38 000 DWT雜貨船軸系方案比較分析

(泰州口岸船舶有限公司,江蘇 泰州 225321)

船舶推進(jìn)軸系校中是船舶建造過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，軸系校中出現(xiàn)問題有船體變形、軸系振動(dòng)、支座剛度不夠等原因[1]，更重要的原因是軸承間距選取不當(dāng)，軸系布置不合理。本文以38 000 DWT雜貨船推進(jìn)軸系為研究對(duì)象，分析軸系布置方案。

1 船舶及軸系的基本參數(shù)

38 000DWT雜貨船主要參數(shù)如下。總長為179.90 m；垂線間長176.85 m；型深15.20 m；型寬30.00 m；設(shè)計(jì)吃水9.5 m；結(jié)構(gòu)吃水10.60 m；結(jié)構(gòu)吃水時(shí)載重量37 400 t；服務(wù)航速14.0 kn；主機(jī)型號(hào)為WARTSILA 6RT-flex48T-D低速柴油機(jī)；SMCR功率/轉(zhuǎn)速為6 120 kW/102 r·min；螺旋槳為4葉定距螺旋槳；直徑6 m；質(zhì)量13 166.4 kg，主機(jī)與螺旋槳之間通過一根中間軸和一根艉軸相連接。有艉管前軸承和無艉管前軸承軸系布置方案見圖1。

2 軸系校中計(jì)算分析

2.1 建立坐標(biāo)系

以螺旋槳末端為坐標(biāo)原點(diǎn)O，取軸系的理論中心線為X軸，正向指向船艏；過原點(diǎn)垂直X軸向上作為Y軸正向，按照右手法則垂直X0Y平面指向右舷為Z軸；這樣由X軸和Y軸組成XOY平面為豎直平面，由X軸和Z軸組成XOZ平面為水平平面[2]。見圖2。

2.2 模型簡化

將推進(jìn)軸系看作為放置在剛性鉸支上的連續(xù)梁，梁的長度由螺旋槳導(dǎo)流帽的最前端開始，至主機(jī)自由端前端面止。在梁上作用有均布載荷、集中載荷和外加力偶等，邊界條件為自由端[3]。

根據(jù)軸系結(jié)構(gòu)將軸系各軸承支撐點(diǎn)處、軸上集中載荷作用點(diǎn)處、軸截面參數(shù)有突變處及其它指定的截面作為計(jì)算截面，并從原點(diǎn)處向X軸正方向順序編號(hào)，計(jì)算各截面的撓度、轉(zhuǎn)角、彎矩和剪力等狀態(tài)參數(shù)。按照主機(jī)廠瓦錫蘭WARTSILA軸系校中計(jì)算程序分別計(jì)算兩種方案中冷態(tài)、熱態(tài)、SMCR工況點(diǎn)下的軸承負(fù)荷、垂向位移等參數(shù)。兩種方案的計(jì)算模型見圖3。

2.3 兩種方案校中計(jì)算結(jié)果比較

1)冷態(tài)軸承負(fù)荷。冷態(tài)軸承負(fù)荷見圖4。

方案(一)有前軸承時(shí)，中間軸承只承載少量負(fù)荷32 kN，而艉管前軸承承載了42 kN的負(fù)荷，這樣會(huì)加劇前軸承的磨損，使艉軸前密封工況變得惡劣。

方案(二)無前軸承時(shí)，則不會(huì)出現(xiàn)這種情況，只是中間軸承負(fù)荷增大，但仍在許用負(fù)荷范圍之內(nèi)。

2)冷態(tài)垂向位移。冷態(tài)垂向位移見圖5。

由圖5可見，方案(一)有前軸承時(shí)軸系彎曲變化幅度大，特別是在主機(jī)各主軸承處，位移變化呈現(xiàn)前端小末端大的現(xiàn)象。這樣主機(jī)各缸的拐檔差加大，在實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)加劇主軸承的磨損。而方案(二)主機(jī)主軸承處的垂向位移趨向水平。

3)熱態(tài)軸承負(fù)荷。熱態(tài)軸承負(fù)荷見圖6。

由圖6可見，同冷態(tài)下的工況基本相同，方案(一)有前軸承時(shí)中間軸承負(fù)荷過小，而艉管前軸承負(fù)荷大。

4)SMCR工況點(diǎn)下軸承負(fù)荷。

SMCR工況點(diǎn)下軸承負(fù)荷見圖7。

圖3 兩種軸系模型對(duì)比表

圖4 冷態(tài)軸承負(fù)荷

圖5 冷態(tài)垂向位移

圖6 熱態(tài)軸承負(fù)荷

圖8 SMCR工況點(diǎn)下垂向位移

由圖7可以明顯看出在SMCR工況下，方案(一)有前軸承時(shí)中間軸承已經(jīng)近乎失載。而艉管前軸承負(fù)荷高達(dá)110 kN。而方案(二)則沒有出現(xiàn)這種情況。

5)SMCR工況點(diǎn)下垂向位移。SMCR工況點(diǎn)下垂向位移見圖8。

由圖8可見，SMCR工況下的垂向位移跟冷態(tài)下的情況基本相同，方案(一)主機(jī)主軸承的垂向位移變化幅度大，各缸拐檔差會(huì)變大。

6)開軸垂向位移。開軸垂向位移見圖9。

圖9 開軸垂向位移

從圖9可以看出，方案(一)有前軸承時(shí)開軸垂向位移出現(xiàn)跳躍式變化，這樣會(huì)加大軸系安裝校中時(shí)的難度；主軸承處垂向位移不一致會(huì)增加曲軸拐檔變化。

可以看出，在冷態(tài)和熱態(tài)工況點(diǎn)下艉管前軸承和中間軸承的支反力較小，而且負(fù)荷分別很不均勻，如在SMCR工況點(diǎn)下艉管前軸承負(fù)荷高達(dá)110 kN，而中間軸承負(fù)荷只有1 kN。另外，在冷態(tài)和熱態(tài)工況點(diǎn)下，艉管前軸承和中間軸承只是承載較小的負(fù)荷； 同時(shí)主機(jī)各主軸承的垂向位移很不均勻，靠近艉部軸承位移大而前端軸承移位小，這樣會(huì)造成主機(jī)各軸承負(fù)荷分布不均，給實(shí)際校中增加難度。

取消艉管前軸承，艉管后軸承的靜態(tài)負(fù)荷和熱態(tài)負(fù)荷幾乎沒有增加，只中間軸承負(fù)荷約增加30 kN。但是，在SMCR工況點(diǎn)下中間軸承負(fù)荷增加到79 kN，明顯比有艉管前軸承時(shí)軸承負(fù)荷分布更均勻。在各種工況下的主機(jī)各軸承的垂向位移也更加趨向一致，軸承負(fù)荷也更加均勻。

3 結(jié)論

1)未取消艉管前軸承時(shí)，在冷態(tài)和熱態(tài)工況下艉管前軸承和中間軸承承載較小負(fù)荷，而且在SMCR工況點(diǎn)下中間軸承失載，而艉管前軸承負(fù)荷較大；這樣會(huì)加劇軸承磨損使艉軸前密封變得更加惡劣；主機(jī)各主軸承的垂向位移很不均勻，主機(jī)各軸承負(fù)荷分布不均，易造成主機(jī)軸承磨損。

2)取消艉管前軸承、調(diào)整中間軸承位置后，冷態(tài)、熱態(tài)和SMCR工況點(diǎn)下軸承負(fù)荷分配均勻，都在許用的范圍之內(nèi)；而且主機(jī)各軸承垂向位移趨向一致，曲軸拐檔變化小。

3)對(duì)于短軸系船舶，應(yīng)根據(jù)各軸承負(fù)荷承載情況，合理設(shè)計(jì)軸承的數(shù)量和位置。取消艉管前軸承后，軸承之間的間距更加合理，各軸承動(dòng)態(tài)負(fù)荷更加趨向均勻。而且，取消艉管前軸承后，軸承間距比較大，軸承間距增加提升了軸系柔順性，有利于降低船體變形對(duì)軸承負(fù)荷的影響。

[1] 宮國璽.船舶推進(jìn)軸系校中計(jì)算研究[D].大連:大連理工大學(xué),2007.

[2] 中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院.CB*/Z 338—2005船舶推進(jìn)軸系校中[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[3] 溫玉奎.57 300 DWT散貨船軸系校中研究[D].大連:大連海事大學(xué),2007.