羅朝杰 鄭 忠 楊紅軍

（1.滬東重機(jī)有限公司，上海200129；2.新世紀(jì)造船有限公司，江蘇泰州215504；3.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

0 前言

船舶推進(jìn)軸系承擔(dān)著傳遞主機(jī)功率的作用，是船舶的重要組成部分。在船舶修造過程中，世界各大船廠因軸系校中不良，導(dǎo)致主機(jī)拐擋差超標(biāo)、尾管后軸承高溫報(bào)警或振動(dòng)過大等問題。船舶軸系校中質(zhì)量的優(yōu)劣受多種因素的影響，主要因素有：推進(jìn)軸系的校中設(shè)計(jì)、軸系制造加工精度、軸系安裝精度等。為避免后期出現(xiàn)軸系校中質(zhì)量問題，必須先行進(jìn)行軸系校中計(jì)算。在進(jìn)行軸系校中計(jì)算時(shí)，需對(duì)實(shí)際的軸系根據(jù)一定的原則，簡(jiǎn)化為校中計(jì)算模型。中間軸承、主軸承和尾管前軸承，一般都可以簡(jiǎn)化成單支點(diǎn)模型，且支撐點(diǎn)可以放在軸瓦的中心處。但尾管后軸承因受螺旋槳懸臂作用，作用力中心后移，且軸頸中心存在撓曲變形，其建模相對(duì)復(fù)雜，有多種建模方法。針對(duì)尾管后軸承，本文分別建立了單點(diǎn)支撐模型、雙點(diǎn)支撐模型、多點(diǎn)支撐模型，以分析不同尾管后軸承模型對(duì)校中計(jì)算的影響［1-3］。

1 軸系校中的原理和方法

船舶軸系校中計(jì)算，可以認(rèn)為是軸系設(shè)計(jì)的一部分或軸系校中設(shè)計(jì)。這是按一定的要求和方法，將軸系鋪設(shè)成某種狀態(tài)，使所有軸承上的負(fù)荷及各軸段內(nèi)的應(yīng)力均處于允許的范圍之內(nèi)，或具有最佳的數(shù)值，從而確保軸系能夠持續(xù)正常的運(yùn)轉(zhuǎn)。

船舶主推進(jìn)軸系校中按照軸系校中原理，目前可分為3種：軸系直線校中、軸系軸承負(fù)荷校中、軸系合理校中。超大型民用船舶推進(jìn)軸系一般采用合理校中。軸系合理校中是把軸承負(fù)荷、螺旋槳軸在尾管后軸承處的相對(duì)傾角、軸彎曲應(yīng)力作為限制條件，同時(shí)滿足主機(jī)廠家的要求，通過理論計(jì)算，以確定軸承的理論高度，并使得軸承在運(yùn)行工況下都有合理的負(fù)荷。其采用的計(jì)算方法有三彎矩法、傳遞矩陣法和有限元法等［4-5］。

對(duì)于以兩沖程柴油機(jī)為主機(jī)的船舶推進(jìn)軸系而言，軸系校中的目標(biāo)為：

1）所有軸系軸承和主軸承都有負(fù)荷，且在合理范圍內(nèi)（所有軸承不可以脫空）。

2）對(duì)尾管后軸承的傾斜安裝或尾管的斜鏜孔給出指導(dǎo)意見。

3）柴油機(jī)所有氣缸的拐擋差滿足專利公司的要求。

2 不同尾管后軸承模型對(duì)軸系校中計(jì)算結(jié)果的比較

2.1 算例

以某113000 DWT油輪推進(jìn)軸系為例，使用WinGD 6×62主機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳，額定功率11199 kW，額定轉(zhuǎn)速84.5 r/min。軸系中設(shè)置有尾管后軸承、尾管前軸承、中間軸承。該船軸系布置圖如圖1所示。

圖1 113000 DWT油輪軸系布置圖

對(duì)實(shí)際的推進(jìn)軸系進(jìn)行簡(jiǎn)化，并考慮以下邊界條件：

1）對(duì)螺旋槳軸末端點(diǎn)至尾密封處之間的軸段統(tǒng)一考慮海水浮力的影響；

2）對(duì)尾密封處至尾管前軸承之間的軸段統(tǒng)一考慮滑油浮力的影響；

3）主機(jī)曲軸的校中模型按照WinGD推薦；

4）所有主軸承的徑向剛度、間隙、承載面積、最大允許壓力保持一致。

本文使用EnDyn軟件建立軸系校中計(jì)算模型。它是一款基于有限元法并搭建3D軸系模型以進(jìn)行船舶推進(jìn)軸系軸向振動(dòng)計(jì)算、回旋振動(dòng)計(jì)算和軸系校中計(jì)算的專業(yè)軟件。該軟件內(nèi)置有WinGD兩沖程柴油機(jī)的曲軸模型，如果主機(jī)不是WinGD的兩沖程機(jī)，則用戶需要自行定義曲軸模型。在進(jìn)行軸系振動(dòng)及校中計(jì)算時(shí)，飛輪、調(diào)頻輪、扭振減振器、中間軸、螺旋槳軸和螺旋槳的參數(shù)需要用戶自行定義。建立的軸系校中計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 適用于各計(jì)算方案的通用計(jì)算模型

為了比較不同尾管后軸承的校中模型對(duì)校中計(jì)算結(jié)果的影響，針對(duì)尾管后軸承，采用不同的模型進(jìn)行校中計(jì)算（如表1所示），分別將其簡(jiǎn)化為單支點(diǎn)、雙支點(diǎn)和多支點(diǎn)模型，并對(duì)各計(jì)算方案的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。所謂尾管后軸承的單支點(diǎn)模型，就是將尾管后軸承簡(jiǎn)化為一個(gè)支點(diǎn)。其支點(diǎn)位置，一般為距離尾管后軸承后端1/7～1/3的軸承有效長(zhǎng)度；尾管后軸承的雙支點(diǎn)模型就是將尾管后軸承簡(jiǎn)化為兩個(gè)支點(diǎn)，分別位于尾管后軸承的最前端和最后端；尾管后軸承的多支點(diǎn)模型就是將尾管后軸承簡(jiǎn)化為多個(gè)支點(diǎn)。

表1 計(jì)算方案

方案1中所有主軸承和軸系軸承的偏移量都設(shè)定為0，方案2、3、4中所有主軸承和軸系軸承的偏移量設(shè)定值保持一致。

2.2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

軸系校中通常要計(jì)算冷態(tài)、熱態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)這三種工況進(jìn)行校中計(jì)算。冷態(tài)是指螺旋槳安裝完成，軸系連接完成，主機(jī)未運(yùn)行；熱態(tài)是指螺旋槳安裝完成，軸系連接完成，主機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后剛剛停止；運(yùn)行狀態(tài)是指整個(gè)推進(jìn)軸系處于工作狀態(tài)。通常情況根據(jù)熱態(tài)下尾管后軸承和螺旋槳軸之間的相對(duì)傾角來決定尾管后軸承中心傾斜安裝的具體數(shù)值，因此以熱態(tài)的計(jì)算結(jié)果作對(duì)比分析。4種方案在熱態(tài)工況下各軸承負(fù)荷和尾管后軸承節(jié)點(diǎn)處點(diǎn)斜度及軸承斜度計(jì)算結(jié)果對(duì)比分別如表2和表3所示。所謂軸承斜度，就是尾管后軸承前后端中心點(diǎn)連線的斜率。雙支點(diǎn)模型和多支點(diǎn)模型在建模時(shí)，將軸承中心線傾斜值體現(xiàn)為支點(diǎn)高度的差異，作為校中計(jì)算的輸入條件。

分析表2、表3，可以得出如下結(jié)論：

1）4種方案計(jì)算結(jié)果之間的差異主要體現(xiàn)在尾管前后軸承、中間軸承和靠近輸出端三道主軸承上，對(duì)其余主軸承的影響很小；

2）方案3、4之間的差異主要體現(xiàn)在尾管前后軸承上，對(duì)中間軸承和主軸承的影響很?。?/p>

3）方案1計(jì)算的尾管前軸承的負(fù)載為0，也就是前軸承脫空，說明本項(xiàng)目直線校中是不合理的；

表2 四種方案在熱態(tài)工況下各軸承負(fù)荷計(jì)算結(jié)果對(duì)比 kN

表3 4種方案在熱態(tài)工況下尾管后軸承斜度計(jì)算對(duì)比

4）CCS規(guī)定，在尾管后軸承支點(diǎn)處，螺旋槳軸與尾管后軸承的相對(duì)傾角，在靜態(tài)條件下不超過0.35 mrad。不同的尾管后軸承的校中計(jì)算模型可能會(huì)有不同的軸承中心傾斜值的推薦。

3 結(jié)語

通過分析熱態(tài)下的軸系校中計(jì)算結(jié)果有如下發(fā)現(xiàn)：

1）合理校中計(jì)算方法可以避免軸承脫空的情況，明顯優(yōu)于直線校中計(jì)算方法；

2）在合理校中計(jì)算中，不同尾管后軸承校中計(jì)算模型，只對(duì)尾管前后軸承負(fù)荷有影響，而對(duì)主機(jī)軸承負(fù)荷幾乎無影響；

3）不同尾管后軸承校中計(jì)算模型對(duì)尾管后軸承傾斜設(shè)置的具體數(shù)值甚至是否做傾斜設(shè)置有一定影響。