付品森

(上海卡特彼勒船用推進(jìn)器國際貿(mào)易有限公司，上海200050)

1 船舶軸系校中

船舶軸系是船舶動(dòng)力裝置中的重要組成部分，軸系把柴油機(jī)的曲軸動(dòng)力矩傳送給螺旋槳，以克服螺旋槳在水中轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力矩，再將螺旋槳產(chǎn)生的軸向推力傳遞給推力軸承，克服船舶航行中的阻力，實(shí)現(xiàn)推動(dòng)船舶航行的目的。

軸系承受扭矩和推力，軸系和螺旋槳本身的重量及其他附件的作用使軸系產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，應(yīng)力周期變化產(chǎn)生的共振增加了危險(xiǎn)性(頻率趨于共振)，因此軸系校中工作就顯得尤其重要。好的校中能保證軸系長期在惡劣的條件下工作，保障船舶財(cái)產(chǎn)和人員的生命安全。

軸系的校中安裝順序一般是自艉向艏逐節(jié)校中中間軸及其軸承、齒輪箱、主機(jī)。校中的方法主要有平軸法、軸承允許負(fù)荷法、合理負(fù)荷法等。

1.1 平軸法

平軸法就是按直線性原理校中軸系的一種方法。校中時(shí)極力將船舶軸系安裝成一條直線，調(diào)節(jié)中間軸承的高低及左右位置，使各法蘭的偏移值和曲折值為0或接近于0。

校中時(shí)，需要將中間軸放置在2個(gè)支撐上。如果沒有中間軸承，則需要2個(gè)臨時(shí)支撐;如果只有1個(gè)中間軸承，則需要用1個(gè)臨時(shí)支撐;如果有2個(gè)中間軸承，則無需臨時(shí)支撐。中間軸承需設(shè)調(diào)位螺釘或其他調(diào)位工具，以便調(diào)節(jié)軸承位置。臨時(shí)支撐距法蘭面距離應(yīng)為中間軸長的0.18～0.22倍，通常是從艉部向艏部依次調(diào)節(jié)各法蘭面的曲折值和偏移值。測(cè)量偏移值曲折值如圖1所示。

圖1 測(cè)量偏移值曲折值圖

圖中，Z上、Z下分別為上、下部兩法蘭邊緣的距離值;Y上、Y下分別為上、下部兩法蘭的開口距離值;

式中:S為偏移值，mm;G為曲折值，mm/m;D為法蘭直徑，mm。

校中時(shí)，盡量使偏移值和曲折值為0。由于軸系在加工制造安裝及測(cè)量中均有誤差，因而無法使軸系的中心線為一直線。在軸的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，軸系的中心線是一條折線式曲線，實(shí)踐證明這種情況下軸系是能保持正常工作的。

1.2 軸承允許負(fù)荷校中法

軸承允許負(fù)荷校中法包括2種方法，一是計(jì)算法，二是測(cè)力計(jì)法。

1.2.1 計(jì)算法

計(jì)算法是按數(shù)學(xué)方法將軸承上的允許負(fù)荷換算成相應(yīng)法蘭上允許的偏移值和曲折值范圍。只要法蘭上的偏移值和曲折值在允許范圍之內(nèi)，軸承實(shí)際負(fù)荷也就在允許范圍內(nèi)。

對(duì)于不同結(jié)構(gòu)尺寸的軸系，其允許的偏移值和曲折值也不同。中間軸安裝在2個(gè)軸承上，其計(jì)算公式如下:

中間軸安裝在1個(gè)軸承上的計(jì)算公式如下:

式中:l為軸系中跨距最小的3個(gè)相鄰軸承中的平均間距，mm;d外、d內(nèi)分別為中間軸的外徑和內(nèi)徑;K為軸系的撓性系數(shù)

K值越大，表明軸系的撓性越好，校中時(shí)允許的曲折值和偏移值范圍就越大。軸系設(shè)計(jì)時(shí)，減小軸徑或增加軸承間距可提高K值。

在上述公式中，當(dāng)S=0時(shí)，G為最大值;當(dāng)G= 0時(shí)，S為最大值。得到G值和S值后，繪制的曲折值和偏移值的坐標(biāo)三角形。校中時(shí)，逐對(duì)調(diào)節(jié)各中間軸法蘭上的曲折值和偏移值，使其落在三角形坐標(biāo)中。曲折值—偏移值坐標(biāo)三角圖如圖2所示，圖中:A為最大的曲折值;B為最大的偏移值。

圖2 曲折值G-偏移值S坐標(biāo)三角圖

上述計(jì)算法不適用中間軸與主機(jī)曲軸或齒輪箱的連接法蘭，因此這兩處的法蘭校中需要得到主機(jī)或齒輪箱廠家的認(rèn)可。

測(cè)力計(jì)法又稱為實(shí)際負(fù)荷校中法，利用測(cè)力計(jì)測(cè)量和調(diào)節(jié)各中間軸承的實(shí)際負(fù)荷，使之在允許范圍內(nèi)。

軸系螺栓全部連接起來后，在中間軸承對(duì)角的2只螺孔中裝上2只測(cè)力計(jì)，另外兩對(duì)角孔裝上2只頂壓螺栓。同時(shí)調(diào)整各中間軸承的位置，使每個(gè)中間軸承左右2只測(cè)力計(jì)所承受的負(fù)荷相等。

此時(shí)軸承的負(fù)荷為2只測(cè)力計(jì)的值相加再減去軸承自身的重量。此值應(yīng)大于0.5倍的軸承平均負(fù)荷，小于1.5倍的軸承平均負(fù)荷。軸承的平均負(fù)荷可以用軸的重量和軸承數(shù)目求得。

艉管軸承負(fù)荷不能用測(cè)力計(jì)求得，可以用相關(guān)公式近似求得，它們又與中間軸承的實(shí)際負(fù)荷有關(guān)，這里不再介紹。

2 合理負(fù)荷法

合理負(fù)荷法就是按軸承合理負(fù)荷、合理位置和法蘭合理偏中值校中軸線的方法。

船舶軸系的尾端安裝著重且大的螺旋槳，對(duì)軸系的影響不能忽略不計(jì)。螺旋槳軸由于規(guī)范要求各軸段內(nèi)的軸徑不能相同，加之螺旋槳的重量影響，在運(yùn)行時(shí)會(huì)使艉軸承的負(fù)荷大大增加，水動(dòng)力的影響以及尾流場(chǎng)的不均勻會(huì)使船舶軸系產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、壓應(yīng)力和拉伸應(yīng)力，此時(shí)軸系會(huì)對(duì)軸承施加額外的附加負(fù)荷。若按直線法或軸承允許負(fù)荷法會(huì)變得不合適，因?yàn)檫@2種方法沒有考慮螺旋槳的影響和軸承的附加負(fù)荷。

合理負(fù)荷法是根據(jù)船舶軸系的實(shí)際結(jié)構(gòu)，按照規(guī)定的約束條件，規(guī)定的軸承負(fù)荷、應(yīng)力和轉(zhuǎn)角等允許的范圍，考慮熱態(tài)時(shí)軸承負(fù)荷允許范圍，齒輪箱的熱膨脹量等因素，從而計(jì)算出各軸承的合理位置，找出各連接法蘭處的偏中值，以此來將軸系安裝成規(guī)定的曲線狀態(tài)。各軸承負(fù)荷要求分配合理，支承截面上的彎距和轉(zhuǎn)角在允許范圍內(nèi)。

合理法校中計(jì)算時(shí)，把軸系視為在多個(gè)剛性鉸鏈支座上的連續(xù)梁，采用求解平面桿系的工程力學(xué)的理論求出各支座上的反力和指定截面上的彎矩、剪力、撓度和轉(zhuǎn)角等參數(shù)。

孟導(dǎo)吃驚地看著手機(jī)，完全不能接受這個(gè)事實(shí)，試想渡過了兩百年歷史時(shí)光的物件，再怎么也該有古董的潛質(zhì)啊，所謂的文化價(jià)值、歷史價(jià)值呢？感覺一元錢的古董已經(jīng)和路邊攤清倉甩賣的便宜貨是一個(gè)等級(jí)了。孟導(dǎo)滿腦子都是問號(hào)，甚至一時(shí)間都忘了生氣。

2.1 建立物理模型求軸承負(fù)荷

校中計(jì)算要根據(jù)軸系布置圖建立物理模型。軸系的結(jié)構(gòu)要素主要有軸自重、外載荷、軸系上的載荷、支反力和齒輪箱的輸出軸等。為了建立軸系校中計(jì)算的物理模型，對(duì)計(jì)算中涉及到的軸系結(jié)構(gòu)要素的著力點(diǎn)進(jìn)行處理。例如將軸的自重作為均布載荷，螺旋槳、法蘭、大齒輪等作為集中載荷，不同直徑的軸段作為不等截面的梁段。中間軸承上的支點(diǎn)位置在軸承的有效長度的中點(diǎn)，艉管后軸承支點(diǎn)位置在后端0.14～0.33倍軸承長度位置處。如果中間軸只有1個(gè)軸承，則還需要設(shè)置1個(gè)臨時(shí)支撐。

在計(jì)算過程中還要考慮軸承的附加負(fù)荷。當(dāng)軸系安裝成曲線狀態(tài)后，由于偏移值和曲折值的存在，必然會(huì)在法蘭上存在拉力彎距，在各軸承上產(chǎn)生額外的附加負(fù)荷。軸承附加負(fù)荷可以通過材料力學(xué)建立物理模型，據(jù)此物理模型建立數(shù)學(xué)公式求得。

2.2 計(jì)算軸承負(fù)荷影響數(shù)和偏中值

軸承的負(fù)荷和軸承的位移位置密切相關(guān)。在剛性軸系中，軸承一個(gè)很小的位移會(huì)引起很大的負(fù)荷變化;在撓性軸系中，軸承負(fù)荷相對(duì)軸承的位移不是很敏感。移動(dòng)軸承位置不會(huì)帶來很大的負(fù)荷變化，反映此種軸承位移與負(fù)荷變化的因素叫著負(fù)荷影響數(shù)。建立好物理模型后需要求出負(fù)荷影響數(shù)。

軸承的最佳位移和船舶上給定的約束條件相關(guān)。約束條件是指軸承的比壓、軸承所需要的油膜厚度、齒輪箱大齒輪前后軸承的負(fù)荷等。根據(jù)這些約束條件求出最佳的軸承位移，然后根據(jù)軸承的位移和負(fù)荷影響數(shù)求出軸承的實(shí)際負(fù)荷，算出各法蘭上的允許偏中值。

至此，可以根據(jù)法蘭上的偏中值把軸系安裝成一定的曲線狀態(tài)。

2.3 兩個(gè)階段的對(duì)中安裝

安裝時(shí)要從船尾開始。由于艉管軸承在實(shí)踐中沒辦法調(diào)整的，默認(rèn)的艉管軸承的位移量為0，船舶下水后無需調(diào)整艉軸，所以要從后部的中間軸開始調(diào)整，依次調(diào)節(jié)每對(duì)法蘭前面的中間軸承，必要時(shí)也可調(diào)節(jié)臨時(shí)支撐。依次調(diào)節(jié)每對(duì)法蘭上的曲折值和偏移值，達(dá)到校中計(jì)算所需要的值。在實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中不可能每個(gè)偏中值都能精確地達(dá)到軟件計(jì)算所得到的值，因此一定會(huì)存在誤差結(jié)果，給出誤差值有利于船廠的實(shí)際生產(chǎn)。

但是如果每對(duì)法蘭都有誤差，那么這些誤差累積起來有可能會(huì)超過計(jì)算要求的結(jié)果。為了消除誤差帶來的影響，需要對(duì)校中進(jìn)行第二階段的調(diào)整。

所謂第二階段的調(diào)整，就是在第一階段的曲折值和偏移值調(diào)整結(jié)束后，把軸系的各法蘭用螺栓鎖緊，拆除中間軸上的臨時(shí)支撐。如果齒輪箱輸出法蘭后端有臨時(shí)支撐，則保留此臨時(shí)支撐。此時(shí)再調(diào)整齒輪箱位置，再次調(diào)節(jié)齒輪箱輸出法蘭上的曲折值和偏移值，達(dá)到第二階段的偏中值，則偏中值調(diào)整結(jié)束。第二階段主要是用來消減第一階段累積的誤差影響。2個(gè)階段的調(diào)整更有利于軸系的運(yùn)行，更接近軸系的實(shí)際合理的曲線狀態(tài)。

需要注意的是，在調(diào)整曲折值和偏移值的時(shí)候，務(wù)必使其落在誤差范圍區(qū)間內(nèi)，即當(dāng)曲折值有最大誤差時(shí)，偏移值則不允許有誤差。當(dāng)偏移值有最大誤差時(shí)，則曲折值不允許有誤差。如某船第二階段的曲折值為0.39，偏移值為0.78，給定的誤差值為0.05，則如圖3所示的為其曲折值和偏移值的的區(qū)間圖，曲折值和偏移值一定要落在區(qū)間內(nèi)，不能在區(qū)間外。

做完各法蘭的曲折值和偏移值后，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)符合標(biāo)準(zhǔn)后，可以把所有法蘭的螺栓鎖緊。齒輪箱的地腳螺栓和調(diào)節(jié)螺栓同時(shí)要預(yù)緊，保證齒輪箱不再發(fā)生位移。中間軸承的地腳螺栓也要預(yù)緊。軸承上蓋裝好。此時(shí)可以做頂舉試驗(yàn)來驗(yàn)證各軸承負(fù)荷。

2.4 頂舉實(shí)驗(yàn)

頂舉實(shí)驗(yàn)是用求出實(shí)際的軸承負(fù)荷與計(jì)算的負(fù)荷作比較，使實(shí)際的負(fù)荷接近理論負(fù)荷。

首先要在待測(cè)軸承附近中間軸下安放1臺(tái)液壓千斤頂。千斤頂?shù)奈恢门c軸承的距離一定要按軟件計(jì)算的位置來安放，這與負(fù)荷計(jì)算的校正系數(shù)有關(guān)。頂舉所求得的負(fù)荷并不是軸承所在位置的負(fù)荷，這就需要千斤頂?shù)呢?fù)荷乘以一個(gè)校正系數(shù)來求得軸承位置處的負(fù)荷。這個(gè)系數(shù)與千斤頂所安放的位置有關(guān)，所以一定要按規(guī)定的距離來安放千斤頂。如圖4所示千斤頂和百分表一定要安放在距軸承心L距離處。

圖3 含有誤差值的曲折和偏移值區(qū)間圖

圖4 千斤頂?shù)陌卜?/p>

百分表一定要放在千斤頂?shù)恼戏讲拍苷_測(cè)量頂舉的高度。千斤頂?shù)南路揭欢ㄒ矊?shí)，切不可軟。測(cè)量前用千斤頂把軸慢慢頂起，然后放下，使軸與軸承脫離，檢查狀態(tài)，然后再正式測(cè)量。

根據(jù)軸承的間隙，將軸慢慢頂起，直到軸與軸承脫離，記錄千斤頂?shù)呢?fù)荷大小和百分表的的升高量。同樣，千斤頂卸載時(shí)慢慢落下，直到完全落座在軸承上。記錄百分表和千斤頂?shù)膶?duì)應(yīng)數(shù)值，依此繪制頂舉曲線，如圖5所示。

頂舉曲線是軸位移量與千斤頂負(fù)荷的關(guān)系曲線，像是磁滯回歸曲線。理論上，上升段和下降段應(yīng)該重合，但由于摩擦力、油壓損耗、百分表、千斤頂和軸的內(nèi)阻功耗等使下降曲線滯后。關(guān)系圖的曲線部分是軸和軸承接觸點(diǎn)不斷變化，千斤頂與軸承支點(diǎn)的距離不斷變化和由其造成對(duì)軸承負(fù)荷影響的變化所顯示出來的非線性關(guān)系。上升段和下降段的直線部分反映了千斤頂處軸位移與千斤頂負(fù)荷的線性關(guān)系，是軸和軸承脫離后的上升和下降過程，與軸承支點(diǎn)無關(guān)，對(duì)軸承負(fù)荷無影響。延長直線段與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)A和B即為在軸位移為0時(shí)的軸承負(fù)荷，因上升與下降線不重合，故千斤頂處的負(fù)荷為A和B的平均值。而軸承的實(shí)際負(fù)荷為，K為校正系數(shù)，可計(jì)算求得。轉(zhuǎn)角。

(3)計(jì)算軸承和位移關(guān)系的負(fù)荷影響數(shù)。

(4)根據(jù)約束條件優(yōu)化計(jì)算軸承的最佳位移量。

(5)求出軸承的實(shí)際負(fù)荷。

(6)算出各法蘭上的曲折值和偏移值。

(7)用頂舉試驗(yàn)來檢驗(yàn)負(fù)荷。

3 結(jié)語

圖5 頂舉負(fù)荷曲線

頂舉的記錄過程是以負(fù)荷為基準(zhǔn)記錄頂升量還是以頂升量為基準(zhǔn)記錄負(fù)荷值在理論上是一樣的，但實(shí)踐中千斤頂?shù)呢?fù)荷比較容易控制而頂升量則不容易控制，這會(huì)導(dǎo)致2種方法所繪制的曲線圖不太一樣。以負(fù)荷為基準(zhǔn)的記錄方法更容易得到標(biāo)準(zhǔn)的頂升曲線圖，所以優(yōu)先推薦以負(fù)荷為基準(zhǔn)的記錄頂升量的方法。

以上過程需要大量的計(jì)算，通常是由計(jì)算機(jī)程序來完成的。目前常用的幾款軟件都會(huì)考慮軸系的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)和熱態(tài)等幾種狀態(tài)的受力狀況，每一種狀態(tài)的計(jì)算都要滿足約束條件。

綜上所述，軸系合理校中計(jì)算步驟如下:

(1)根據(jù)軸系建立物理模型。

(2)計(jì)算軸系的各處的彎矩、反力、撓度及截面

船舶動(dòng)力裝置是船舶的心臟，推進(jìn)軸系是動(dòng)力裝置的重要組成部分，校中質(zhì)量好壞直接關(guān)系到船舶能否長期安全航行和船員生命安全，因而，船級(jí)社對(duì)軸系校中很重視。目前，多數(shù)船級(jí)社對(duì)軸徑大于400 mm，或者是有齒輪箱的，或者是有傾角的，或者是有PTO輸出的軸系都要求將軸系校中計(jì)算書、偏中值、校中工藝等技術(shù)文件送審。

影響軸系校中的質(zhì)量因素多種多樣，主要有船軸的加工精度、軸系的安裝彎曲、船體變形、操作人員的素質(zhì)等。螺旋槳水動(dòng)力、船體變形和軸承潤滑油膜、溫度等因素在一定程度上影響軸系的原有校中狀態(tài)。軸承校中時(shí)，必須嚴(yán)格按照船級(jí)社的要求，保持審慎的態(tài)度，每一步數(shù)據(jù)都要合乎計(jì)算的要求。另外，特別在試航的時(shí)候要密切觀察軸承溫度、密封泄漏等情況。

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