徐東洋 劉 皓

（1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院 上海201306；2.江南造船集團(tuán)有限責(zé)任公司 上海201913）

引 言

船舶軸系是指從主機(jī)飛輪端到螺旋槳之間的軸及軸承等附件的統(tǒng)稱，承擔(dān)著將主機(jī)發(fā)出的功率傳遞給螺旋槳，以克服螺旋槳在水中轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力矩，同時(shí)又把螺旋槳產(chǎn)生的推力再傳遞給船體，實(shí)現(xiàn)船舶的前進(jìn)或后退。軸系工作的好壞將直接影響船舶的正常航行，并對(duì)主機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)有直接關(guān)系，所以軸系在制造和安裝過程中都有較高的技術(shù)要求。［1］本文根據(jù)相關(guān)工藝并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)76 000噸級(jí)散貨船軸系的安裝及校中流程和方法進(jìn)行闡述。

1 船型相關(guān)參數(shù)

該型船主機(jī)型號(hào)為MAN B &W 5S60MC-MK6，軸系主要由中間軸、螺旋槳軸、中間軸承和螺旋槳等組成，主機(jī)和軸系以及軸系之間采用固定法蘭連接，構(gòu)成直接傳動(dòng)型式。動(dòng)力裝置的安裝沿用傳統(tǒng)的安裝工藝，先安裝軸系再安裝主機(jī)。傳動(dòng)軸系的主要參數(shù)：中間軸長(zhǎng)度7 390 mm，直徑450 mm，螺旋槳軸長(zhǎng)度6 100 mm，基本直徑530 mm。

2 軸系理論中心線

2.1 確定軸系理論中心線的條件

由于軸系安裝質(zhì)量對(duì)于船舶正常航行具有巨大的影響，所以在船舶建造過程中，軸系的安裝需要嚴(yán)格按照相關(guān)的流程和工藝進(jìn)行，確定軸系理論中心線工作對(duì)船體建造進(jìn)度和施工環(huán)境都有嚴(yán)格的要求。對(duì)于船體方面，要求機(jī)艙前壁之后和主甲板以下的船體結(jié)構(gòu)主要焊接和矯正工作全部結(jié)束，機(jī)艙內(nèi)艙柜的密性試驗(yàn)完成，軸系區(qū)域內(nèi)主要設(shè)備的基座焊接安裝完成，設(shè)備就位。對(duì)于周圍環(huán)境方面，為了減小溫度變化引起船體變形的影響，施工需安排在晚上或陰天進(jìn)行并停止周圍發(fā)出嚴(yán)重噪聲和振動(dòng)的作業(yè)。［2］

2.2 拉線法確定軸系中心線

軸系理論中心線是根據(jù)船上的艏、艉基準(zhǔn)點(diǎn)來定位的，如圖1所示。該船的艉基準(zhǔn)點(diǎn)在FR0號(hào)肋位處，艏基準(zhǔn)點(diǎn)在FR33號(hào)肋位處，兩基準(zhǔn)點(diǎn)位于船體中縱剖面內(nèi)，距離基線3 872 mm。在FR33號(hào)肋位船底板上和FR0號(hào)肋位之后分別設(shè)置拉線架，保證艏拉線架可靠固定，在艉拉線架處施力保持鋼絲張緊，調(diào)整鋼絲使其通過艏、艉基準(zhǔn)點(diǎn)，此時(shí)保證了軸系中心線前后兩點(diǎn)距基線均為3 872 mm。由于鋼絲自重產(chǎn)生一定的撓度，為了保持鋼絲的直線性，可以按下式計(jì)算撓度修正值：

式中：Y為撓度修正值，m；

g為鋼絲線單位長(zhǎng)度質(zhì)量，kg/m；

L為鋼絲兩端點(diǎn)間的距離，m；

X為所求撓度位置到端點(diǎn)的距離，m；

G為吊重物，kg。

檢查軸系中心線與舵系中心線的相交度和垂直度，相交度δ≤3 mm，垂直度每米不大于1 mm；測(cè)量中間軸承D處和主機(jī)在E、F、G處的高度來估計(jì)環(huán)氧墊片的厚度；用十字線在尾管端面A、C上畫出鋼絲中心，同時(shí)注意保護(hù)好艏基準(zhǔn)點(diǎn)G點(diǎn)，供照光使用。根據(jù)拉線的結(jié)果，決定艉軸管A、C端面的鏜切量及主機(jī)的實(shí)際安裝位置。［3］

圖1 軸系拉線照光圖

2.3 軸系照光

軸系照光是在拉線的基礎(chǔ)上，提高并復(fù)核軸系中心線的精度及艉軸管的鏜孔中心。在艉基點(diǎn)B處之后放置光學(xué)照光儀，并以B、G點(diǎn)作為基準(zhǔn)校準(zhǔn)光學(xué)儀，使光學(xué)儀的中心線與B、G連線重合。在C端面上焊接校準(zhǔn)螺釘并放上活動(dòng)十字光靶，然后調(diào)整十字光靶，使十字線中心與軸系中心線重合，然后分別在A、C端面上畫出加工圓、檢查圓以及打樣沖眼。

3 艉軸管鏜孔

在安裝鏜削工具前，校準(zhǔn)螺釘以及鏜孔機(jī)械的臨時(shí)支撐都已安裝完畢。根據(jù)艉軸管A、C端面上的檢查圓或加工圓對(duì)鏜孔機(jī)械進(jìn)行校中，鏜削工具與軸系中心線的同軸度公差不大于0.02 mm，安裝完成后按照?qǐng)D紙尺寸開始對(duì)艉軸管進(jìn)行粗鏜、精鏜。在鏜孔過程中，粗加工后必須對(duì)鏜孔機(jī)械再進(jìn)行一次校中，才可以進(jìn)行精鏜，以確保鏜孔中心符合要求。精鏜的切削余量不宜太多，各檔孔徑的最后尺寸應(yīng)一次鏜出，不允許接刀，然后才開始加工前后端面。全部加工完畢后，復(fù)照光檢查鏜孔中心，保證孔中心線與軸系中心線的偏差小于0.08 mm，前后端面與中心線的垂直度每米不大于0.1 mm，最后測(cè)量艉軸管各孔徑尺寸并制作樣棒。［4］

4 艉軸管裝置、艉軸及螺旋槳安裝

4.1 艉軸管安裝

艉軸管軸承外徑加工需按照上述測(cè)量的尺寸和制作的樣棒進(jìn)行，同時(shí)結(jié)合圖紙的工藝要求。該船軸承內(nèi)孔采用巴氏合金材料，軸承與艉軸管為過盈配合，軸承安裝采用液壓拉伸器將軸承壓入艉軸管孔內(nèi)，其壓入方法如圖2所示。

圖2 艉軸承壓裝圖

軸承安裝前，應(yīng)確保艉軸管內(nèi)清潔干凈，檢查液壓拉伸器的安全可靠性，在同溫度下復(fù)查軸承及艉軸管的尺寸是否符合要求。從軸承壓入開始，每壓入50 mm長(zhǎng)度是否都要測(cè)量記錄壓入壓力，隨著壓入面積的增加，壓入油壓力也隨之上升，直到全部壓入到位，其最終壓力應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。壓裝結(jié)束后，要測(cè)量檢查軸承內(nèi)徑變化情況。按圖紙要求鉆眼攻絲，配上制動(dòng)螺絲并安裝溫度傳感器和密封油管等附件。

4.2 艉軸及中間軸吊裝

該船艉軸前端為固定法蘭，必須將軸吊入船內(nèi)向外安裝，在艉軸吊裝前先對(duì)艉軸表面和艉軸管內(nèi)進(jìn)行清潔并涂抹滑油，在吊裝時(shí)要時(shí)刻關(guān)注艉軸進(jìn)入艉軸管的情況，避免艉軸與艉軸承白合金軸瓦碰撞。艉軸安裝到位后，在艉軸前端法蘭后設(shè)置一個(gè)臨時(shí)支撐，以固定艉軸，防止艉軸發(fā)生過大的偏轉(zhuǎn)和竄動(dòng)。安裝到位后，用塞尺測(cè)量檢查艉軸管前后軸承端面上的上下左右四個(gè)位置的間隙，要求數(shù)據(jù)符合技術(shù)要求。吊裝中間軸，并臨時(shí)安裝中間軸承，在中間軸前段設(shè)置臨時(shí)支撐將其固定。

4.3 尾密封裝置安裝

該船艉軸管密封裝置由前密封和后密封兩個(gè)裝置組成。前密封裝置套在艉軸上隨艉軸一起安裝，后密封裝置在艉軸對(duì)中安裝完成后，從后部套入艉軸并安裝。密封裝置安裝緊固后，連接安裝滑油管、冷卻管及閥件等，然后可以進(jìn)行泵油試驗(yàn)。檢查時(shí)在重力油柜中注滿滑油，以油箱內(nèi)油的靜壓力進(jìn)行密性試驗(yàn)，24小時(shí)內(nèi)油位應(yīng)無明顯變化。后密封裝置有3道密封圈，需要對(duì)每一道密封進(jìn)行壓油試驗(yàn)，每道密封密性試驗(yàn)應(yīng)在4小時(shí)以上，且無漏油現(xiàn)象。

4.4 螺旋槳安裝

該船螺旋槳和艉軸采用液壓連接方式，先將螺旋槳吊裝到位，跟艉軸一起放置2小時(shí)左右，使螺旋槳和艉軸溫度基本均衡，然后旋上液壓螺母。按圖3所示連接油泵、安裝千分表等，先對(duì)軸向加壓5 MPa（1號(hào)油泵）后，將2只千分表重新歸零，然后同時(shí)加軸向和徑向壓力（軸向壓力略大于徑向壓力），每壓入0.5 mm記錄一次壓力。當(dāng)螺旋槳壓入到位后，先釋放徑向壓力，保壓30 min，觀察千分表無變化后逐步釋放軸向壓力，確認(rèn)螺旋槳無滑動(dòng)時(shí)即用扳手旋緊液壓螺母，再用錘使螺母向旋緊方向再旋緊10°～15°。安裝液壓螺母止動(dòng)塊、槳帽及鎖緊絲，并向槳帽注入防銹油脂并在其外表面涂抹環(huán)氧水泥。［5］

圖3 螺旋槳安裝圖

5 軸系校中及軸承負(fù)荷測(cè)量

5.1 軸系校中

軸系校中是軸系安裝工作中的重要部分，校中質(zhì)量的好壞對(duì)軸系運(yùn)行具有重大影響［6］。本船在下水之后開始軸系校中工作，校中前先調(diào)節(jié)船舶狀態(tài)，分別向艏、艉壓載艙加水，使得艏吃水為1 m、艉吃水為4 m，使艉軸處于自由狀態(tài)，螺旋槳半浸狀態(tài)。采用圖4所示軸系模型校中，在螺旋槳軸法蘭上施加50 kN的力，調(diào)整臨時(shí)支撐T.S1、T.S2和主機(jī)，使螺旋槳軸和中間軸的法蘭與主機(jī)和中間軸的法蘭的開口（GAP）、偏移（SAG）滿足圖中要求。檢查中間軸承負(fù)荷、主機(jī)甩檔符合設(shè)計(jì)要求。軸系校中完成后，采用低溫冷裝法將螺旋槳軸和中間軸的法蘭，以及中間軸法蘭和主機(jī)飛輪端用螺栓連接并緊固。

圖4 軸系校中模型

圖5 軸承負(fù)荷頂升圖

5.2 軸承負(fù)荷測(cè)量

用頂舉法測(cè)量軸承負(fù)荷，首先脫開軸系臨時(shí)支撐，松開中間軸承蓋以及主機(jī)盤車機(jī)，然后分別用液壓千斤頂頂升圖5所示L1、L2、主機(jī)飛輪端以及第5缸曲柄中心位置，千分表放置于各個(gè)頂升位置上方。注意頂升量不能超過軸承間隙，記錄頂升量與頂升壓力。頂升和下降過程中按照?qǐng)D6畫出壓力-頂升曲線，并求出P1和P2數(shù)值，同時(shí)按公式計(jì)算軸承負(fù)荷，式中：C為修正系數(shù)，A為油缸活塞面積。對(duì)中間軸承和主機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使軸承的實(shí)際負(fù)荷與主機(jī)廠家推薦值在20%之間，檢查主機(jī)甩檔及各主軸承負(fù)荷是否滿足設(shè)計(jì)要求。測(cè)量中間軸承墊片高度，進(jìn)行拂配、鉆孔及安裝工作。［7］

圖6 壓力-頂升曲線

6 軸承負(fù)荷調(diào)整及分析

根據(jù)MAN B &W公司的安裝工藝要求，該船的各檔軸承負(fù)荷范圍要求見表1所示。

表1 軸承負(fù)荷范圍

6.1 艉管前軸承負(fù)荷

按照前面圖5所示安放千斤頂和測(cè)量的千分表，在頂升過程中，油壓每升高20 bar（2 MPa）記錄一次頂升位移，達(dá)到180 bar后，慢慢泄放油壓。同樣20 bar記錄一次數(shù)據(jù)，其繪制的曲線如圖7所示。根據(jù)上述公式計(jì)算可得艉管前軸承負(fù)荷為28.6 kN，數(shù)據(jù)較為理想。同時(shí)觀察曲線可以看出，上升和下降的曲線并不像其他軸承曲線一樣平滑均勻，有些點(diǎn)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動(dòng)。進(jìn)一步分析可得：由于該檔軸承特殊性，在頂升過程中，尾軸管內(nèi)油壓變化、前后尾軸承的影響導(dǎo)致了數(shù)據(jù)波動(dòng)。另外，螺旋槳浮力以及波浪對(duì)螺旋槳沖擊的影響也是導(dǎo)致數(shù)據(jù)波動(dòng)的原因。

圖7 艉管前軸承頂升曲線

6.2 中間軸承負(fù)荷

中間軸承頂升過程中，壓力同樣按照20 bar為間隔進(jìn)行記錄，描繪的曲線如圖8所示，計(jì)算求得中間軸承負(fù)荷為66.3 kN，符合要求。分析曲線可得：在負(fù)荷慢慢轉(zhuǎn)移到千斤頂上時(shí)，軸被抬起的高度變化不大，這與一般常識(shí)相符。隨著負(fù)荷轉(zhuǎn)移到千斤頂上后，頂升位移量隨著壓力的升高迅速變化，這個(gè)“拐點(diǎn)”一般出現(xiàn)在0.05 mm左右。中間軸承的負(fù)荷可以通過調(diào)整中間軸承高度和升降主機(jī)首尾來實(shí)現(xiàn)。在一般情況下，中間軸承升高0.1 mm，其負(fù)荷增加15～20 kN；主機(jī)首部上升0.5 mm或者主機(jī)尾部下降0.1 mm，導(dǎo)致負(fù)荷增加15 kN左右，上述情況反之亦然。

圖8 中間軸承頂升曲線

6.3 主機(jī)軸承負(fù)荷

按照工藝要求，需要調(diào)整主機(jī)最后兩道軸承的負(fù)荷，這兩道軸承在頂升過程中，以40 bar為間隔記錄位移變化。對(duì)于這兩道軸承，一般調(diào)整主機(jī)首尾高度，可以迅速使其負(fù)荷變化。最后一道軸承后面為主機(jī)飛輪，由于飛輪的質(zhì)量較大，主機(jī)運(yùn)行過程中，飛輪旋轉(zhuǎn)會(huì)給最后一道軸承帶來較大的負(fù)荷，所以該道軸承負(fù)荷不宜太大，而最后第二道軸承負(fù)荷可以大一點(diǎn)。具體測(cè)量結(jié)果如圖9、圖10所示，計(jì)算后軸承負(fù)荷分別為23.8 kN和190.5 kN。另外，

圖9 主機(jī)最后檔軸承頂升曲線

7 結(jié) 論

從整個(gè)軸系安裝程序可以看出，這是由軸系安裝精度決定的較復(fù)雜的安裝過程。在安裝過程中要合理分析主機(jī)和軸系的狀態(tài)，同時(shí)也要綜合考慮溫度、波浪、船體振動(dòng)、變形以及船舶吃水等環(huán)境因素的影響。對(duì)于軸承負(fù)荷的調(diào)整，既需要掌握一定的理論基礎(chǔ)，又要有足夠的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，才可以從艉管前軸承逐步向主機(jī)方向調(diào)整，調(diào)整過程中要緩慢升降中間軸承或主機(jī)首尾位置，同時(shí)，對(duì)于頂升曲線中出現(xiàn)的波動(dòng)也要進(jìn)行合理的分析處理。而由于外部環(huán)境不同，每次軸承負(fù)荷的測(cè)量數(shù)據(jù)也會(huì)因時(shí)因地發(fā)生變化。在主機(jī)未連接軸系前，曲軸會(huì)由于自身重力而緊貼下軸瓦，此時(shí)可測(cè)得主機(jī)最后一道軸承的軸瓦間隙，并在軸系安裝后測(cè)量此處間隙，從而初步推斷最后一道軸承負(fù)荷。

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