環境溫度對軸系校中計算的影響初探

錢 程， 李 巖， 夏應應

(上海外高橋船舶及海洋工程設計研究院， 上海 200136)

環境溫度對軸系校中計算的影響初探

錢 程， 李 巖， 夏應應

(上海外高橋船舶及海洋工程設計研究院， 上海 200136)

通常軸系校中計算中冷態和安裝狀態設定的環境溫度均為定值，而實船軸系校中過程中環境溫度是變化的，如果僅僅在某一冷態設定溫度下做校中計算，必然會導致現場的實際校中出現偏差，因此研究環境溫度的變化對軸系校中計算結果的影響就很有必要。

軸系 校中計算 環境溫度 軸承負荷

1 前言

軸系校中就是按校中計算的要求和方法，將軸系裝成某種狀態(直線或曲線)，處于這種狀態的軸系，其各軸段內的應力和各軸承上的負荷均應處在允許范圍內，或具有最佳的數值，以保證軸系及與之相連接的機械(如主機曲軸、齒輪箱等)能持續正常的運轉。實船校中過程中，溫度的影響不僅包括主機熱態軸承本身的升高，還包括機艙內部環境溫度的變化，在校中計算中，我們設定冷態和安裝狀態的環境溫度為20℃，而實際的環境溫度是變化的，如果用20℃下的校中計算數據來校中實際環境溫度下的軸系，勢必會給實船軸系校中安裝帶來一定的誤差。

本文以某船廠制造的某大型油輪(主機來自韓國現代)其軸系作為合理校中的計算模型(見圖1)，計算軟件采用DNV軸系校中計算軟件NAUTICUS。其中，冷態和安裝狀態螺旋槳為半浸沒，熱態螺旋槳為全浸沒，計算出不同環境溫度下的軸系校中計算數據，進而來探討環境溫度對軸系校中計算的影響。

圖1 軸系合理校中計算模型

2 軸承變位值

軸承變位值以韓國現代軸系校中計算中的變位值為準，其中熱態的中間軸承的溫度為35℃，主機軸承的溫度為55℃。在熱態計算結果滿足軸系校中計算衡準要求下，根據韓國現代提供的中間軸承和主機軸承的線型膨脹數據，從而分別推算出0℃、10℃、20℃和30℃的冷態下，主機軸承和中間軸承受環境溫度影響的各軸承變位值(見表1)，其中艉管軸承的變位值都為定值0。

表1 主機軸承和中間軸承在不同環境溫度下的軸承變位值 單位：mm

3 軸承負荷影響系數

由于整個軸系的布置沒有發生變化，因此軸承負荷影響系數是相同的，不受環境溫度的影響，具體數據如表2所示。

表2 軸承負荷影響系數 單位：N/mm

4 軸承負荷

軸承負荷作為軸系校中計算的衡準之一，要求軸系各軸承的負荷為正值，即不允許有軸承脫空的狀態；軸承負荷應不小于相鄰兩跨距間所有重量總和的20%；軸承比壓不允許超過其許用比壓。具體數據如表3所示。

表3 不同環境溫度下的軸承負荷 單位：N

從表3中的數據可以看出:

(1) 隨著環境溫度的增加，中間軸承和主機軸承位置的升高，艉管后軸承、中間軸承和主機軸頸軸承的負荷逐漸增加，艉管前軸承和主機倒數第二道軸承的負荷逐漸減少；

(2) 冷態環境溫度的改變，對主機倒數第二道及以后的軸承負荷影響較小，但是對艉管前軸承、中間軸承和主機軸頸軸承的負荷影響較大，具體數據如表4所示。

表4 不同環境溫度下的軸承負荷變化值 單位：N

5 千斤頂頂舉系數

施工現場軸承負荷不易直接測量，一般在軸承附近放置液壓千斤頂(見圖2)，通過千斤頂的頂舉力，使該軸承剛好脫空，而軸系狀態保持原狀，該力乘以千斤頂頂舉系數即得該軸承負荷。但在計算千斤頂頂舉系數過程中，一定要確保被測軸承最先頂空。

頂空量可以用以下公式計算：

式中：Δ為千斤頂頂空量；Rjb為千斤頂頂舉影響系數中千斤頂對被測軸承的影響系數；F為軸承負荷。

圖2 千斤頂的位置

由于整個軸系的布置沒有發生變化，因此千斤頂頂舉系數和頂舉影響系數不受環境溫度的影響，具體數據如表5和表6所示。

表5 千斤頂頂舉系數

表6 千斤頂頂舉影響系數 單位：N/mm

在千斤頂頂舉測量艉管前軸承負荷時，因為艉管前軸承和中間軸承的負荷接近，且艉管前軸承的千斤頂頂舉影響系數(3 429 758)較中間軸承的千斤頂頂舉影響系數(738 708)大很多，所以艉管前軸承比中間軸承先頂空。但是在千斤頂頂舉測量中間軸承負荷時，主機軸頸軸承負荷較中間軸承負荷小很多，且主機軸頸軸承(1 682 177)和中間軸承的千斤頂頂舉影響系數(2 871 066)相對接近，檢查中間軸承是否較主機軸頸軸承先被頂空就很有必要。

圖3 中間軸承和主機軸頸軸承在不同環境溫度下的頂空量

從圖3中可以看出：

(1) 隨著環境溫度的升高，由于中間軸承和主機軸頸軸承負荷的增加，其頂空量都逐漸增加；

(2) 冷態時主機軸頸軸承的頂空量始終比中間軸承小，也就是說，理論上在千斤頂頂舉測量中間軸承負荷時，主機推力軸承較中間軸承先被頂空，假如主機推力軸承頂部間隙很大，足以滿足中間軸承的頂空，則影響還不大，但是假如頂部間隙很小，主機軸頸軸承就有可能產生負的支反力，在中間軸承被頂空后所測得的負荷值就不正確。為了避免這種情況發生，就得重新布置千斤頂的位置，使千斤頂更加靠近中間軸承或者將千斤頂移至中間軸承的另一側。

6 軸連接法蘭開口

軸連接法蘭開口和偏移影響系數表示軸系中某一軸承垂直位置改變一個單位(如1mm)時，造成軸連接法蘭開口和偏移的變化量。在開軸狀態，計算軸連接法蘭開口和偏移值，是為軸系的合理安裝提供施工依據，具體數據如表7所示。

表7 軸連接法蘭開口和偏移值

同時也可以通過軸連接法蘭開口和偏移影響系數(見表8)來計算出實際環境溫度下的開口和偏移值。

表8 軸連接法蘭開口和偏移影響系數

其中，主機軸承的熱膨脹是整體上升或下降的；當后法蘭在前法蘭的上方時，開口為正值；當開口朝下時，偏移為正值，因此：

中間軸承熱膨脹對中間軸和螺旋槳軸連接法蘭的開口影響：-0.365 mm/mm。

中間軸承熱膨脹對中間軸和螺旋槳軸連接法蘭的偏移影響：-2.103 mm/mm。

中間軸承熱膨脹對主機輸出端和中間軸連接法蘭開口的影響： 0.479 mm/mm。

中間軸承熱膨脹對主機輸出端和中間軸連接法蘭偏移的影響：-0.584 mm/mm。

主機熱膨脹對主機輸出端和中間軸連接法蘭開口的影響：

(-1.257)+1.287+(-0.016)+0.004

+(-0.001)=0 mm/mm；

主機熱膨脹對主機輸出端和中間軸連接法蘭偏移的影響：

(-1.602)+0.608+(-0.008)+0.002

=-1 mm/mm；

此時，實際環境溫度下中間軸和螺旋槳軸連接法蘭的開口值可由下式計算：

開口= 0.62 - (0.144/15) ×(T-20)

× 0.365

式中：0.62為環境溫度20℃時的開口值；0.144為從環境溫度20℃到熱態35℃的中間軸承熱膨脹量。

實際環境溫度下中間軸和螺旋槳軸連接法蘭的偏移值可由下式計算：

偏移 = 2.86 - (0.144 /15) × (T-20)

× 2.103

式中：2.86為環境溫度20℃時的偏移值，0.144為從環境溫度20℃到熱態35℃的中間軸承熱膨脹量。

實際環境溫度下主機輸出端和中間軸連接法蘭開口值可由下式計算：

開口 = 0.15 + (0.144 / 15) ×(T-20)

× 0.479

式中：0.15為環境溫度20℃時的開口值，0.144為從環境溫度20℃到熱態35℃的中間軸承熱膨脹量。

實際環境溫度下主機輸出端和中間軸連接法蘭偏移值可由下式計算：

偏移 = 1.53 - (0.64/35)×(T-20)

- (0.144/15)×(T-20)×0.584

式中：1.53為環境溫度20℃時的偏移值，0.144為從環境溫度20℃到熱態35℃的中間軸承熱膨脹量，0.64為從環境溫度20℃到熱態55℃的主機軸承熱膨脹量。

從以上計算數據和公式中可以看出環境溫度對軸連接法蘭開口和偏移值產生的影響較大，因此計算多個不同環境溫度下軸連接法蘭開口和偏移值就顯得尤為重要。

7 結論

因為環境溫度的改變會引起軸承的熱膨脹效應，導致軸承變位值的改變，進而對軸系校中產生一定的影響。因此考慮不同環境溫度下的軸系狀態，使校中計算更加貼近實船環境，可以減少因校中計算給實船軸系校中帶來的偏差。

[1] Hyundai Heavy Industries Co., Ltd. Calculation of Shaft Alignment(H1100)[S]. 2007.

[2] 周繼良，鄒鴻鈞.船舶軸系校中原理及應用[M].北京：人民交通出版社.1985.

[3] 郭勇.船舶軸系校中通用工藝規范[S].2003.

Impact of Ambient Temperature on Shafting Alignment Calculation

QIAN Cheng1， LI Yan2， XIA Ying-ying3

(Shanghai Waigaoqiao Marine Design & Research Institute, Shanghai 200136, China)

Normally, ambient temperature in shafting alignment calculation to be setted a fixed value, whereas the actual ambient temperature during shafting alignment is variable. If shafting alignment calculation to be carried out only in one setted temperature, then, some deviation to be caused definitely. Therefore, it is necessary to study influence of ambient temperature on shafting alignment calculation.

Shafting Alignment calculation Ambient temperature Shaft bearing load

錢 程(1981-)，男，工程師。

U664

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