王鳳良

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司 軍事代表室， 上海 200129)

某型艦船傳動(dòng)裝置安裝工藝改進(jìn)研究

王鳳良

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司 軍事代表室， 上海 200129)

針對(duì)某型艦船主動(dòng)力傳動(dòng)裝置在安裝及使用過程中顯露出來的一些問題，加以研究并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案，使該型艦船傳動(dòng)裝置安裝工藝更加科學(xué)合理。

中間軸承 鉸制螺栓 萬向聯(lián)軸器

1 前言

該型艦船采用的動(dòng)力裝置型式是在國(guó)內(nèi)戰(zhàn)斗艦船艇中首次采用的。其傳動(dòng)裝置安裝工藝是自首艦起經(jīng)過歷年多艘艦船的實(shí)施驗(yàn)證，總體上規(guī)范、可控。但是，畢竟該工藝形成年代較早，加上當(dāng)初是首次采用該種動(dòng)力裝置型式，所以后傳動(dòng)裝置全部采用進(jìn)口設(shè)備，諸多技術(shù)、工藝要求多照搬國(guó)外。隨著國(guó)產(chǎn)化地深入，目前，后傳動(dòng)裝置已經(jīng)從最初的進(jìn)口設(shè)備改為國(guó)產(chǎn)化設(shè)備，且工裝夾具有了較大改進(jìn)。建造過程中，原有工藝也逐漸暴露出一些與新的技術(shù)要求不完全匹配、水平相對(duì)落后等問題，從而導(dǎo)致制造、安裝及檢驗(yàn)等方面存在許多難點(diǎn)。因此，隨著技術(shù)和工藝的進(jìn)步、認(rèn)知水平的提高，以及實(shí)踐的深入，結(jié)合國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該型艦船傳動(dòng)裝置安裝工藝進(jìn)行優(yōu)化完善是十分必要的。

2 該傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)介

如圖1所示，該型艦船采用雙軸輸出，柴-柴聯(lián)合前后并車的動(dòng)力裝置型式(簡(jiǎn)稱CODAD)，主機(jī)和中間支架采用彈性安裝且為水平布置，齒輪箱及軸系為剛性安裝且和水平方向存在一定夾角。每軸系共包括2道中間軸承和3道水潤(rùn)滑賽龍軸承。螺旋槳為可調(diào)螺距槳(CPP)。

圖1 某型艦船主動(dòng)力裝置示意圖

該動(dòng)力裝置的主要特點(diǎn)在于：(1)主機(jī)和中間支架采用彈性安裝且和剛性安裝的齒輪箱軸線存在夾角；(2)軸系較長(zhǎng)，每軸系由四根軸段組成；(3)每軸系的兩臺(tái)主機(jī)前后布置，跨度較大，保證相對(duì)尺寸的準(zhǔn)確性有一定難度。

3 原有主動(dòng)力裝置安裝工藝的落后與改進(jìn)

該型艦船主動(dòng)力裝置安裝工藝將安裝過程分為船臺(tái)(塢)安裝和水下安裝兩部分。其中，在船臺(tái)(塢)安裝過程中主要完成形位調(diào)整工作，包括對(duì)中和初步定位，在水下安裝過程中主要完成最終調(diào)整及安裝工作。安裝重點(diǎn)還在于水下安裝步驟。

原有主動(dòng)力裝置安裝工藝的落后性主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

(1) 該工藝使用的時(shí)間較長(zhǎng)，考慮到當(dāng)時(shí)在認(rèn)知等方面的局限性，有必要進(jìn)一步改進(jìn)。比如主動(dòng)力裝置各設(shè)備底腳鉸孔尺寸事宜，按照目前要求，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)為一單個(gè)數(shù)據(jù)，而不是范圍。而實(shí)際施工時(shí)，很難做到一致，只能做到在一定范圍內(nèi)。這些都加大了施工與檢驗(yàn)的難度。有必要進(jìn)行改進(jìn)研究。

(2) 當(dāng)初工藝編制時(shí)是基于國(guó)外設(shè)備商的設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)國(guó)產(chǎn)化，應(yīng)該根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新核算。畢竟，對(duì)于國(guó)外的設(shè)計(jì)依據(jù)我們?cè)谡J(rèn)知上還存在一定盲區(qū)，所以有必要根據(jù)我們熟悉且能找到依據(jù)的國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與改進(jìn)。

根據(jù)以往在實(shí)際安裝及使用過程中的經(jīng)驗(yàn)，選定以下幾個(gè)典型議題進(jìn)行改進(jìn)研究。

① 中間支架采用彈性安裝，前后兩端掛重重量又不一樣，影響了對(duì)中的操作性和準(zhǔn)確性。

② 主機(jī)隔振器蠕變周期較長(zhǎng)，不利于安裝時(shí)掌握。

③ 中間軸承底腳螺栓中鉸制螺栓(銷)數(shù)量較多，且尺寸大，不利于熱態(tài)膨脹且加大了施工難度。

④ 主動(dòng)力裝置各設(shè)備底腳鉸制螺栓普遍沒有提供鉸制尺寸的允許偏差范圍，造成了實(shí)際操作時(shí)施工和檢驗(yàn)的難度。

3.1 議題1的分析和改進(jìn)

主要影響：由于對(duì)中時(shí)中間支架的隔振器是鎖定的，因此可以認(rèn)為是剛性的，但實(shí)際安裝完畢后的狀態(tài)卻是彈性的。且中間支架兩端掛重不一致，最終使對(duì)中數(shù)據(jù)發(fā)生變化。且在使用過程中，由于主機(jī)和中間支架隔振器的蠕變不一致，實(shí)際對(duì)中數(shù)據(jù)可能會(huì)處于一種不是很穩(wěn)定的變化之中。這些都容易產(chǎn)生不易查知的對(duì)中數(shù)據(jù)的超差，造成損害。

建議改進(jìn)方式：中間支架和主機(jī)共用一個(gè)支架，且剛性安裝在支架上，支架與基座間采用隔振器安裝。這種方式可以避免高彈聯(lián)軸器、中間支架及隔振器之間由于不平衡力造成的異常振動(dòng)，從而有利于設(shè)備全壽命運(yùn)行。同樣也可以減輕中間支架的振動(dòng)向船體結(jié)構(gòu)的傳遞。主機(jī)、中間支架對(duì)中安裝可以在內(nèi)場(chǎng)進(jìn)行，這樣能夠極大簡(jiǎn)化安裝工藝，提高可靠性，縮短施工時(shí)間。

3.2 議題2的分析和改進(jìn)

主要影響：由于主機(jī)隔振器是橡膠為主體，在使用中被發(fā)現(xiàn)其蠕變過程較長(zhǎng)，時(shí)間甚至多于一年。這對(duì)后續(xù)使用相當(dāng)不利，容易使中間支架和主機(jī)之間產(chǎn)生不平衡力，發(fā)生異常振動(dòng)，進(jìn)而造成損害。在之前已經(jīng)發(fā)生過此類先例，比如曾導(dǎo)致該型艦船中的某艦1臺(tái)中間支架報(bào)廢，另外一艘艦的1臺(tái)中間支架的連接蓋板由于連接螺栓受到周期性拉伸，產(chǎn)生了疲勞斷裂。

建議改進(jìn)方式：

(1) 同第一個(gè)問題的解決方案，即中間支架和主機(jī)共用一個(gè)隔振器支架。理由同前面所述。因此，該方案可同時(shí)消除議題1、2中出現(xiàn)的問題，是一個(gè)相當(dāng)重要的變革。

(2) 更換隔振器型式，采用氣囊式、液壓式或者金屬阻尼等其他無蠕變情況的隔振器，以消除蠕變的影響。

3.3 議題3的分析和改進(jìn)

主要影響：中間軸承底腳螺栓中鉸制螺栓(銷)數(shù)量較多，均布于整個(gè)底腳，并且其螺栓性能等級(jí)較高(12.9級(jí))，尺寸又較大，這些都加大了施工難度?？紤]到該設(shè)計(jì)是沿襲了原進(jìn)口設(shè)備的設(shè)計(jì)，而目前均已經(jīng)改為國(guó)產(chǎn)設(shè)備，應(yīng)根據(jù)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以期簡(jiǎn)化工藝。下面就底腳鉸制螺栓(銷)數(shù)量的問題進(jìn)行分析研究。

說明：以鉸制螺栓(銷)數(shù)量最多、負(fù)荷最大的1號(hào)中間軸承為例參照GJB1060.1-91標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行抗沖擊計(jì)算。

分析：根據(jù)嚴(yán)酷度，進(jìn)行拉伸和剪切兩種情況的分析，忽略螺栓的受壓情況。

計(jì)算假設(shè):根據(jù)GJB1060.1-91標(biāo)準(zhǔn)描述，對(duì)于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，校核計(jì)算可通過動(dòng)力學(xué)分析進(jìn)行。將近似為線彈性的分析系統(tǒng)簡(jiǎn)化為承受給定沖擊輸入的質(zhì)量，即彈簧系統(tǒng)以便于計(jì)算。同時(shí)，本計(jì)算僅進(jìn)行軸承定位銷及底腳螺栓的校核，因此按GJB1060.1-91標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于設(shè)備固定件、定位件以及機(jī)腳的分析為設(shè)備質(zhì)量的描述，假設(shè)該處軸承負(fù)荷及軸承重量的質(zhì)量中心均位于軸承中心處，將此次計(jì)算模型簡(jiǎn)化為單質(zhì)量模型。

計(jì)算分析:在沖擊狀態(tài)下，對(duì)于軸承底腳鉸制螺栓(銷)的沖擊，有橫向和垂向兩種沖擊。計(jì)算主要按GJB1060.1-91標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算底腳鉸制螺栓(銷)的截面積，以此核算數(shù)量。

3.3.1 橫向沖擊計(jì)算

(1) 總質(zhì)量。

M=軸承重量+軸段重量(按冷態(tài)時(shí)軸承負(fù)荷×110%計(jì)算)= 1 085kg+6 488.65kg= 7 573.65kg。

(2) 沖擊加速度計(jì)算。

按標(biāo)準(zhǔn)，中間軸承應(yīng)屬于彈性設(shè)計(jì)。設(shè)備安裝部位：船體部位；沖擊方向：橫向。因此得出：

Aa=0.4A0=1.0×196.2×(17.01+ma)(5.44+ma)/(2.72+ma)2

因?yàn)榍懊婕僭O(shè)系統(tǒng)為單質(zhì)量系統(tǒng)，且為平行軸承底座最小截面方向的沖擊力，因此模態(tài)質(zhì)量ma=M。

代入公式得Aa=248.44

Va=0.4V0=0.4×1.52×(5.44+ma)/(2.72+ma)=0.799

說明：按標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)取Aa及Va×ωa(ωa為固有圓頻率)中小者為設(shè)計(jì)加速度Da，由于缺乏固有頻率數(shù)值，故直接取Aa為Da值，即Da=248.44m/s2。

(3) 沖擊力計(jì)算。

因此：F=M×Da=7 573.65kg×248.44m/s2=1 881.6kN。

螺栓及定位銷為12.9級(jí)的機(jī)械性能等級(jí)，因此σ0.2=1 100N/mm2。根據(jù)GB3098.1-82，當(dāng)屈服點(diǎn)σs不能測(cè)定時(shí)，允許以測(cè)量屈服強(qiáng)度σ0.2的方法代替。因此其最小屈服極限σs=1 100N/mm2，取[σs]=最小屈服極限σs=1 100N/mm2。

允許剪切強(qiáng)度[τ]取0.2[σs]=220N/mm2(系數(shù)可取范圍為0.286～0.2)。

在取允許剪切強(qiáng)度[τ]時(shí)，對(duì)螺栓或定位銷要求的直徑是最大的，計(jì)算此時(shí)的螺栓截面積：F=[τ]×S。

代入數(shù)據(jù)：1 881.6kN=220N/mm2×S

得出：S=8 553mm2

即要求螺栓的總截面積不小于8 553mm2。

以目前所用的鉸制螺栓(銷)的尺寸核算，橫向沖擊時(shí)，鉸制螺栓的加強(qiáng)桿和銷本體受沖擊，鉸制螺栓的加強(qiáng)桿直徑為66mm，每個(gè)截面積為S=3.1415×d2/4=3 421.1mm2。

可見，2.5個(gè)鉸制螺栓可以滿足。

3.3.2 垂向沖擊計(jì)算

方向同上，得出結(jié)果是：要求螺栓的總截面積不小于4 276.36mm2。

分析：以目前所用的鉸制螺栓(銷)的尺寸核算，垂向沖擊時(shí)，鉸制螺栓最細(xì)的螺紋部分受的拉力最薄弱，其底徑為50mm，而銷可認(rèn)為不參與抗拉。鉸制螺栓每個(gè)截面積為S=3.1415×d2/4=1 963.44mm2。

可見，2.18個(gè)鉸制螺栓可以滿足使用。

下面再計(jì)算一下如用4個(gè)鉸制螺栓，最小可鉸孔至少多大，假設(shè)直徑為d，且負(fù)荷平均分配，加強(qiáng)桿計(jì)算最大。

則：總截面積/4=8 553mm2/4=2 138.25mm2=3.1415×d2/4。

計(jì)算得d=52.2mm

目前2號(hào)中間軸承有4個(gè)M56的鉸制螺栓(加強(qiáng)桿直徑為66mm)和4個(gè)鉸制銷(直徑為60mm)，根據(jù)以上計(jì)算分析，建議進(jìn)行以下修改：

(1) 取消定位銷。

(2) 鑒于2號(hào)中間軸承重量同于1號(hào)中間軸承，負(fù)荷略小于1號(hào)中間軸承，因此保持和1號(hào)中間軸承一致即可，即仍為4個(gè)同規(guī)格鉸制螺栓。

3.4 議題4的分析和改進(jìn)

主要影響：主動(dòng)力裝置各設(shè)備底腳鉸制螺栓普遍沒有提供鉸制尺寸的允許偏差范圍。由于現(xiàn)場(chǎng)操作的位置限制，加上目前的工藝、工裝水平，在現(xiàn)場(chǎng)鉸孔施工中難以做到和名義尺寸一致，增加了實(shí)際操作時(shí)施工和檢驗(yàn)的難度。

建議改進(jìn)方式：增加施工操作時(shí)的允許誤差范圍，因?yàn)殂q制螺栓是根據(jù)鉸制孔加工的，因此配合不會(huì)有問題。至于范圍，建議為理論尺寸的-4mm～+4mm范圍內(nèi)。

前面已經(jīng)計(jì)算過，在采用4個(gè)鉸制螺栓的情況下，鉸制螺栓加強(qiáng)桿的最小直徑為52.2mm，要求為66mm，因此理論尺寸的0～-4mm范圍是可以使用的。下面就鉸孔增大對(duì)于中間軸承底腳的影響進(jìn)行分析，以1號(hào)中間軸承底腳鉸制螺栓鉸孔為例進(jìn)行核算。

說明：仍參照GJB1060.1-91標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗沖擊計(jì)算。

計(jì)算假設(shè)：同樣根據(jù)GJB1060.1-91標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)該處軸承負(fù)荷及軸承的質(zhì)量中心均位于軸承中心處，將此次計(jì)算模型簡(jiǎn)化為單質(zhì)量模型。

計(jì)算分析：在沖擊狀態(tài)下，對(duì)于軸承底座的沖擊，主要是螺栓對(duì)于底座的反向沖擊，其中垂向沖擊應(yīng)計(jì)算螺栓頭處底座受壓部位材料抗壓強(qiáng)度。下面分別進(jìn)行橫向沖擊和縱向沖擊的強(qiáng)度計(jì)算。

3.4.1 橫向沖擊計(jì)算

(1) 總質(zhì)量M。

同樣M= 7 573.65kg。

(2) 沖擊加速度計(jì)算。

同前面的計(jì)算分析Da=248.44m/s2。

(3) 沖擊力計(jì)算。

因此：F=M×Da=7 573.65kg×248.44m/s2=1 881.6kN。

由于每個(gè)中間軸承由4個(gè)鉸制螺栓(假設(shè)1號(hào)中間軸承取消4個(gè)定位銷)定位，假設(shè)受力分配按鉸制螺栓加強(qiáng)桿直徑大小進(jìn)行分配，并假設(shè)其它3個(gè)直徑均小于理論值4mm。則加強(qiáng)桿直徑大于理論值4mm的螺栓受到的沖擊力為

F′=F×70/(70+62×3)=515.5kN。

并且，可用以下公式表示：F=P·S(P表示底座螺孔處的平均壓力)。

代入數(shù)據(jù)，則F=515.5kN=P·95×70mm2(軸承底座厚100mm，考慮到螺栓頭處5mm的退刀槽，因此取95mm；66mm為鉸制螺栓加強(qiáng)桿直徑)。

因此計(jì)算得P=77.57×106N/m2。

中間軸承底座材料為ZG230-450H，其最小屈服極限σs=230.46 ×106N/m2，取[σs]=最小屈服極限σs=230.46 ×106N/m2。

可見：P<[σs]。

按介紹，鑄鐵抗壓強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度的4～5倍以上，而低碳鋼抗壓的強(qiáng)度極限遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度。因此，橫向沖擊時(shí)，僅保留4個(gè)鉸制螺栓不會(huì)影響中間軸承的正常使用。

3.4.2 垂向沖擊計(jì)算

(1) 總質(zhì)量M。

同樣M= 7 573.65kg

(2) 沖擊加速度計(jì)算。

同前面的計(jì)算分析Da=621.1m/s2

(3) 沖擊力計(jì)算。

底座螺栓頭處受壓面積(以鉸孔尺寸為理論尺寸+4mm計(jì)算，此時(shí)受力面積最小，因此沖擊壓強(qiáng)最大)：2 409mm2。

垂向沖擊時(shí)沖擊力按前面計(jì)算結(jié)果：F=4 704kN。

假設(shè)平均分配至4個(gè)螺栓，即f=1 176kN。

計(jì)算得壓強(qiáng)P=488.37 ×106N/m2。

按前面所述，中間軸承底座材料為ZG230-450H，取[σs]=最小屈服極限σs=230.46 ×106N/m2。P/[σs]=2.1。

同樣，按介紹，鑄鐵抗壓強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度的4～5倍，而低碳鋼抗壓的強(qiáng)度極限遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度。

因此，橫向沖擊時(shí)，當(dāng)鉸制螺栓鉸制孔大于理論值4mm時(shí)不會(huì)影響中間軸承的正常使用。

從上面的計(jì)算分析來看，當(dāng)鉸制螺栓的加強(qiáng)桿處鉸孔較小時(shí)，從軸承底座來講是沒有不利影響的，因此不必考慮。

從以上計(jì)算分析可見：鉸制螺栓鉸制孔加工尺寸為理論尺寸的-4～+4mm范圍內(nèi)是不影響正常使用的。

4 實(shí)踐與成果分析

如果按照以上建議對(duì)安裝工藝進(jìn)行改進(jìn)，將可以提高主機(jī)和中間支架的可靠性，提高整個(gè)動(dòng)力裝置包括軸系的安裝效率，預(yù)計(jì)每艘艦船可節(jié)省約2～4周的碼頭周期。同時(shí)，主機(jī)和中間支架共用隔振器基座的方案在緊急狀態(tài)時(shí)可忽略隔振器蠕變的影響，省略預(yù)壓等工序，對(duì)簡(jiǎn)化戰(zhàn)時(shí)維護(hù)與維修有著

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相當(dāng)重要的作用。由此可見，本改進(jìn)方案具有良好的經(jīng)濟(jì)及軍事效益。

5 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代造船科技的發(fā)展，造船工藝的改進(jìn)提高和不斷完善始終貫徹于我們艦船建造的整個(gè)過程?？茖W(xué)合理的造船工藝將更加滿足艦船建造的現(xiàn)實(shí)需求，從而給艦船建造質(zhì)量、生產(chǎn)力的提高提供可靠保障和強(qiáng)大動(dòng)力。

[1] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB 1844-93水面艦船主機(jī)軸系安裝驗(yàn)收要求[S].1993.

[2] 全國(guó)船舶標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).CB/Z 338-84 船舶推進(jìn)軸系校中[S].1984.

[3] 中國(guó)船舶工業(yè)總公司.中國(guó)造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(CSQS) [S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.

[4] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

[5] 緊固件國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)匯編[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1987.

Research on Modification and Improvement of Gearing Device Installation of XXX Ship

WANG Feng-liang

(Military Representative Office Stationed in Hudong Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

Based on problems encountered in main propulsion gearing devices of XXX ship during installation and performance, this article is to research and provide modification and improvement plan in order to perfect the relevant crafting.

Intermediate bearing Fitting bolt Flexible coupling

王鳳良(1965-)，男，高級(jí)工程師。

U671

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