鄧義斌 楊小鋼 黃燕玲 朱漢華 范世東

(武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢市船舶檢驗(yàn)所2) 武漢 430030)

0 引 言

船舶推進(jìn)裝置安裝是船舶建造過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，其安裝質(zhì)量直接影響船舶的推進(jìn)性能，為此造船企業(yè)形成較為完整的安裝工藝流程和質(zhì)量控制措施，各船級(jí)社都制定較為嚴(yán)格的安裝檢驗(yàn)規(guī)范[1-3].但受限于船舶建造的精度，主機(jī)實(shí)際安裝高度與設(shè)計(jì)高度會(huì)產(chǎn)生偏差[4-6].該偏差將影響軸系校中質(zhì)量[7-8]，同時(shí)在一定程度上壓縮中間軸承調(diào)整的試錯(cuò)空間，增大軸系的裝調(diào)難度，導(dǎo)致軸系安裝工期長(zhǎng)、裝調(diào)效率低，文獻(xiàn)[9]報(bào)道某輪中間軸承調(diào)整用時(shí)長(zhǎng)達(dá)35 d的情況.因此,分析主機(jī)安裝高度偏差對(duì)軸系裝調(diào)的影響，對(duì)于制定合理的裝調(diào)決策、提高船舶推進(jìn)裝置的安裝質(zhì)量和效率具有重要意義.

1 主機(jī)安裝高度偏差原因

以國(guó)內(nèi)造船廠應(yīng)用較為廣泛的艉艏安裝工藝為例來(lái)說(shuō)明船舶推進(jìn)裝置安裝過(guò)程，船舶下水前，先在船臺(tái)確定軸系理論中心線，確定軸系理論中心線通常采用以艏、艉兩基準(zhǔn)點(diǎn)作為依據(jù)的拉線法或光學(xué)法；然后按已確定的理論中心線在船體上鏜孔以便軸系進(jìn)入船體，再安裝艉軸管、艉軸、艉軸承等裝置；船舶下水后，以艉軸端為基準(zhǔn)，按規(guī)定的偏移值和曲折值由艉至艏逐個(gè)軸段進(jìn)行聯(lián)接，找準(zhǔn)主機(jī)及吊裝，開(kāi)展軸系校中，如果校中檢驗(yàn)不合格，則需要根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)制定調(diào)整方案.通過(guò)調(diào)整中間軸承高度或甚至調(diào)整主機(jī)高度重新找準(zhǔn)主機(jī)，直至校中檢驗(yàn)合格，然后固定主機(jī)，其主要流程見(jiàn)圖1.

圖1 船舶軸系艉艏安裝工藝流程圖

基于該工藝流程主機(jī)安裝高度偏差產(chǎn)生的原因?yàn)椋孩佥S系理論中心線是在船臺(tái)上確定的，但船舶下水后船體支撐狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致船體發(fā)生變形，按變形前確定的位置安裝主機(jī)則會(huì)產(chǎn)生偏差;②主機(jī)吊裝后由于重量增加使安裝主機(jī)分段的船體局部發(fā)生變形，同理該變形也產(chǎn)生偏差;③由于加工及安裝精度不易控制，難以避免存在偏差.

2 主機(jī)高度偏差影響

2.1 軸系受力

設(shè)軸段端面的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)可由軸系垂向位移z、截面轉(zhuǎn)角θ、彎矩M和剪力T表示.軸段僅受重力影響、受集中載荷單元與支承單元的傳遞矩陣分別如式(1)～式(3)所示[10-12].

(2)

(3)

式中：li為第i軸段單元的長(zhǎng)度;qi為第i軸段單元的均布載荷;EIi為第i軸段單元的抗彎剛度；P為集中載荷；ke為支承的等效剛度；δ為某軸承安裝前向下的移動(dòng)量.結(jié)合連續(xù)條件(4)，便可求出任意單元端面的狀態(tài)參量與初始量的關(guān)系(5).

(4)

(5)

式中：ti為第i單元的傳遞矩陣.

對(duì)于主機(jī)端支承，使得其變位z0=1，其他參量取0，列出軸承跨距累積矩陣，可得式(6).

(6)

綜合式(1)～式(6)，可得主機(jī)高度偏差大小對(duì)各軸承受力的影響：①當(dāng)軸系材料僅發(fā)生彈性形變時(shí)，主機(jī)高度變化與各軸承受力變化為線性關(guān)系；②各支承等效剛度大小相近時(shí)，主機(jī)高度偏差對(duì)各軸承受力的影響從艏向艉傳遞隨距離增大逐漸變小，并且相鄰軸承的影響因子不同號(hào).

2.2 變位調(diào)整

1) 中間軸承變位試錯(cuò)空間 根據(jù)船級(jí)社相關(guān)規(guī)范，軸承受力應(yīng)處于軸系校中計(jì)算書(shū)設(shè)計(jì)值允許的偏差范圍內(nèi).僅考慮單個(gè)軸承自身的受力與變位條件下，當(dāng)主機(jī)及各軸承均位于設(shè)計(jì)高度時(shí)各軸承變位試錯(cuò)空間是以設(shè)計(jì)軸承高度為基準(zhǔn)點(diǎn)，由軸承受力允許偏差確定的軸承變位上下限；而當(dāng)主機(jī)安裝高度存在偏差各軸承仍位于設(shè)計(jì)高度時(shí)，根據(jù)2.1分析，該偏差將使軸承受力偏離設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致試錯(cuò)空間發(fā)生平移，此時(shí)如果仍按原來(lái)的試錯(cuò)空間去調(diào)整軸承變位，則會(huì)出現(xiàn)小部分空間不能滿足軸承受力的規(guī)范，此時(shí)試錯(cuò)空間應(yīng)縮小為平移前后的交集，見(jiàn)圖2.

圖2 軸承變位試錯(cuò)空間變化示意圖

2) 主機(jī)變位決策 主機(jī)高度偏差在壓縮中間軸承試錯(cuò)空間的同時(shí)，也會(huì)影響艉軸承受力，當(dāng)偏差過(guò)大時(shí)，將導(dǎo)致艉軸承受力超出規(guī)范允許的范圍，而艉軸端作為基準(zhǔn)一般不作調(diào)整，使軸系安裝基準(zhǔn)點(diǎn)的艉軸承受力超出規(guī)范的主機(jī)高度偏差稱為臨界高度偏差，當(dāng)主機(jī)安裝高度偏差超出臨界偏差時(shí)需要先調(diào)整主機(jī)高度以降低軸系校中難度.

3 實(shí)例計(jì)算

3.1 各軸承受力影響計(jì)算

以一艘汽車(chē)滾裝船推進(jìn)軸系為實(shí)例進(jìn)行計(jì)算.該輪軸系布置見(jiàn)圖3，全長(zhǎng)54.3 m，設(shè)有三個(gè)中間軸承和三個(gè)艉軸承，軸系的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

圖3 推進(jìn)軸系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1 各材料力學(xué)性能參數(shù)

按軸系的設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)定艉軸承與中間軸承高度均為0 mm，主機(jī)及曲軸高度設(shè)為軸系計(jì)算書(shū)的給定數(shù)值，用傳遞矩陣法計(jì)算得到主機(jī)高度偏移+0.1 mm時(shí)各軸承受力變化值見(jiàn)表2各軸承受力的影響規(guī)律與理論分析結(jié)果完全一致，1#和2#艉軸承與主機(jī)距離較遠(yuǎn)，主機(jī)安裝高度偏差對(duì)其受力的影響可忽略不計(jì).

表2 各軸承受主機(jī)高度偏差的受力影響因子 單位：kN

3.2 各中間軸承調(diào)整試錯(cuò)空間影響計(jì)算

根據(jù)2.2的分析條件，分別計(jì)算主機(jī)安裝高度無(wú)偏差與偏差+0.1 mm時(shí)軸承變位試錯(cuò)空間變化見(jiàn)表3.

表3 中間軸承試錯(cuò)空間變化

主機(jī)高度無(wú)偏移時(shí)，各中間軸承受力允許范圍為設(shè)計(jì)值的±20%.主機(jī)高度偏差+0.1 mm時(shí)，中間軸承受力將偏離設(shè)計(jì)值，稱其為標(biāo)準(zhǔn)值，將標(biāo)準(zhǔn)值加上設(shè)計(jì)值的±20%，可求得按原變位調(diào)整軸承受力的最大值與最小值.通過(guò)各中間軸承自身受力變化影響因子及允許受力范圍，可求得各中間軸承在設(shè)計(jì)值時(shí)上下調(diào)整的空間.取主機(jī)高度正常與偏移+0.1 mm時(shí)的試錯(cuò)空間交集，可得到主機(jī)高度變化+0.1 mm時(shí)，1#、2#和3#中間軸承試錯(cuò)空間分別減小0.026，0.18，0.34 mm，試錯(cuò)空間分別壓縮了0.8%，0.19%，18.9%.

3.3 主機(jī)高度臨界偏差計(jì)算

按2.2的分析，假設(shè)所有艉軸承高度均為0 mm，各中間軸承支撐點(diǎn)連線為直線，3#艉軸承受力超出規(guī)范允許的范圍時(shí)達(dá)到臨界狀態(tài).若主機(jī)安裝高度無(wú)偏差，則軸系安裝狀態(tài)為如圖4所示的水平直線；主機(jī)安裝高度有偏差時(shí)，軸系安裝狀態(tài)為如圖4所示的斜線.

圖4 軸系軸線狀態(tài)變化

由主機(jī)高度偏差引起的各中間軸承高度的變化可以利用相似三角形計(jì)算得到，并由此計(jì)算得到主機(jī)高度偏差分別為-0.8 mm和+13.5 mm時(shí)，3#艉軸承受力分別達(dá)到設(shè)計(jì)值的±20%上限和下限.當(dāng)主機(jī)高度偏差超出臨界范圍時(shí)，將極大地增加軸系校中難度，甚至導(dǎo)致校中失敗，此時(shí)應(yīng)先調(diào)整主機(jī)高度，再進(jìn)行軸系校中.

4 軸系裝調(diào)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證及理論依據(jù)

4.1 軸系裝調(diào)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證

由于在實(shí)際安裝過(guò)程中無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得主機(jī)安裝高度偏差，只能測(cè)量各軸承受力.因此，根據(jù)各軸承受力來(lái)制定是否調(diào)整主機(jī)高度的決策是軸系裝調(diào)過(guò)程中需要面對(duì)的問(wèn)題.通過(guò)調(diào)研得知，針對(duì)該船型，船廠技術(shù)人員實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為：當(dāng)各中間軸承所受支反力平均值與最靠近主機(jī)的艉軸承所受支反力大致相當(dāng)時(shí)，一般不需要調(diào)整主機(jī)安裝高度，適宜直接開(kāi)展中間軸承的調(diào)整工作.該經(jīng)驗(yàn)知識(shí)可表示為

F1+F2+F3=KF4

(7)

式中：F1為1#中間軸承受力；F2為2#中間軸承受力；F3為3#中間軸承受力；F4為3#艉軸承受力；K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù).

為驗(yàn)證該經(jīng)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，按3.3的分析條件進(jìn)行計(jì)算得到經(jīng)驗(yàn)系數(shù)K=3.15，與經(jīng)驗(yàn)描述相近，說(shuō)明船廠技術(shù)人員的裝調(diào)經(jīng)驗(yàn)是較為準(zhǔn)確的.

4.2 軸系裝調(diào)經(jīng)驗(yàn)的理論依據(jù)

為建立主機(jī)高度偏差與經(jīng)驗(yàn)系數(shù)K之間的關(guān)系，找到軸系校中工作難度不大的K值范圍，分別計(jì)算主機(jī)高度偏差從-0.4 mm～+3 mm時(shí)的K值，結(jié)果見(jiàn)圖5.隨著主機(jī)高度增加，K呈下降趨勢(shì).由于3#中間軸承距主機(jī)最近，主機(jī)高度偏差對(duì)其受力影響最大，計(jì)算得到不同主機(jī)高度偏差時(shí)其受力變化趨勢(shì)見(jiàn)圖6，假定3#中間軸承處于設(shè)計(jì)高度，若其受力在規(guī)范允許的偏差內(nèi)說(shuō)明主機(jī)高度偏差在可接受的范圍內(nèi)，中間軸承調(diào)整難度不大.根據(jù)3#中間軸承受力的允許偏差計(jì)算得到主機(jī)高度偏差分別為-0.2 mm和+0.8 mm，K值分別為2.7和3.25，即認(rèn)為當(dāng)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)K值位于為2.7～3.25區(qū)間時(shí)，較為適宜進(jìn)行中間軸承的校中調(diào)整，從而在中間軸承的調(diào)整難度與主機(jī)安裝精度要求之間取得較好的平衡.

圖5 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)K值變化曲線

圖6 3#中間軸承受力變化曲線

5 結(jié) 論

1) 通過(guò)軸系力學(xué)理論分析可知，主機(jī)高度偏差對(duì)各軸承受力的影響為線性變化，并且從艏向艉傳遞時(shí)會(huì)隨距離增大逐漸變小，相鄰軸承的影響因子正負(fù)交替；以實(shí)船為例計(jì)算得到各軸承的影響因子.

2) 主機(jī)安裝高度偏差會(huì)壓縮軸承變位調(diào)整的試錯(cuò)空間，實(shí)例計(jì)算結(jié)果顯示主機(jī)高度發(fā)生+0.1 mm變化時(shí)，1#、2#和3#中間軸承試錯(cuò)空間分別壓縮了0.8%、0.19%、18.9%；此外過(guò)大的主機(jī)安裝高度偏差將使靠近主機(jī)端的艉軸承負(fù)荷超出規(guī)范要求的范圍，此時(shí)需要先調(diào)整主機(jī)高度再進(jìn)行軸系校中工作.

3) 通過(guò)該實(shí)例船型軸系裝調(diào)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的探討和分析，認(rèn)為當(dāng)各中間軸承受力之和是3#艉軸承受力的2.7～3.25倍時(shí)，中間軸承調(diào)整難度與主機(jī)安裝精度要求取得較好的平衡，適宜開(kāi)展中間軸承的校中調(diào)整.