基于雙隧道式船艉線型的大件運輸船軸系設計

任成德

(招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 海門 226100)

0 引言

船舶軸系的作用是將主機功率傳遞給螺旋槳，并將螺旋槳旋轉產生的推力通過推力軸承或齒輪箱傳遞給船體，使船舶前進或后退。在過去的案例中，因軸系設計不合理，曾發生多起艉管軸承燒毀、螺旋槳軸斷裂、減速齒輪箱損壞等事故，給企業造成了重大損失。

大件運輸船采用雙機、雙槳、雙舵、柴油機推進，載貨量約為1 800 t，航行于長江水系A、B、C、J1、J2航區(段)，運載鋼制橋梁桁架類大件。由于桁架構件具有體積大、單位載荷較輕的特性，船東要求盡可能增大該船貨艙艙容系數，以便充分發揮運載能力，提高運營經濟效益。

在同等船舶主尺度的情況下，為提高貨艙艙容系數，一般采用增大貨艙主尺度的辦法。增大貨艙主尺度，使機艙后移，原有的軸架式軸系設計已不能滿足需要。針對此情況，本文提出采用雙機雙槳船軸系布置的方法。首先在確定推進裝置型式的基礎上進行軸系布置設計，然后進行軸系計算選取尺寸，最后進行軸系強度校核。

1 推進裝置總體設計及機艙布置

大件運輸船主要參數為：

總長76.5 m, 垂線間長71.6 m，型寬14.0 m，型深3.8 m，設計吃水3.0 m。

1.1 推進裝置型式設計

該船將航行于激流航段，對船舶操縱性要求較高；設計吃水3.0 m，屬于淺吃水船舶；結合船東降本增效、便于后續運營維護等要求，經總體設計優化，將軸架式船艉線型設計為雙隧道式船艉線型，采用中速柴油機齒輪箱推進裝置。

通過船、機、槳匹配計算，分析比較了目前幾家國產柴油機的性價比，最后選用推進機組如下：

(1)主機：配備Z6170ZLC/ Z6170ZLCZ各1臺柴油機，持續功率300 kW，額定轉速1 000 r/min。

(2)齒輪箱：配備2臺HC400齒輪箱，減速比為3.42。

(3)配備HGTLX4.5高彈聯軸器，隨齒輪箱配套供應。

1.2 機艙布置

推進機組型號基本確定后，向廠家索取認可圖及安裝資料。根據機組外形尺寸和艉部線型情況，在機艙中定位機組。機艙布置如下：

機艙位于Fr10～Fr26肋位之間，縱向長8.0 m；機艙棚位于Fr13～Fr24肋位之間，縱向長5.5 m。

主機組對稱布置在Fr12～Fr18肋位左右，分別距舯3 500 mm。機艙布置示意圖見圖1。

2 軸系布置設計

該船軸系按中國船級社《鋼質內河船舶入級與建造規范》(2002)(以下簡稱《內規》)及《內河船舶法定檢驗技術規則》(2004)(以下簡稱《法規》)進行設計。

2.1 軸系材料選用

艉軸、可拆聯軸節材料選用35#鋼鍛造，鍵、聯軸節螺栓材料選用45#鋼。

2.2 軸系構成

本船軸系包括螺旋槳、螺旋槳軸、可拆聯軸器、中間軸、齒輪箱、高彈聯軸器、主機和艉管前后軸承、艉軸密封及其他附件等,不設人字架、中間軸承和推力軸承。

圖1 機艙布置圖

2.3 軸系布置

大件運輸船軸系布置方法如下：

(1)兩軸系左右對稱，距舯3 500 mm，齒輪箱輸出法蘭中心縱向位于Fr10+1 280 mm。

(2)為避免主機有效推進功率損失，將軸線設計成與基線水平，且距基線850 mm。

(3)為便于安裝，在艉軸與中間軸連接處設有厚度約10 mm的調整墊片。

(4)為避免船舶停泊時水流使螺旋槳帶動軸系轉動，在中間軸上設有制動裝置。

(5)艉軸基本軸徑為Φ130 mm，其軸承為油潤滑錫青銅軸承，艏、艉密封裝置均采用定型產品(船檢認可)，艉軸與螺旋槳及聯軸器采用鍵連接。

軸系布置圖見圖2。

軸系布置設計時主要基于以下幾點考慮：

(1)主機或齒輪箱盡量靠機艙后壁布置，以縮短軸系長度。根據具體的主機、齒輪箱工作圖，確定齒輪箱輸出法蘭中心縱向位置，以避免齒輪箱及主機地腳螺栓與基座腹板干涉，為后續齒輪箱、主機地腳螺栓鉆孔及鉸孔預留空間。

(2)為避免主機有效功率損失，使軸系中心線與船體基線及中縱剖面平行。

(3)艉管后軸承后端面與舵桿中心線的距離：一方面應盡可能使該距離縮短，以增強舵效；另一方面不能影響螺旋槳的拆裝空間。

(4)必須控制螺旋槳直徑，使葉梢與船殼外板的間距不能太小。

(5)合理布置軸承位置及間距，以均衡整個軸系載荷(靜載荷及動載荷)。艉管布置在左右隧道內，艉管前后軸承間距完全受控。另外，中間軸也較短(590 mm)。為減少軸系附加負荷，取消中間軸承設置。

3 軸系計算及尺寸選取

3.1 按《內規》計算后選取尺寸

按《內規》計算后軸系尺寸選取如下：

(1)艉軸基本軸徑130 mm，后軸承軸頸直徑為140 mm，前軸承軸頸直徑為135 mm，中間軸直徑120 mm。

(2)螺旋槳鍵鍵寬32 mm，鍵有效長度118 mm，鍵前端距錐度大端的距離實取30 mm。

(3)聯軸器鍵寬32 mm，鍵有效長度133 mm，聯軸器法蘭厚度30 mm，聯軸器法蘭根部過渡圓半徑15 mm。聯軸器連接螺栓直徑 21.8 mm，緊配螺栓數量4只。中間軸與齒輪箱緊配螺栓數量6只，齒輪箱連接螺栓直徑 21.8 mm。艉管后軸承長度500 mm，艉管軸承為油潤滑錫青銅軸承。

3.2 根據《船舶設計實用手冊》計算后選取尺寸

按照《船舶設計實用手冊》計算，得到艉軸與螺旋槳連接錐體長度 310 mm，錐度 1∶15。

4 軸系強度校核

軸系強度校核內容為：

(1)軸承位置及軸承間距。

(2)軸承受力支點的確定。

(3)軸系強度校核。

①危險截面分析：經受力分析，該船軸系布置有三處薄弱環節，即艉軸后軸承前端面、螺旋槳鍵與鍵槽擠壓面及艉軸可拆聯軸器錐度小端面。

②艉軸后軸承前端面強度校核：螺旋槳自重產生的彎曲應力，螺旋槳旋轉產生的拉壓應力，螺旋槳旋轉產生的剪應力，艉軸后軸承前端面合成應力。

③螺旋槳鍵與鍵槽擠壓面強度校核。

④艉軸可拆聯軸器錐度小端面強度校核。

經校核，該船軸系強度符合要求。

5 繪制艉軸艉管總圖注意事項

繪制艉軸艉管總圖注意事項如下：

(1)根據軸系計算結果，選擇艉管前后密封裝置型號并繪制成零件圖。 (2)軸系計算得到的尺寸，按照1∶1的比例將軸系部件繪制成零件草圖。

(3)將所有軸系零件及附件按裝配關系模擬安裝到軸系相應位置上。

(4)根據裝配關系、維修空間需要等，優化、調整上述零件圖尺寸。

(5)該船艉管較短，為無縫鋼管焊接整體式。

(6)為便于維修，延長艉軸使用壽命，在艉軸前后密封裝置處設有外表面鍍鉻的耐磨套，其長度應伸出密封環一定距離，確保密封可靠；前密封裝置軸向預留空間，以便于后續可通過密封環錯位的方法進行應急維修，同時避免軸系變形。

6 結語

通過對艉部線型的優化，合理布置機艙，特別是調整主機組的安裝，使軸系設計更合理。船舶軸系設計是船舶動力裝置設計的一項主要任務，在很大程度上決定了一艘船舶設計的成敗。隨著船舶的大型化和大功率化，軸系設計越來越重要。軸系設計人員應不斷提高自身綜合能力，應用先進的軸系設計方法，“多快好省”地完成軸系設計任務。該船投入營運后，船東對軸系運行很滿意。