田春雷,王惠達(dá)

(中船澄西船舶修造有限公司,江蘇 江陰 214400)

0 引言

船舶軸系作為船舶推進(jìn)系統(tǒng)重要組成部分,其運(yùn)行的穩(wěn)定性影響到船舶航行安全。船舶軸系實(shí)際運(yùn)行中承受復(fù)雜應(yīng)力和負(fù)荷,軸系校中不良可能導(dǎo)致以下情況發(fā)生:①部分軸段內(nèi)彎曲應(yīng)力過(guò)大,造成個(gè)別軸承負(fù)荷過(guò)大,縮短軸承使用壽命;②主機(jī)軸承或艉管后軸承負(fù)荷過(guò)大,引起軸承油膜破壞、軸瓦磨損或燒瓦;③軸承之間負(fù)荷分配失衡,造成不平衡振動(dòng),加劇破壞;④減速齒輪箱齒輪嚙合不良,引發(fā)振動(dòng)或者發(fā)生齒輪崩齒現(xiàn)象;⑤主機(jī)曲拐差過(guò)大,造成曲軸過(guò)度疲勞損壞、主機(jī)軸承損壞等。以上問(wèn)題會(huì)給船廠、航運(yùn)公司造成較大經(jīng)濟(jì)損失,因此對(duì)軸系安裝、校中質(zhì)量提出了更高的要求。

軸承負(fù)荷是衡量軸系安裝質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。目前,國(guó)內(nèi)高校和研究機(jī)構(gòu)主要從技術(shù)層面研究軸承負(fù)荷測(cè)量的方法和存在的問(wèn)題,而本文基于實(shí)船軸系校中計(jì)算報(bào)告,從生產(chǎn)一線操作、施工設(shè)備/工具施工工藝、工法等方面進(jìn)行分析,既提高了船舶軸系負(fù)荷測(cè)量精度,又對(duì)效率提升有一定的促進(jìn)作用。

1 軸系校中方法

軸系校中方法有直線校中法、負(fù)荷法及合理校中法,目前各船廠大多采用合理校中法校中船舶軸系。合理校中法是根據(jù)船舶軸系的實(shí)際結(jié)構(gòu),按照規(guī)定的約束條件,即規(guī)定的軸承負(fù)荷、應(yīng)力及轉(zhuǎn)角的允許范圍,通過(guò)校中計(jì)算確定各軸承的合理位置,把軸系安裝成規(guī)定的曲線狀態(tài),使各軸承的負(fù)荷分配合理、符合要求,支承截面上的彎矩和轉(zhuǎn)角在允許范圍內(nèi)。

軸系合理校中計(jì)算書(shū)提供的主要計(jì)算結(jié)果有:各軸承負(fù)荷、各軸承的位置、各法蘭的曲折、偏移值。

校中過(guò)程分兩階段進(jìn)行:第一階段通過(guò)改變軸承位置,使軸系法蘭曲折、偏移符合計(jì)算書(shū)要求,從而初步確定各軸承、主機(jī)的位置;第二階段測(cè)量軸系及主機(jī)各軸承實(shí)際負(fù)荷驗(yàn)證第一步校中情況,并視測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整以滿足要求。

2 軸系負(fù)荷測(cè)量方法

2.1 應(yīng)變片法

應(yīng)變片法測(cè)量軸承負(fù)荷就是借助電阻應(yīng)變片及應(yīng)變儀測(cè)量出被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值,計(jì)算出該點(diǎn)的應(yīng)力、彎矩等,從而計(jì)算出軸承的實(shí)際負(fù)荷。

測(cè)量時(shí),在同一圓周截面上相隔180°的2個(gè)位置各粘貼電阻應(yīng)變片及角度傳感器,被測(cè)軸旋轉(zhuǎn)一周,應(yīng)變儀及角度傳感器采集各角度位置應(yīng)變數(shù)據(jù),經(jīng)處理、計(jì)算出相關(guān)軸承的負(fù)荷。

應(yīng)變片法目前雖有較多船級(jí)社及相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究,但應(yīng)變片法測(cè)量軸承負(fù)荷在實(shí)船應(yīng)用較少。

2.2 頂舉法

頂舉法測(cè)量軸承負(fù)荷是利用安裝在軸承附近的液壓頂升油缸代替軸承來(lái)檢驗(yàn)軸系校中后實(shí)際負(fù)荷的方法。頂舉法被國(guó)內(nèi)外大多數(shù)船廠使用。

船舶軸系由艉管軸承、中間軸承、主軸承等軸承支撐,槳、軸等設(shè)備自重及其他應(yīng)力作用在各軸承上。按照軸系校中計(jì)算報(bào)告中各軸法蘭的偏移、曲折數(shù)據(jù)校中軸線(見(jiàn)圖1),初步將軸系定位成一定形狀的曲線狀態(tài),各軸承固定后,連接各軸法蘭。

圖1 軸系法蘭校中

軸系校中計(jì)算報(bào)告規(guī)定位置放置液壓頂升油缸,將軸逐漸頂起,使被測(cè)軸承與軸頸完全脫開(kāi)。頂升油缸代替了軸承的作用,頂升油缸的負(fù)荷即近似認(rèn)為是被測(cè)軸承所受到的載荷。頂升到一定高度后,頂升油缸緩慢卸載,軸逐漸釋放,下落到軸承上,負(fù)荷重新由軸承承擔(dān)。根據(jù)頂舉和下降階段采集到的油壓、軸位移數(shù)據(jù),繪制頂舉曲線,從而計(jì)算出軸位移為0時(shí)對(duì)應(yīng)的頂升油缸負(fù)荷。根據(jù)軸系校中計(jì)算報(bào)告提供的頂舉系數(shù),計(jì)算出被測(cè)軸承負(fù)荷。由于頂升油缸柱塞與缸體摩擦力等因素影響,頂升曲線與下降曲線不重合,因此確定頂升油缸負(fù)荷時(shí)應(yīng)取頂升和下降曲線的平均值,見(jiàn)圖2。

圖2 頂升曲線

3 頂舉法負(fù)荷測(cè)量誤差分析及應(yīng)對(duì)措施

軸承負(fù)荷按照下面公式計(jì)算[1]:

R=CAP

式中:R為軸承負(fù)荷,N;C為頂舉系數(shù);A為頂升油缸活塞面積,mm2;P為頂舉壓力,MPa。

根據(jù)公式可知,選定某一油缸后,活塞面積即固定不變,因此,軸承負(fù)荷主要受到頂舉系數(shù)、頂舉壓力影響。如果油缸面積選取不合理,在軸承負(fù)荷不變的情況下,也將影響軸承頂舉步驟和頂舉精度。

3.1 頂舉系數(shù)

由于軸承實(shí)際負(fù)荷無(wú)法直接測(cè)量,軸系校中計(jì)算時(shí)在靠近軸承處設(shè)置臨時(shí)頂舉點(diǎn),因頂舉點(diǎn)與軸承有一定距離,頂舉點(diǎn)測(cè)得的數(shù)據(jù)不是軸承實(shí)際負(fù)荷,因此引入頂舉系數(shù)。軸系校中模型建模時(shí)確定頂舉點(diǎn),計(jì)算出頂舉點(diǎn)和軸承處理論負(fù)荷,軸承理論負(fù)荷與頂舉點(diǎn)理論負(fù)荷的比值即為頂舉系數(shù)[2]。

某船艉管前軸承原頂舉位置在艉軸法蘭后端面處(到艉管前軸承中心距離1 055 mm),實(shí)際施工過(guò)程中頂升油缸無(wú)法安裝,因此將頂舉點(diǎn)向前移動(dòng)45 mm(到艉管前軸承中心距離1 100 mm),頂舉系數(shù)也相應(yīng)的由原來(lái)的1.10更新成1.11,本軸承理論負(fù)荷53 kN。頂升位置向前調(diào)整45 mm后軸承負(fù)荷誤差為0.48 kN。

3.2 頂舉壓力

頂舉壓力是軸系負(fù)荷計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)之一。頂舉壓力應(yīng)全部有效作用于被測(cè)軸上,代替軸承所受負(fù)載。在測(cè)量過(guò)程中可能出現(xiàn)圖3中各種頂升不良情況,頂升油缸頂舉壓力只有部分用作提升被測(cè)軸,從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。

P—頂舉壓力;M—扭矩;α—夾角。

圖3(a)中頂舉壓力作用于軸最下方,但不通過(guò)軸中心,軸實(shí)際受到垂直頂舉壓力PA=Pcosα及水平推力PL=Psinα,而收集、記錄的壓力值均為P,實(shí)際作用于被測(cè)軸上的力小于壓力表示數(shù),PA

圖3(a)是實(shí)際操作過(guò)程中相對(duì)理想的狀態(tài),實(shí)際可能出現(xiàn)圖3(b)(c)(d)等情況,軸的受力情況更為復(fù)雜。究其根本,軸實(shí)際受到的頂舉壓力只是P在某個(gè)方向上的一個(gè)分力或與扭矩M的組合,同時(shí)由于頂升油缸傾斜,導(dǎo)致柱塞與缸體之間摩擦力增加,因此頂舉點(diǎn)軸的實(shí)際受力PA

以上各情況一般都是因頂舉工裝焊接后位置及平面發(fā)生偏差導(dǎo)致,因此在頂舉工裝設(shè)計(jì)時(shí)需要將該工裝面板加大,液壓油缸可以在頂升工裝上適當(dāng)移動(dòng)調(diào)整位置,使頂升油缸中心處于軸正下方;并在安裝時(shí)控制焊接變形,減少工裝基座面的偏差。

如果工裝基座面與軸偏差過(guò)大,可在基座與頂升油缸之間增加球形墊片。頂升油缸加壓后,球形墊片自動(dòng)調(diào)節(jié),使油缸頂舉壓力方向與軸垂直,減少柱塞與缸體的摩擦力,從而減小頂舉壓力損失,使頂舉點(diǎn)實(shí)際受力與頂舉讀數(shù)基本相同。

3.3 頂舉曲線

頂舉曲線是根據(jù)頂升位移和對(duì)應(yīng)頂舉力繪制的,根據(jù)曲線可得到軸承平均頂舉壓力。該曲線是分析、計(jì)算軸承負(fù)荷關(guān)鍵一環(huán),對(duì)頂舉過(guò)程有較為嚴(yán)格要求。如:在頂升和下降過(guò)程中要盡量多選取測(cè)量點(diǎn),根據(jù)軸系校中計(jì)算報(bào)告中對(duì)應(yīng)的軸承負(fù)荷值選取合適的頂舉壓力間隔,在0～0.2 mm范圍內(nèi)盡多選取測(cè)量點(diǎn),使曲線更加精細(xì)、精準(zhǔn),曲線斜率變化更加直觀,利于準(zhǔn)確確定拐點(diǎn)和分析直線。

3.3.1 頂升油缸選取不當(dāng)

頂升油缸活塞面積過(guò)大,導(dǎo)致測(cè)量點(diǎn)較少,特別是在較小位移區(qū)間內(nèi)測(cè)量點(diǎn)少,在軸承負(fù)荷較小的測(cè)量中影響最為明顯。對(duì)于這種情況,可在相鄰軸承上加裝百分表:一只百分表置于升起的軸頸軸承上,另一只百分表置于鄰近軸頸上,同時(shí)使用1只經(jīng)過(guò)校驗(yàn)的高精度的壓力表,每間隔0.5～1.0 MPa測(cè)量一次。

措施1:正確選擇頂升油缸[3]。

根據(jù)軸系校中計(jì)算報(bào)告給出的軸承負(fù)荷,推算頂升油缸活塞面積A=R/CP。因頂舉系數(shù)C對(duì)活塞面積A影響較小,估算時(shí)可忽略該系數(shù),因此活塞面積A=最大負(fù)荷R/最大頂舉壓力P。根據(jù)頂舉壓力間隔和頂升步驟計(jì)算最大頂舉壓力P,實(shí)際操作時(shí)最大頂舉壓力一般取40～60 MPa。按照油缸活塞直徑確定與活塞面積近似的合適油缸。

措施2:減小頂舉壓力間隔。

根據(jù)使用工具、量具的可操作性和顯示精度,可適當(dāng)減小頂舉壓力間隔,一般壓力間隔不小于2 MPa。如小于2 MPa,針閥控制降壓比較困難,無(wú)法保證降壓間隔基本均等。如軸承負(fù)荷較小,每頂舉步驟間頂舉力差小于2 MPa,應(yīng)考慮使用電磁閥控制壓力的升降,同時(shí)用千分表代替百分表,以獲得較為精準(zhǔn)和均等的壓力、位移數(shù)據(jù)。

3.3.2 分析線選定不準(zhǔn)確

分析頂舉曲線形態(tài)后發(fā)現(xiàn),在合適位置確定上升階段和下降階段的分析線,2條分析線具有相近的斜率。由于受到各客觀因素影響,受相鄰軸承影響較大的軸承頂舉曲線的斜率變化不明顯,特別是相鄰軸承距離較近時(shí),正確確定分析線有一定難度,此時(shí)需要借助軸系校中計(jì)算報(bào)告中軸承負(fù)荷影響數(shù)的斜率作為參考。頂升與下降分析線的平均線應(yīng)與參考線斜率相近,能夠比較方便地確定分析線及判斷所選曲線是否準(zhǔn)確。

軸承負(fù)荷影響數(shù)一般是軸承上升1 mm支反力增加值。以某船中間軸承為例,中間軸承上升1 mm,該軸承的支反力增加80.728 kN。該軸承的頂升油缸活塞面積2 198 mm2,頂舉系數(shù)1.002 1,計(jì)算對(duì)應(yīng)的頂舉壓力P=36.6 MPa。在頂舉曲線圖中繪制負(fù)荷影響數(shù)曲線,對(duì)應(yīng)的斜率K=H/P=1/366(H為頂舉高度)。

軸承負(fù)荷影響數(shù)曲線與頂升曲線平均線斜率趨勢(shì)基本相同,判斷該軸承負(fù)荷曲線的分析線選取是否正確,見(jiàn)圖4。

圖4 頂舉曲線及軸承負(fù)荷影響數(shù)曲線

3.4 其他影響因素

帶有永磁式軸帶發(fā)電機(jī)或永磁式推進(jìn)電機(jī)軸系,頂舉時(shí)軸位置發(fā)生位移,轉(zhuǎn)子與定子的間隙改變,產(chǎn)生不平衡磁力,影響校中結(jié)果。磁力與間距的偏差值呈線性關(guān)系。

初步校中時(shí)可以將轉(zhuǎn)子與定子間隙調(diào)至設(shè)備商要求范圍內(nèi),轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)。但在頂舉過(guò)程中由于轉(zhuǎn)子發(fā)生位移,隨著轉(zhuǎn)子與定子間的間隙變化,磁力也發(fā)生改變,使頂舉壓力突增或突減,甚至由于磁力致使轉(zhuǎn)子不能恢復(fù)到原來(lái)位置。

磁力對(duì)軸系校中的影響較復(fù)雜。不平衡磁力隨著轉(zhuǎn)子的位移不斷改變,相鄰軸承在頂舉時(shí),在軸帶發(fā)電機(jī)或推進(jìn)電機(jī)端安裝百分表,檢查轉(zhuǎn)子偏心位移,結(jié)合轉(zhuǎn)子、定子對(duì)中的偏差,計(jì)算磁力方向及大小,綜合判斷磁力對(duì)于軸承負(fù)荷的影響,進(jìn)而進(jìn)行軸承位置的調(diào)整。

4 結(jié)語(yǔ)

頂舉法測(cè)量軸承負(fù)荷在軸系合理校中中應(yīng)用廣泛,但測(cè)量過(guò)程中易因主觀、客觀因素產(chǎn)生誤差,因此要求施工人員嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)要求、精確施工,發(fā)現(xiàn)結(jié)果異常后采取正確糾正措施,提高軸承負(fù)荷測(cè)量準(zhǔn)確度,避免軸系運(yùn)行時(shí)發(fā)生軸承負(fù)荷分布不均、溫度異常甚至磨損等問(wèn)題。