小型氣墊船推進軸系設計特點淺析

陳德娟 胡云波 徐一馳

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

全墊升氣墊船是介于常規排水型船舶與飛機之間的一種新型運載工具［1］，為克服航行中的波浪阻力和興波阻力以獲得較高的航速，設置墊升風機為船體底部的圍裙充氣，從而產生氣墊將船托起，航行時船體全部脫離支撐表面，其推進裝置多采用空氣螺旋槳。根據使命任務及動力設備布置特點，小型全墊升氣墊船動力傳動系統一般包括推進系統和墊升系統兩部分，本文著重介紹推進系統中推進軸系的設計。

1 某小型全墊升氣墊船推進墊升系統

小型全墊升氣墊船所需的推進與墊升功率較小，受布置空間和重量控制等因素制約，常選用前、后輸出的小型風冷柴油機作為主動力，同時驅動墊升風機及空氣變距螺旋槳，典型的動力傳動系統布置如下頁圖1所示。其中推進系統由主機飛輪端連接的主動軸系、螺旋槳推進軸系、齒形同步帶、空氣變距螺旋槳、及液壓變距油缸組成。螺旋槳推進軸系由主動軸系通過齒形同步帶驅動，用于向空氣變距螺旋槳輸出功率，并將螺旋槳旋轉產生的推力傳遞給船體［2］，同時內部套軸還兼作螺旋槳變距的傳動部件。

2 空氣螺旋槳及其變距機構

螺旋槳選用航空空氣變距螺旋槳，由于槳葉直徑短、變距執行力小，故其變距所需轉動力矩較小，采用曲柄連桿機構即能滿足變距需求，螺旋槳變距結構如圖2所示。

其主要包括槳轂（含槳殼、推力軸承、機械變距機構等）、槳葉、配重組件、變距推桿。其中槳轂內置的機械變距機構，可在變距推桿的作用下將液壓變距油缸的往復運動轉變為槳葉的旋轉運動，調整槳葉螺距角，從而改變螺旋槳的推力大小及其方向。采用該變距機構，槳轂內無需設置變距油缸及變距油路，結構形式簡單可靠，無需潤滑油，維護保養方便。

3 推進軸系設計

考慮螺旋槳變距推桿的布置及運動特性，將推力軸設計為中空軸形式，變距推桿貫穿于推力軸的中孔。整套推進軸系包括推力軸、內部變距推桿軸、推力軸承、支撐軸承、同步帶帶輪（被動端）、變距轉換軸承等，見下頁圖3。

3.1 軸系校核

軸材料為高強度合金鋼，參照相關規范計算推力軸基本軸徑，再根據與變距推桿配合間隙要求確定推力軸的中孔直徑，并對軸的實際外徑進行計算修正。

針對推力軸法蘭厚度、法蘭根部過渡圓角半徑、同步帶輪與軸連接鍵尺寸、推桿軸與槳殼結合面緊配螺栓直徑根據規范進行校核。

3.1.2 軸系負荷計算

采用三彎矩方程計算推進軸軸承及帶輪中心的支反力和彎距，計算簡圖如圖4所示，計算結果可用作后續強度校核的計算輸入。

圖中，A、C為推力軸承及支撐軸承支點，B為同步帶中心，主要受力包括螺旋槳質量Q1、同步帶張緊力Q2以及推力軸自重產生的均布載荷。

3.1.3 危險截面強度計算

②計算論證范圍內地下水可開采量，并結合論證范圍內現狀地下水的開采情況計算剩余可開采量是否滿足項目新增用水需求。

針對推力軸上各軸承支點處、法蘭圓角、同步帶鍵槽以及所有變截面處進行應力校核，并確定各點安全系數，計算結果需滿足規范規定的許用設計應力及許用安全系數要求。

應力校核包括平均應力和交變應力計算，平均應力是由扭矩引起的平均扭轉應力以及由推力引起的壓縮應力，按照最大剪切應力理論合成平均應力；交變應力是彎距引起的彎曲應力和交變扭矩引起的交變扭轉應力，再合成交變應力，其中彎曲應力根據重力彎矩、安裝附加彎矩和偏心彎矩的復合彎矩進行確定。

安全系數是根據軸系受力后的應力水平與軸材料的強度極限進行比較而確定，計算公式［3］見式（1）：

式中： 為合成平均應力，N/mm2； 為合成交變應力，N/mm2； 為軸材料屈服強度，N/mm2；為對稱循環交變應力下的疲勞極限，N/mm2。

3.1.4 彎曲剛度校核

由于同步帶產生較大的張緊力，為掌握該點彎曲變形量，采用疊加法進行了最大靜撓度計算［4］。由同步帶張緊力Q2引起的靜撓度f1、推力軸自重引起的靜撓度f2分別為：式中：E為軸彈性模量，N/m2； I為軸截面慣性矩，m4。

為保證剛度要求，最大靜撓度需小于其中為軸承間跨距。

3.2 軸承設置

3.2.1 推力軸承

推力軸承兩側分別設置變距螺旋槳及齒形皮帶輪，故其需同時承受較大的軸向和徑向載荷，因此推力軸承選用單列角接觸球軸承。為適應螺旋槳正、負螺距而產生的兩個方向推力，采用兩個單列角接觸球軸承，背靠背安裝，使其獲得雙向負荷承載能力。

角接觸球軸承的接觸角變化范圍較大，接觸角加大，軸向承載能力增加，而徑向承載能力降低［6］；對比軸承負荷及螺旋槳推力，確定合適的接觸角，考慮徑向載荷由兩列軸承分擔，通過加大接觸角滿足較大的軸向承載要求。

3.2.2 支撐軸承

支撐軸承主要承受徑向負荷作用，選用雙列調心滾子軸承，這類軸承徑向承載能力較大、軸向承載能力較小；同時調心滾子軸承具有自動調心功能［6］，可在一定范圍內自動調整軸系角度偏差，彌補船體彈性變形、軸的撓曲及軸和軸承座之間定位誤差導致軸系對中不良的缺陷。

3.2.3 變距轉換軸承設計

由于變距推桿既隨槳轂進行旋轉，同時需跟隨變距油缸進行往復直線運動，故變距轉換軸承作為變距推桿的支撐結構，需同時承受徑向和軸向負荷，變距轉換軸承設置雙列角接觸球軸承，剛性較好，且可承受較大的傾覆力矩。

變距轉換軸承通過銷軸連接跟隨變距油缸進行往復直線運動，從而帶動變距推桿驅動螺旋槳變距；為適應變距油缸軸向位置變化，軸承座底部設有導向螺釘，可在結構支架的導向滑槽內移動，見圖5。

3.3 齒形同步帶選型

齒形同步帶以其結構簡單、傳動間距以及速比選擇靈活、運轉平穩、傳動效率高、緩沖吸振能力強、維護成本低等特點，在國內小型氣墊船上獲得廣泛應用。

根據傳遞功率、主動軸及被動軸轉速、帶輪中心距等要求，確定齒形帶節距、帶寬、主/被動齒齒數及直徑，選擇適用的主、被動輪及同步帶型號，計算運轉線速度需小于最大速度限制要求，通過受力分析計算同步帶張力作為軸系靜撓度計算的輸入。

3.4 回旋振動計算

推進軸系轉速快、布置位置高、支撐基礎弱，振動問題較為突出，并且由于鋁質船體以及圍裙氣墊的影響，其軸承的支承剛度無法準確確定。

參照其他氣墊船設計經驗，在1×105～3×106N/mm范圍內針對不同軸承支撐剛度進行組合設置，并計及螺旋槳陀螺效應，采用有限元法開展回旋振動計算，圖6為計算模型。

為保證軸系運行安全，臨界轉速裕度系數k需滿足相關規范的要求，一般要求k≥20%。

式中：nk為計算臨界轉速，r/min；ne為軸系額定轉速，r/min。

4 結 論

本文以某小型全墊升氣墊船為例，探討了推進軸系設計方法。鑒于動力裝置布置及螺旋槳變距要求，小型全墊升氣墊船推進軸系具有顯著的設計特點：

（1）由于推進軸線位置較高，受尺寸空間、質量、減速比等約束，無法采用齒輪箱等常規減速傳動方式，選擇簡單可靠的同步齒形帶，主動軸系和推進軸系的軸線距離可大幅增加、傳動速比可通過改變帶輪齒數靈活調整，避免了系統結構復雜、維護保養困難等問題。

（2）推力軸承同時承受較大的正、負推力和徑向反力，選用可以承受徑向和軸向聯合負荷的單列角接觸球軸承，并成對使用，通過計算分析確定接觸角合理分配承載能力；氣墊船為鋁合金船，船體變形量較大，選用具有自動調心功能的調心滾子軸承作為支撐軸承，用以消除因安裝誤差及船體變形等造成的不良影響。

（3）與常規變距螺旋槳通過固定式油管給變距機構供油方式不同，小型氣墊船空氣螺旋槳通過變距推桿驅動變距機構，設置移動式變距轉換軸承，保證變距推桿隨槳轂旋轉，同時跟隨變距油缸進行往復直線運動驅動變距推桿。

（4）氣墊船由于鋁質船體以及圍裙氣墊的影響，尤其是推進軸系位置較高，其軸承支承剛度無法準確確定，通過擴大軸承支撐剛度的選擇范圍，針對不同參數進行組合式計算，對其振動特性進行綜合評估。

［1］ 馬濤，鄔成杰.氣墊船總體性能與圍裙氣墊系統流體動力設計［M］.北京：國防工業出版社.

［2］ 朱樹文.船舶動力裝置原理與設計［M］.北京：國防工業出版社.

［3］ HJB60-91 艦艇軸系強度計算方法.

［4］ 歐貴寶，朱加銘.材料力學［M］.哈爾濱工程大學出版社.

［5］ 吳宗澤.機械設計實用手冊［M］.化學工業出版社.

［6］ 楊可楨，程光蘊.機械設計基礎［M］.高等教育出版社.