，

(海軍工程大學(xué) a.總師辦;b.動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033)

推進(jìn)軸系是船舶動(dòng)力裝置的重要組成部分，主要由艉軸、中間軸、推力軸、傳動(dòng)裝置、艉管軸承、推力軸承、中間軸承、聯(lián)接法蘭等組成，其作用是將主機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)矩傳遞給螺旋槳，同時(shí)又將螺旋槳所產(chǎn)生的軸向推力通過推力軸承傳至船體，從而推動(dòng)船體前進(jìn)。由此可見推進(jìn)軸系的重要作用[1]。良好的軸系校中可使得軸系性能優(yōu)良，提高船舶的快速性，降低軸系振動(dòng)和噪聲，可以改善軸承支承環(huán)境，合理分配各軸承負(fù)荷，減少軸承磨損，提高軸系傳遞功率。通過模擬軸系的校中狀態(tài)并結(jié)合實(shí)測來分析各軸承的負(fù)荷和磨損情況，為軸系檢測修理提供理論的參考。

1 某船軸系校中分析

1.1 推進(jìn)軸系模型

某船為雙軸系。軸系校中計(jì)算需要對該軸系的實(shí)際物理模型簡化成能用于計(jì)算的模型，故將軸系視作放置在剛性鉸鏈上的連續(xù)梁，對計(jì)算中所涉及的軸自重、作用在軸系上的載荷、外力及支反力的著力點(diǎn)等要素進(jìn)行處理[2-3]。

該船軸系的艉軸承采用水潤滑的方式。其左舷推進(jìn)軸系布置見圖1，該軸系包括螺旋槳、1個(gè)艉軸，3個(gè)中間軸、1個(gè)推力軸。艉軸由托架軸承(1#)、艉管后軸承(2#)、艉管前軸承(3#)3個(gè)軸承支撐，中間軸由中間軸承(4#、5#)支撐，推力軸由2個(gè)推力軸承(6#、7#)支撐。艉軸與中間軸通過半聯(lián)軸節(jié)連接，各中間軸之間、中間軸與推力軸之間通過法蘭連接。右舷推進(jìn)軸系布置見圖2，該軸系包括螺旋槳、1個(gè)尾軸，6個(gè)中間軸(從船艏至船艉分別標(biāo)示為1#、2#、3#、4#、5#、6#)、一個(gè)推力軸。艉軸由托架軸承(1#)、艉管后軸承(2#)、艉管前軸承(3#)3個(gè)軸承支撐，各中間軸分別由中間軸承(4#、5#、6#、7#、8#、9#)支撐，推力軸由推力軸承(10#、11#)支撐。艉軸與中間軸通過半聯(lián)軸節(jié)連接，各中間軸之間、中間軸與推力軸之間通過法蘭連接。螺旋槳均為定距螺旋槳。

圖1 左軸系布置示意

圖2 右軸系布置示意

1.2 由軸承負(fù)荷推導(dǎo)軸承變位的原理

對于有n個(gè)軸承的軸系而言，欲求出軸承的最佳位移量和負(fù)荷，是一個(gè)具有線性約束的最優(yōu)化問題，亦即在滿足約束集的前提下，對所有給定的目標(biāo)函數(shù)求極小值(或極大值)。因此，可以將求軸系各軸承的位移及負(fù)荷的最佳值問題處理成標(biāo)準(zhǔn)型的“線性規(guī)劃”問題進(jìn)行求解。在軸承變位情況下，軸承的負(fù)荷為

R=R0+AD

(1)

式中：R0——直線狀態(tài)下軸承的負(fù)荷；

R——軸系各個(gè)軸承的負(fù)荷,

R={R1,R2,…,Rn}T；

A——軸承負(fù)荷影響系數(shù)矩陣(n×n)對稱矩陣；

D——軸系各個(gè)軸承的變位，

D={D1,D2,…,Dn}T；

n——軸承個(gè)數(shù)。

以軸系所要達(dá)到的負(fù)荷狀態(tài)RT作為目標(biāo)，計(jì)算該軸系狀態(tài)下的軸承最佳位移量DT。

RT=R0+ADT

(2)

則直線狀態(tài)的負(fù)荷與目標(biāo)負(fù)荷狀態(tài)的差為

ΔR=RT-R0=ADT

(3)

則軸承最佳位移量為

DT=A-1ΔR

(4)

軸承負(fù)荷影響系數(shù)A，是指軸系中某一軸承位移一個(gè)單位量時(shí)，所造成該軸承及其余軸承上負(fù)荷的變化量。當(dāng)軸系中任一軸承或幾個(gè)軸承產(chǎn)生位移(變位)時(shí)，將造成軸系附加彎曲變形，從而在軸承上引起附加負(fù)荷，且這些附加負(fù)荷的大小及方向與軸承位移量的大小及方向有關(guān)；當(dāng)不考慮支承及油膜剛性時(shí)，這些附加負(fù)荷與軸承的位移量成線性關(guān)系[4-6]。根據(jù)該軸系計(jì)算模型,利用三彎矩法計(jì)算該軸系左右舷推進(jìn)軸系各軸承負(fù)荷影響系數(shù)，見表1，右軸略。

表1 軸承負(fù)荷影響系數(shù) kN

對表1的分析如下。

1)艉軸架軸承的垂向變位(即軸承中心線高于或低于理論中心線一定值)對自身負(fù)荷的影響較小，對艉管后、前軸承相對影響較大，對中間軸承影響很小。當(dāng)艉軸架軸承垂向變化時(shí)，如軸承磨損、支架剛度變化、軸承中心線位置低于理論中心線等，均會導(dǎo)致艉管后軸承負(fù)荷的增加。

2)艉管后軸承的垂向變化對自身影響很大，垂向每抬高或降低1 mm，其負(fù)荷將增加或減小7.25 kN，同時(shí)，使艉管前軸承負(fù)荷減小或增加約6.95 kN；同時(shí)，使6#中間軸承有一定的增加或減??；對其他中間軸承及推力軸承影響較小。

3)同理，艉管前軸承的垂向變化對自身影響也更大，每抬高或降低1 mm，其負(fù)荷將增加或減小約9.798 kN，同時(shí)，使艉管后軸承負(fù)荷減小或增加約6.95 kN；同時(shí)，使6#中間軸承負(fù)荷減小或增加約2.9 kN；對5#中間軸承有一定影響，對其他中間軸承及推力軸承影響較小。

4)其他中間軸承的垂向位移的變化對艉軸管軸承影響相對較小，右軸情況類似。

2 軸系各校中狀態(tài)計(jì)算

根據(jù)已建立的軸系模型，利用三彎矩法對該船推進(jìn)軸系進(jìn)行直線校中計(jì)算，其結(jié)果見表2、表3。該船軸系若采用直線校中方法進(jìn)行軸系安裝，則由表2和表3中可見以下結(jié)果。

1)軸承比壓均滿足要求，艉軸架軸承比壓較大，達(dá)到0.382 MPa，但小于賽龍軸承允許比壓0.5 MPa，可正常安全運(yùn)行。

2)艉軸架軸承支承點(diǎn)截面處的轉(zhuǎn)角為5.06×10-4rad(左舷)、5.13×10-4rad(右舷)均超過規(guī)范值3.5×10-4rad，更不滿足ABS、DNV、GL、BV等船級社3.0×10-4rad的標(biāo)準(zhǔn)。

為進(jìn)一步研究該軸系的校中狀態(tài)，計(jì)算該船在軸系中間軸承給定計(jì)算值時(shí)軸系狀態(tài)。根據(jù)軸系校中的一般方法，假定艉管裝置中心線為理論直線，即將艉軸放在理論中心線上，其艉軸架軸承、艉管后軸承、艉管前軸承的變位為零，利用軸承變位原理計(jì)算出給定負(fù)荷下中間軸承、推力軸承的垂向位置，模擬給定軸系軸承負(fù)荷[7-9]。從模擬給定計(jì)算值與直線校中計(jì)算負(fù)荷比較可知，通過調(diào)整中間軸承的垂向位置，對艉管軸承的負(fù)荷影響不大，這是軸系結(jié)構(gòu)特征所決定的。給定計(jì)算值與直線校中計(jì)算結(jié)果比較見表4。

表2 左軸系直線校中結(jié)果

表3 右軸系直線校中結(jié)果

表4 各中間軸承給定軸承負(fù)荷與直線校中計(jì)算負(fù)荷比較表 mm

可以看出各中間軸承負(fù)荷稍有差異，并不完全相同，可初步判斷該船軸系可能不是采用直線校中方法進(jìn)行安裝，但也有可能其在直線校中時(shí)考慮了其船體結(jié)構(gòu)變形。

為探究該船軸系校中時(shí)是否考慮船體變形，進(jìn)一步計(jì)算分析該船軸系在原始安裝對中中間軸承負(fù)荷值時(shí)的軸系狀態(tài)，并與實(shí)測負(fù)荷進(jìn)行比較分析，其各負(fù)荷值見表5。

表5 3種狀態(tài)軸承負(fù)荷比較 mm

從表5可知原始安裝對中中間軸承負(fù)荷值與理論給定值也不盡相同，說明原始安裝對中安裝與理論計(jì)算軸系是有區(qū)別的。根據(jù)上述假設(shè)與方法，進(jìn)行軸系原始安裝對中狀態(tài)模擬和實(shí)際軸系安裝狀態(tài)模擬。為模擬軸承實(shí)際載荷，其軸承的垂向位置略有不同，左軸系原始安裝對中狀態(tài)與給定值的變位差別不大，但右軸系原始安裝對中狀態(tài)與計(jì)給定值的變位差別較大，見表6，說明右舷船體可能存在較大的船體變形，對中間軸承負(fù)荷的影響較大。

表6 實(shí)際軸系狀態(tài)(a)與原始對中狀態(tài)(b)對比表(右軸系)

3 原因分析

3.1 艉軸軸承磨損狀態(tài)模擬

根據(jù)該船軸承磨損測試資料，計(jì)算中取其平均值，并考慮其安裝間隙，軸承的實(shí)際垂向最大變位見表7。

表7 各種情況下艉軸軸承間隙及計(jì)算變位 mm

在原始對中模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，考慮艉軸架軸承單個(gè)磨損及艉軸3個(gè)軸承同時(shí)磨損兩種狀態(tài)，進(jìn)行軸系軸承負(fù)荷計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果與原始對中情況軸承負(fù)荷進(jìn)行對比,見表8和表9。

1)艉軸軸承處于磨損狀態(tài)時(shí)，艉軸架軸承負(fù)荷相對減小，艉軸架軸承磨損越大，其負(fù)荷越小。

表8 3軸承磨損狀態(tài)(c)與艉軸架軸承單個(gè)磨損狀態(tài)(d)(左軸系)

表9 3軸承磨損狀態(tài)(c)與艉軸架軸承單個(gè)磨損狀態(tài)(d)(右軸)

2)艉軸軸承處于磨損狀態(tài)時(shí)，艉軸管后軸承負(fù)荷增加，且當(dāng)艉軸架軸承磨損越嚴(yán)重，其負(fù)荷增加越大。

3)艉軸軸承處于磨損狀態(tài)時(shí)，艉軸管前軸承負(fù)荷減小，且當(dāng)艉軸架軸承磨損越嚴(yán)重，其負(fù)荷減小程度也越大。

4)艉軸軸承處于磨損狀態(tài)時(shí)，左4和右4中間軸承負(fù)荷明顯增大；但艉軸架軸承的磨損加大，對左4和右4中間軸承負(fù)荷有一定影響，但明顯小于艉軸軸承同時(shí)磨損帶來的負(fù)荷影響。

5)艉軸軸承處于磨損狀態(tài)或艉軸架軸承處于最大磨損狀態(tài)時(shí)，對其他中間軸承的負(fù)荷影響相對較小。

3.2 艉軸磨損分析

從計(jì)算結(jié)果可看出：艉軸架軸承的過快磨損可能會導(dǎo)致艉軸管后軸承的磨損加劇，如果安裝時(shí)低于理論中心線或艉軸管中心線也會導(dǎo)致艉軸管后軸承負(fù)荷的增加，加劇艉軸管后軸承的磨損，艉管前軸承的負(fù)荷均遠(yuǎn)大于艉軸管后軸承的負(fù)荷。但從軸承實(shí)際檢測磨損情況看，艉軸管前軸承的磨損均小于艉軸管后軸承，且艉軸管前后軸承長度一樣。從理論計(jì)算結(jié)果來說，艉軸管前軸承應(yīng)該比艉軸管后軸承磨損嚴(yán)重，由此可判斷，有可能存在艉軸管前軸承負(fù)荷偏小的情況。綜合上述各狀態(tài)計(jì)算模擬，該船艉軸軸承磨損的主要原因如下。

1)艉軸架軸承的磨損主要是艉軸架軸承的比壓過大以及艉軸架軸承支點(diǎn)處轉(zhuǎn)角過大所致。據(jù)前面假設(shè)和分析，該船左右軸艉軸架軸承實(shí)際負(fù)荷均在191 kN左右，其軸承計(jì)算比壓在0.383 MPa左右，相比行業(yè)公認(rèn)的賽龍軸承允許比壓0.50 MPa應(yīng)當(dāng)比較接近。但與其他船比較，其比壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他船的實(shí)際使用比壓0.224 MPa。

2)該船艉軸架軸承支點(diǎn)處轉(zhuǎn)角達(dá)5.03×10-4rad，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3.0×10-4rad的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也超過其他船該支點(diǎn)處的轉(zhuǎn)角3.95×10-4rad，加大了軸承的局部比壓，造成軸承磨損加快。采用傾斜軸承方法，斜度為0.4 mm/m，軸承支點(diǎn)處轉(zhuǎn)角幾乎為零，說明軸系與軸承的接觸更加均勻。故該艉軸軸架應(yīng)采取軸承傾斜或斜鏜孔方法，使其支點(diǎn)處轉(zhuǎn)角小于3.0×10-4rad。

3)艉軸管后軸承磨損的主要原因也是由于其負(fù)荷過大。計(jì)算模擬和實(shí)測表明該船艉軸管后軸承模擬計(jì)算負(fù)荷均在45～48 kN之間，艉軸管前軸承計(jì)算負(fù)荷在75～83 kN之間，艉軸管后軸承的比壓在0.18 MPa左右，艉軸管前軸承的比壓在0.30 MPa左右，相對合理，且應(yīng)當(dāng)是艉軸管前軸承的磨損應(yīng)比艉軸管后軸承嚴(yán)重。而實(shí)測的結(jié)果是艉軸管后軸承磨損比前軸承磨損更加嚴(yán)重。實(shí)際上艉軸管后軸承負(fù)荷遠(yuǎn)大于艉軸管前軸承負(fù)荷，說明艉軸架軸承、艉軸管后軸承、艉軸管前軸承并非安裝在同一中心線上。

4 結(jié)束語

根據(jù)上述分析結(jié)果，進(jìn)一步對艉軸軸承磨損狀態(tài)的模擬計(jì)算分析，若軸系安裝狀態(tài)不良，會加大艉軸軸承負(fù)荷，導(dǎo)致艉軸軸承磨損。但是僅從靜態(tài)校中來計(jì)算分析該軸系艉軸磨損原因是不夠的，需要進(jìn)一步從軸系動(dòng)態(tài)校中方面考慮和分析該軸系情況，如螺旋槳激振力、油膜潤滑等因素，為下一步采取相關(guān)處理措施提供依據(jù)。

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