9000T水泥運輸船軸系設計與軸承布置研究

摘 要：文章介紹了9000T水泥運輸船軸系設計與軸承布置分析研究，通過DNV校中軟件對幾種軸承方案進行比較，優化軸承設計與布置。

關鍵詞：軸系；軸系校中；軸承布置

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.032

1 前言

本項目通過DNV軸系校中軟件，計算并比較項目方案，合理布置軸承，優化軸系布置，同時通過項目分析，研究船舶推進軸系的主要設計關鍵點。

2 主要參數

9000T水泥運輸船采用單臺2560kW柴油機，通過可逆轉的齒輪箱減速后，驅動固定槳，螺旋槳轉速113RPM。軸系由艉軸（長度5725mm），中間軸（長度2400mm），齒輪箱輸出軸（長度2204mm）組成，固定槳軸系總長約10.3m。

3 軸系強度設計

根據船級社規范要求，按照設計提供的船體機艙布置圖，進行艉軸和中間軸的最小直徑計算，相關數據如下：

通過計算艉軸后軸承處最小直徑為328.5mm，實際軸徑取340mm；艉軸后軸承處最小直徑為309.7mm，實際軸徑取320mm；中間軸最小直徑為269.2mm，實際取280mm。

4 軸承跨距設計

軸承主要承受軸系本身的重力、齒輪嚙合力和螺旋槳水動力等作用，由于結構的原因，本船艉管前后軸承的跨距比較小，根據船舶設計實用手冊的推薦公式計算軸承之間的跨距值：

其中：——軸承間的軸徑，； = 450，油潤滑合金軸承； = 280～350，水潤滑高分子軸承。計算出艉管軸承之間的最大跨距為6358mm，如有中間軸軸承，中間軸承與齒輪箱軸承之間的最大跨距為7259mm。

根據船體機艙結構布置圖，確定以下三種可行方案。

方案一：設計院方案，常規方案，艉軸上設置艉管后軸承與艉管前軸承，最大跨距2713mm，中間軸上設置中間軸軸承，最大跨距2663mm，滿足軸承最大跨距要求；

方案二：我司方案，取消中間軸軸承。艉軸上設置艉管后軸承與艉管前軸承，最大跨距2713mm，艉管前軸承距離齒輪箱后軸承4713mm，滿足軸承最大跨距要求；

方案三：取消艉管前軸承方案，艉軸上設置艉管后軸承，最大跨距4763mm，中間軸上設置中間軸軸承，最大跨距2663mm，滿足軸承最大跨距要求。

5 軸系校中計算

（1）軸系校中計算。根據軸系布置圖在DNV軸系校中軟件進行模型建立與分析，根據規范要求，在靜態下，所有軸承受到的負荷應為正負荷，即不應出現軸承脫空現象，同時在靜熱態時候，齒輪箱后軸承與齒輪箱前軸承的軸承負荷反力差不大于兩軸承之間軸端及大齒輪重量的20%，如上述滿足，可不需要進行動態計算，軸承負荷與回旋振動頻率計算結果如表1。

（2）方案分析。首先考核三種方案的回旋振動頻率，螺旋槳轉速113RPM，三種方案葉次頻都不在0.85 ～1倍螺旋槳額定轉速范圍內，滿足船規要求，因此不存在回旋振動的風險。

方案一是設計院提供的方案，也是比較普通設計的方案，在靜熱態時軸系強度滿足要求，軸承之間的跨距滿足要求，軸承負荷均滿足要求，但是在靜冷態時候，齒輪箱后軸承負荷非常小，存在可能脫空的風險。

方案二：我司方案，取消中間軸軸承。在靜熱態時軸系強度滿足要求，各軸承之間的跨距滿足要求，軸承負荷均滿足要求，在靜冷態時候各軸承之間的跨距比較合適，軸承負荷比較均勻，滿足設計要求。

方案三：取消艉管前軸承，在靜熱態時軸系強度滿足要求，各軸承之間的跨距滿足要求，軸承負荷均滿足要求，但是在靜冷態時候，齒輪箱后軸承負荷非常小，存在可能脫空的風險，同時在取消艉管前軸承后，軸系安裝時需要增加臨時支撐，同時缺少前軸承，軸系變形將會對前密封的使用壽命產生影響。

綜上分析，我司與設計院充分技術溝通與討論后，第二種方案最為合適，因此選擇了第二種方案。

6 軸系安裝和試航

軸系安裝完畢后，需要在船舶漂浮狀態，通過千斤頂對艉管前軸承的實際負荷進行頂升，根據頂升的壓力數據繪制頂舉曲線，根據千斤頂的活塞面積計算出軸承的實際負荷。通過頂升，本項目前軸承的實際負荷為0.13Mpa，滿足船規要求。船舶在試航過程中，艉管前軸承溫度穩定35℃；齒輪箱軸承溫度穩定在50℃，軸承溫度均沒有超過報警值，軸系平穩運行，未產生振動現象。

7 總結

一般船舶推進軸系是按照船級社規范要求進行強度計算，選擇合適的軸頸，然后根據機艙布置圖進行軸系跨距的設計，基本可以作為初步的軸系方案圖。如需要最佳的軸系布置圖，需要在軸系前期設計進行軸系回旋振動與軸系校中設計。本文的三種設計方案都滿足經驗公式要求，但是通過DNV軟件計算，第一種方案和第三種方案并不是最優的。

船舶推進軸系的主要設計關鍵點為：在軸系強度滿足規范要求的前提下選擇并盡可能優化的軸承跨距。如軸承跨距太小，可以減少一個軸承，在詳細設計時需要進行軸系校中計算和回旋振動計算，如回旋振動無法滿足要求，同時機艙結構限制也不易改變軸承的跨距，對于固定槳來說，一般方法是通過改變螺旋槳的槳葉數目來改變葉次頻共振轉速。

參考文獻：

[1]鋼制海船入級規范（2006）[S].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.

作者簡介：吉青山（1984-），男，江蘇淮安人，碩士研究生，工程師，研究方向：機械、船舶。