一種新型船舶軸系變形監控方法的研究與應用

謝最偉 程 坤 陶 鑫 郝長亮

（1、海裝廣州局，廣東 廣州510200 2、中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州510715）

某船在恒轉速低螺距工況下，螺旋槳產生較大空泡，引起的脈動壓力造成船體艉部結構振動較大，雖然振動測量結果滿足規范要求，但給設備以及管路的正常運行帶來了影響，同時也影響了船員工作、生活環境的舒適性，因此，需對艉部振動問題進行改進處理。根據總體設計單位的方案，應對艉部船體結構進行加強，新增材料重量超過8 噸，施工過程中需進行大量焊接作業。由圖1 可看出，大量的焊接會對艉部船體結構產生較大的熱量輸入，導致船體發生變形，進而會對軸系狀態造成影響。如采用抽軸后的軸系中心線為基準對軸系進行變形監控，則需拆除軸系水下全部部件，拆裝周期長、費用高，且拆裝過程中存在不可控風險。在沒有相關成功經驗可借鑒的情況下，本文創新性提出了一種軸系變形監控方法，用以監控施工過程中的軸系變形情況，并實時進行調整，海試結果證明了該方法的合理性與可行性。

1 軸系變形監控方法

由圖1 可分析出，如船體艉部結構發生變形，將主要引起軸系中心線與軸承間隙變化，本文主要針對上述兩種情況研究制定監控方法。

1.1 軸系中心線變形監控

圖1 某船艉部結構示意圖

結構加強施焊前，在艉、中托架前后端外側，以及Fr33 與Fr-4 外板處分別裝焊光靶架，光靶中心距軸中心水平距離約700mm,高度與軸中心線一致，通過激光準直儀將光靶中心調整在一條直線上，鎖定靶心。通過靶心拉線，此鋼絲線即為軸系中心線變形監控的基準線（如圖2、圖3 所示）。結構加強焊接過程中，可通過觀察安裝在光靶外側的百分表變化情況（如圖4 所示），實時監控軸系中心線變化情況。同時，每兩小時測量并記錄一組鋼絲線到光靶檢查圓之間的距離，加強中心線變形監控。整個焊接過程中，如數據出現異常，應立即停止作業，找到原因并采取合理措施進行糾正。

圖2 軸系中心線監控示意圖

焊接作業完成后，待船體狀態穩定，以Fr-4 光靶心為艉基點，Fr33 光靶心為艏基點進行照光，此時應當盡可能讓環境溫度與焊前照光時保持一致，測量其它光靶心的偏差，如相對偏差小于0.8mm，可認為整個焊接對軸系中心線產生的偏差不影響軸系正常運轉；如偏差大于0.8mm，則可認為監控過程出現了失誤，需抽出螺旋槳軸、尾軸，進行軸系對中處理。

1.2 軸承間隙變化監控

結構加強施焊前，割除保護罩與防繩罩，測量并記錄艉、中托架處軸承前后兩端與軸之間的間隙。結構加強施焊過程中，在軸承前后端加裝百分表實時監測軸承間隙變化情況，安裝施工圖如圖5 所示。軸承間隙每兩小時測量一次，若百分表示數變化變化明顯時，應當立即測量如圖6 所示位置1 或1' 處的間隙，如0.2mm 塞尺插不進，立即停止焊接作業，及時調整焊接順序和焊接位置，如間隙無法得到好轉，則只能抽軸后進行軸系對中處理。

圖3 軸系中心線監控施工圖

圖4 光靶位置變化監控示意圖

2 軸系變形監控結果

采取上述方法對結構加強焊接作業過程進行監控，焊接工作結束后，對結果進行測量。

2.1 軸系中心線變化情況

根據結構加強前后的2 次照光數據，可以計算出軸系中心線在焊接后的最大偏差值為0.496mm，小于工藝要求的0.8mm，偏差值在允許范圍內，該偏移不影響后續軸系的正常運行。從結果可分析出，焊接作業導致的外板變形，確實對軸系中心線產生了影響。

2.2 軸承間隙變化情況

通過測量結構加強前后的軸承間隙，得出結論如下：中軸承與軸的間隙變化極小，最大偏移為0.05mm，且大部分間隙無明顯變化；艉軸承與軸的間隙受焊接變形影響相對較大，最大偏移為0.1mm，焊接后的軸承間隙滿足技術要求。艉軸承間隙的偏移值相比中軸承間隙變化明顯，其原因是艉軸承離集中施焊部位更近一些。

圖5 軸承間隙變化監控施工圖

圖6 軸承間隙變化監控測量點

3 監控效果驗證

3.1 軸承負荷復測驗證

船舶海試前，如何判斷軸系狀態是否符合設計要求，軸承負荷測量是最重要的手段。船舶下水后，按要求進行軸承負荷復測，測得軸承實際負荷與理論負荷的最大誤差為13.038%，滿足“偏差小于等于理論負荷±20%”的要求。

3.2 海試驗證

在海試過程中，對船舶振動與軸系運轉情況進行了測量，結果如下：

（1）依據規范要求，對船體結構振動測試結果進行評價，所有測點振動測量值均位于良好區。

（2）在主機正常工作轉速范圍內，對軸系的扭轉振動進行測量，各諧次均未測到明顯的共振轉速，表明主機軸系在正常工作轉速范圍內可以安全運行。

（3）在主機正常工作轉速范圍內，對軸系的橫向振動進行測量，未測到1 諧次共振轉速，也未測到葉頻次共振轉速，滿足規范要求。

（4）推進系統各熱工參數均處于要求范圍內，整個海試過程中，系統運行正常。

4 結論

本文根據某船處理振動問題的實際工程需要，創新性的提出了一種軸系變形監控的方法。通過采用該方法，能避免抽軸以及抽軸帶來的牽連工程，規避軸系拆裝過程中的不可控風險，可高效地將焊接變形對軸系的影響控制在允許范圍內。軸承負荷復測以及海試結果表明，在船舶振動問題得到顯著改善的同時，軸系以及推進系統的考核指標滿足要求，這充分證明了該方法的合理性與可行性。該方法對同型船其余船只，以及其他船型的軸系變形監控具有很高的指導與參考價值。