸系最優曲線及各點最優負荷選用主機廠的計算結果。

按照以上4條簡化原則，在有限元中建立8 530 TEU集裝箱船軸系的仿真模型，并將軸系各軸承處理論負荷及軸系艉軸部分理論偏移施加在該模型上，如圖3所示。

圖3 8 530 TEU集裝箱船軸系模型圖

圖3中A表示螺旋槳給軸系的壓力，B～F表示軸承對軸系施加的支撐力，J為主機施加于軸的約束，其大小等于該處軸承所受的負荷，理想狀況下軸系受力如表2所示。

表2 軸系理想情況受力表 N

G～I表示艉軸處的徑向偏移，由于艉軸端是安裝基準，艉軸管最早固定于船體上，該段的徑向偏移固定不變。為了方便計算與輸入數據，以主機端作為基準點，假設該點的徑向偏移為0。低于該點的徑向偏移為負，高于該點的徑向偏移為正，如表3所示。

表3 艉軸端徑向偏移情況表 mm

3 計算分析

本文旨在得到一個可靠的軸系安裝曲線集合，軸系的曲線狀態由其受力決定，現場通過調整中間軸承的徑向高度來調整軸系的曲線狀態及負荷，最終達到的要求是艉管軸承及中間軸承負荷的允許誤差不超過計算值的±20%，艉管軸承及中間軸承負荷大小等同于艉管軸承及中間軸承對軸系施加的力。

在ANSYS中采用結構靜力學分析，輸入已知的軸系受力，輸出軸系的形變狀態，即得到該受力情況下軸系的曲線狀態。軸系受力如表4所示。

表4 軸系受力情況表 N

軸系受重力、螺旋槳壓力及5個軸承的支撐力的作用，除了艉軸端的軸系曲線因艉管約束而固定不變外，軸系其他部分的曲線狀態由這7個力共同決定。

其中，軸系重力及螺旋槳壓力不會發生變化。而5個軸承處軸系所受的支撐力大小等同于該處軸承所受負荷，軸系安裝工藝規定艉管軸承及中間軸承負荷的允許誤差不超過計算值的±20%，因此每個軸承的負荷存在最大值與最小值，軸承對軸系的支撐力也存在最大值與最小值。

將每個軸承處軸系所受支撐力的臨界值代入計算，即可得到各種極端情況下軸系的曲線狀態，這些極端情況的負荷都滿足主機廠的要求，它們的交集即為可靠的軸系安裝曲線集合，一共有32種極端組合,為了使圖像更加清晰，易于觀察，只保留了6條帶有邊界特征的部分曲線，如圖4所示。

圖4 軸系極端曲線匯總圖

在得到有效的軸系安裝曲線集合后，要給出安裝工藝的優化參數，必須考慮到現場通過調整各中間軸承的徑向高度來調整軸系的曲線狀態及各點負荷。因此，可以將3個中間軸承的可用徑向偏移作為優化參數。當現場將3個中間軸承的偏移調整到某一區間時，軸系的各點負荷滿足主機廠的要求。從圖4中可以讀出：3#中間軸承的可用徑向偏移區間為[19.5 mm,23.6 mm]；2#中間軸承的可用徑向偏移區間為[69.4 mm,84.8 mm]；1#中間軸承的可用徑向偏移區間為[29.5 mm,36.2 mm]。

4 結束語

經過以上的計算和分析，可以對軸系安裝工藝的參數優化做出如下結論。

1)軸系安裝時軸系曲線最大的徑向偏移出現在中間軸承處，軸承的負荷分布應該是從中間往兩側依次降低，因此在調整軸系負荷時，應盡量把較大的負荷放在軸系中央，可以降低軸系損毀的風險。

2)經過計算得到了3個中間軸承的可用徑向偏移區間，分別為[19.5 mm,23.6 mm]、[69.4 mm,84.8 mm]、[29.5 mm,36.2 mm]。現場在進行第一次軸系連接后，如果經測量，軸承處的負荷不滿足主機廠的要求，工人可以以這3個區間作為安裝參數，直接把中間軸承調整至該范圍內，使軸承負荷滿足安裝要求，從而提高軸系安裝效率及安裝質量。

[1] 梁啟龍.32 500 DWT散貨船軸系安裝技術與檢驗要求[J].廣東造船，2011(4)：75-77.

[2] 潘峰.某散貨船軸系安裝工藝研究[J].船海工程，2014(3)：63-67.

[3] 趙秀忠.船舶推進軸系安裝與校中的分析研究[D].濟南：山東大學，2013.

[4] 鐘濤,耿厚才,饒柱石,等.船舶軸系合理校中及其影響因素分析[J].噪聲與振動控制，2010(2):77-79，174.

[5] 耿厚才,鄭雙燕,陳建平.大型船舶船體變形對軸系校中的影響分析[J].船舶工程，2010，32(5): 7-9.

[6] 紀生華.船舶軸系校中質量問題分析與解決對策[J].機電技術，2010(3):118-120.

[7] 徐東洋，劉皓.76 000 t散貨船軸系安裝及校中[J].船舶，2015(1)：64-70.

[8] 蔣平.多因素綜合效應下大型船舶軸系校中研究[D].武漢:武漢理工大學，2012.

[9] 周瑞平,肖能齊,林晞晨.船舶推進軸系振動與校中關鍵技術[J].船海工程，2016(1)：78-85.

[10] 趙勝利.20.5萬t散貨輪軸系校中調整工藝分析[J].船海工程，2012(3)：78-81.

[11] Murawski L. Shaft line alignment analysis taking ship construction flexibility and deformations into consideration[J]. Marine Structures, 2005, 18(1):62-84.

[12] Schiffer W. Advanced methods for static and dynamic shafting calculations[J]. Brodogradnja, 2007, 58(2):115-122.

[13] nenad.vulic@fesb.hr, ante.sestan@fsb.hr, Bb R B. Modelling of Propulsion Shaft Line and Basic Procedure of Shafting Alignment Calculation[J]. Brodogradnja, 2008, 59(3):223-227.

In order to improve the installation efficiency and quality of the axis,a certain type of container ship is taken as the research object with the method of ANSYS finite element to simulate the shaft deformation of different load,record the deformation curve,analyze the deformation range and work out an acceptable range of deviation on installation.The results show a final fixed axis curve set，and when the actual shafting installation curve belongs to the collection,each load point of that shafting satisfies the same installation requirements.Therefore,the site operation is justifiable when setting the curve range as shafting installation process parameters,which also shortens the process of adjusting shaft load and saves time and cost.

shafting installation;load;offset range;installation parameter

國家科學自然基金(51139005)

吳楹(1992-)，男，江蘇無錫人，在讀碩士研究生，研究方向為船舶動力裝置。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.03.014

2017-01-11