某型艦船傳動裝置安裝工藝改進研究

王鳳良

(滬東中華造船(集團)有限公司 軍事代表室， 上海 200129)

某型艦船傳動裝置安裝工藝改進研究

王鳳良

(滬東中華造船(集團)有限公司 軍事代表室， 上海 200129)

針對某型艦船主動力傳動裝置在安裝及使用過程中顯露出來的一些問題，加以研究并提出了相應的改進方案，使該型艦船傳動裝置安裝工藝更加科學合理。

中間軸承 鉸制螺栓 萬向聯軸器

1 前言

該型艦船采用的動力裝置型式是在國內戰斗艦船艇中首次采用的。其傳動裝置安裝工藝是自首艦起經過歷年多艘艦船的實施驗證，總體上規范、可控。但是，畢竟該工藝形成年代較早，加上當初是首次采用該種動力裝置型式，所以后傳動裝置全部采用進口設備，諸多技術、工藝要求多照搬國外。隨著國產化地深入，目前，后傳動裝置已經從最初的進口設備改為國產化設備，且工裝夾具有了較大改進。建造過程中，原有工藝也逐漸暴露出一些與新的技術要求不完全匹配、水平相對落后等問題，從而導致制造、安裝及檢驗等方面存在許多難點。因此，隨著技術和工藝的進步、認知水平的提高，以及實踐的深入，結合國內相關標準，對該型艦船傳動裝置安裝工藝進行優化完善是十分必要的。

2 該傳動裝置簡介

如圖1所示，該型艦船采用雙軸輸出，柴-柴聯合前后并車的動力裝置型式(簡稱CODAD)，主機和中間支架采用彈性安裝且為水平布置，齒輪箱及軸系為剛性安裝且和水平方向存在一定夾角。每軸系共包括2道中間軸承和3道水潤滑賽龍軸承。螺旋槳為可調螺距槳(CPP)。

圖1 某型艦船主動力裝置示意圖

該動力裝置的主要特點在于：(1)主機和中間支架采用彈性安裝且和剛性安裝的齒輪箱軸線存在夾角；(2)軸系較長，每軸系由四根軸段組成；(3)每軸系的兩臺主機前后布置，跨度較大，保證相對尺寸的準確性有一定難度。

3 原有主動力裝置安裝工藝的落后與改進

該型艦船主動力裝置安裝工藝將安裝過程分為船臺(塢)安裝和水下安裝兩部分。其中，在船臺(塢)安裝過程中主要完成形位調整工作，包括對中和初步定位，在水下安裝過程中主要完成最終調整及安裝工作。安裝重點還在于水下安裝步驟。

原有主動力裝置安裝工藝的落后性主要體現在以下兩個方面：

(1) 該工藝使用的時間較長，考慮到當時在認知等方面的局限性，有必要進一步改進。比如主動力裝置各設備底腳鉸孔尺寸事宜，按照目前要求，檢驗數據為一單個數據，而不是范圍。而實際施工時，很難做到一致，只能做到在一定范圍內。這些都加大了施工與檢驗的難度。有必要進行改進研究。

(2) 當初工藝編制時是基于國外設備商的設計，目前已經國產化，應該根據國內相關標準進行重新核算。畢竟，對于國外的設計依據我們在認知上還存在一定盲區，所以有必要根據我們熟悉且能找到依據的國內標準進行重新設計與改進。

根據以往在實際安裝及使用過程中的經驗，選定以下幾個典型議題進行改進研究。

① 中間支架采用彈性安裝，前后兩端掛重重量又不一樣，影響了對中的操作性和準確性。

② 主機隔振器蠕變周期較長，不利于安裝時掌握。

③ 中間軸承底腳螺栓中鉸制螺栓(銷)數量較多，且尺寸大，不利于熱態膨脹且加大了施工難度。

④ 主動力裝置各設備底腳鉸制螺栓普遍沒有提供鉸制尺寸的允許偏差范圍，造成了實際操作時施工和檢驗的難度。

3.1 議題1的分析和改進

主要影響：由于對中時中間支架的隔振器是鎖定的，因此可以認為是剛性的，但實際安裝完畢后的狀態卻是彈性的。且中間支架兩端掛重不一致，最終使對中數據發生變化。且在使用過程中，由于主機和中間支架隔振器的蠕變不一致，實際對中數據可能會處于一種不是很穩定的變化之中。這些都容易產生不易查知的對中數據的超差，造成損害。

建議改進方式：中間支架和主機共用一個支架，且剛性安裝在支架上，支架與基座間采用隔振器安裝。這種方式可以避免高彈聯軸器、中間支架及隔振器之間由于不平衡力造成的異常振動，從而有利于設備全壽命運行。同樣也可以減輕中間支架的振動向船體結構的傳遞。主機、中間支架對中安裝可以在內場進行，這樣能夠極大簡化安裝工藝，提高可靠性，縮短施工時間。

3.2 議題2的分析和改進

主要影響：由于主機隔振器是橡膠為主體，在使用中被發現其蠕變過程較長，時間甚至多于一年。這對后續使用相當不利，容易使中間支架和主機之間產生不平衡力，發生異常振動，進而造成損害。在之前已經發生過此類先例，比如曾導致該型艦船中的某艦1臺中間支架報廢，另外一艘艦的1臺中間支架的連接蓋板由于連接螺栓受到周期性拉伸，產生了疲勞斷裂。

建議改進方式：

(1) 同第一個問題的解決方案，即中間支架和主機共用一個隔振器支架。理由同前面所述。因此，該方案可同時消除議題1、2中出現的問題，是一個相當重要的變革。

(2) 更換隔振器型式，采用氣囊式、液壓式或者金屬阻尼等其他無蠕變情況的隔振器，以消除蠕變的影響。

3.3 議題3的分析和改進

主要影響：中間軸承底腳螺栓中鉸制螺栓(銷)數量較多，均布于整個底腳，并且其螺栓性能等級較高(12.9級)，尺寸又較大，這些都加大了施工難度。考慮到該設計是沿襲了原進口設備的設計，而目前均已經改為國產設備，應根據國內標準規范進行重新設計，以期簡化工藝。下面就底腳鉸制螺栓(銷)數量的問題進行分析研究。

說明：以鉸制螺栓(銷)數量最多、負荷最大的1號中間軸承為例參照GJB1060.1-91標準，進行抗沖擊計算。

分析：根據嚴酷度，進行拉伸和剪切兩種情況的分析，忽略螺栓的受壓情況。

計算假設:根據GJB1060.1-91標準描述，對于簡單結構，校核計算可通過動力學分析進行。將近似為線彈性的分析系統簡化為承受給定沖擊輸入的質量，即彈簧系統以便于計算。同時，本計算僅進行軸承定位銷及底腳螺栓的校核，因此按GJB1060.1-91標準中對于設備固定件、定位件以及機腳的分析為設備質量的描述，假設該處軸承負荷及軸承重量的質量中心均位于軸承中心處，將此次計算模型簡化為單質量模型。

計算分析:在沖擊狀態下，對于軸承底腳鉸制螺栓(銷)的沖擊，有橫向和垂向兩種沖擊。計算主要按GJB1060.1-91標準計算底腳鉸制螺栓(銷)的截面積，以此核算數量。

3.3.1 橫向沖擊計算

(1) 總質量。

M=軸承重量+軸段重量(按冷態時軸承負荷×110%計算)= 1 085kg+6 488.65kg= 7 573.65kg。

(2) 沖擊加速度計算。

按標準，中間軸承應屬于彈性設計。設備安裝部位：船體部位；沖擊方向：橫向。因此得出：

Aa=0.4A0=1.0×196.2×(17.01+ma)(5.44+ma)/(2.72+ma)2

因為前面假設系統為單質量系統，且為平行軸承底座最小截面方向的沖擊力，因此模態質量ma=M。

代入公式得Aa=248.44

Va=0.4V0=0.4×1.52×(5.44+ma)/(2.72+ma)=0.799

說明：按標準要求，應取Aa及Va×ωa(ωa為固有圓頻率)中小者為設計加速度Da，由于缺乏固有頻率數值，故直接取Aa為Da值，即Da=248.44m/s2。

(3) 沖擊力計算。

因此：F=M×Da=7 573.65kg×248.44m/s2=1 881.6kN。

螺栓及定位銷為12.9級的機械性能等級，因此σ0.2=1 100N/mm2。根據GB3098.1-82，當屈服點σs不能測定時，允許以測量屈服強度σ0.2的方法代替。因此其最小屈服極限σs=1 100N/mm2，取[σs]=最小屈服極限σs=1 100N/mm2。

允許剪切強度[τ]取0.2[σs]=220N/mm2(系數可取范圍為0.286～0.2)。

在取允許剪切強度[τ]時，對螺栓或定位銷要求的直徑是最大的，計算此時的螺栓截面積：F=[τ]×S。

代入數據：1 881.6kN=220N/mm2×S

得出：S=8 553mm2

即要求螺栓的總截面積不小于8 553mm2。

以目前所用的鉸制螺栓(銷)的尺寸核算，橫向沖擊時，鉸制螺栓的加強桿和銷本體受沖擊，鉸制螺栓的加強桿直徑為66mm，每個截面積為S=3.1415×d2/4=3 421.1mm2。

可見，2.5個鉸制螺栓可以滿足。

3.3.2 垂向沖擊計算

方向同上，得出結果是：要求螺栓的總截面積不小于4 276.36mm2。

分析：以目前所用的鉸制螺栓(銷)的尺寸核算，垂向沖擊時，鉸制螺栓最細的螺紋部分受的拉力最薄弱，其底徑為50mm，而銷可認為不參與抗拉。鉸制螺栓每個截面積為S=3.1415×d2/4=1 963.44mm2。

可見，2.18個鉸制螺栓可以滿足使用。

下面再計算一下如用4個鉸制螺栓，最小可鉸孔至少多大，假設直徑為d，且負荷平均分配，加強桿計算最大。

則：總截面積/4=8 553mm2/4=2 138.25mm2=3.1415×d2/4。

計算得d=52.2mm

目前2號中間軸承有4個M56的鉸制螺栓(加強桿直徑為66mm)和4個鉸制銷(直徑為60mm)，根據以上計算分析，建議進行以下修改：

(1) 取消定位銷。

(2) 鑒于2號中間軸承重量同于1號中間軸承，負荷略小于1號中間軸承，因此保持和1號中間軸承一致即可，即仍為4個同規格鉸制螺栓。

3.4 議題4的分析和改進

主要影響：主動力裝置各設備底腳鉸制螺栓普遍沒有提供鉸制尺寸的允許偏差范圍。由于現場操作的位置限制，加上目前的工藝、工裝水平，在現場鉸孔施工中難以做到和名義尺寸一致，增加了實際操作時施工和檢驗的難度。

建議改進方式：增加施工操作時的允許誤差范圍，因為鉸制螺栓是根據鉸制孔加工的，因此配合不會有問題。至于范圍，建議為理論尺寸的-4mm～+4mm范圍內。

前面已經計算過，在采用4個鉸制螺栓的情況下，鉸制螺栓加強桿的最小直徑為52.2mm，要求為66mm，因此理論尺寸的0～-4mm范圍是可以使用的。下面就鉸孔增大對于中間軸承底腳的影響進行分析，以1號中間軸承底腳鉸制螺栓鉸孔為例進行核算。

說明：仍參照GJB1060.1-91標準進行抗沖擊計算。

計算假設：同樣根據GJB1060.1-91標準，假設該處軸承負荷及軸承的質量中心均位于軸承中心處，將此次計算模型簡化為單質量模型。

計算分析：在沖擊狀態下，對于軸承底座的沖擊，主要是螺栓對于底座的反向沖擊，其中垂向沖擊應計算螺栓頭處底座受壓部位材料抗壓強度。下面分別進行橫向沖擊和縱向沖擊的強度計算。

3.4.1 橫向沖擊計算

(1) 總質量M。

同樣M= 7 573.65kg。

(2) 沖擊加速度計算。

同前面的計算分析Da=248.44m/s2。

(3) 沖擊力計算。

因此：F=M×Da=7 573.65kg×248.44m/s2=1 881.6kN。

由于每個中間軸承由4個鉸制螺栓(假設1號中間軸承取消4個定位銷)定位，假設受力分配按鉸制螺栓加強桿直徑大小進行分配，并假設其它3個直徑均小于理論值4mm。則加強桿直徑大于理論值4mm的螺栓受到的沖擊力為

F′=F×70/(70+62×3)=515.5kN。

并且，可用以下公式表示：F=P·S(P表示底座螺孔處的平均壓力)。

代入數據，則F=515.5kN=P·95×70mm2(軸承底座厚100mm，考慮到螺栓頭處5mm的退刀槽，因此取95mm；66mm為鉸制螺栓加強桿直徑)。

因此計算得P=77.57×106N/m2。

中間軸承底座材料為ZG230-450H，其最小屈服極限σs=230.46 ×106N/m2，取[σs]=最小屈服極限σs=230.46 ×106N/m2。

可見：P<[σs]。

按介紹，鑄鐵抗壓強度為抗拉強度的4～5倍以上，而低碳鋼抗壓的強度極限遠大于抗拉強度。因此，橫向沖擊時，僅保留4個鉸制螺栓不會影響中間軸承的正常使用。

3.4.2 垂向沖擊計算

(1) 總質量M。

同樣M= 7 573.65kg

(2) 沖擊加速度計算。

同前面的計算分析Da=621.1m/s2

(3) 沖擊力計算。

底座螺栓頭處受壓面積(以鉸孔尺寸為理論尺寸+4mm計算，此時受力面積最小，因此沖擊壓強最大)：2 409mm2。

垂向沖擊時沖擊力按前面計算結果：F=4 704kN。

假設平均分配至4個螺栓，即f=1 176kN。

計算得壓強P=488.37 ×106N/m2。

按前面所述，中間軸承底座材料為ZG230-450H，取[σs]=最小屈服極限σs=230.46 ×106N/m2。P/[σs]=2.1。

同樣，按介紹，鑄鐵抗壓強度為抗拉強度的4～5倍，而低碳鋼抗壓的強度極限遠大于抗拉強度。

因此，橫向沖擊時，當鉸制螺栓鉸制孔大于理論值4mm時不會影響中間軸承的正常使用。

從上面的計算分析來看，當鉸制螺栓的加強桿處鉸孔較小時，從軸承底座來講是沒有不利影響的，因此不必考慮。

從以上計算分析可見：鉸制螺栓鉸制孔加工尺寸為理論尺寸的-4～+4mm范圍內是不影響正常使用的。

4 實踐與成果分析

如果按照以上建議對安裝工藝進行改進，將可以提高主機和中間支架的可靠性，提高整個動力裝置包括軸系的安裝效率，預計每艘艦船可節省約2～4周的碼頭周期。同時，主機和中間支架共用隔振器基座的方案在緊急狀態時可忽略隔振器蠕變的影響，省略預壓等工序，對簡化戰時維護與維修有著

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相當重要的作用。由此可見，本改進方案具有良好的經濟及軍事效益。

5 結束語

隨著現代造船科技的發展，造船工藝的改進提高和不斷完善始終貫徹于我們艦船建造的整個過程。科學合理的造船工藝將更加滿足艦船建造的現實需求，從而給艦船建造質量、生產力的提高提供可靠保障和強大動力。

[1] 國防科學技術工業委員會.GJB 1844-93水面艦船主機軸系安裝驗收要求[S].1993.

[2] 全國船舶標準化技術委員會.CB/Z 338-84 船舶推進軸系校中[S].1984.

[3] 中國船舶工業總公司.中國造船質量標準(CSQS) [S]. 北京：中國標準出版社，1998.

[4] 徐灝.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1991.

[5] 緊固件國家標準匯編[M].北京：中國標準出版社，1987.

Research on Modification and Improvement of Gearing Device Installation of XXX Ship

WANG Feng-liang

(Military Representative Office Stationed in Hudong Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

Based on problems encountered in main propulsion gearing devices of XXX ship during installation and performance, this article is to research and provide modification and improvement plan in order to perfect the relevant crafting.

Intermediate bearing Fitting bolt Flexible coupling

王鳳良(1965-)，男，高級工程師。

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