關(guān)于船舶軸系設(shè)計的若干問題

摘 要：船舶軸系將主機功率傳遞到螺旋槳的同時也將螺旋槳產(chǎn)生的軸向推力傳給船體，這樣便能推動船舶航行。所以，只有船舶軸系正常運轉(zhuǎn)才能保證螺旋槳的正常運行。也就是說，要盡量避免船舶軸系的工作故障，這就要求在設(shè)計過程中對于多方面的問題多加注意。本文將對船舶軸系設(shè)計的若干問題進行分析。

關(guān)鍵詞：船舶軸系；設(shè)計；問題

船舶軸系能否安全可靠的工作關(guān)系著螺旋槳乃至整個船體的正常工作，所以在設(shè)計過程中必須嚴加注意，要盡量避免其由于內(nèi)外因素的作用而發(fā)生故障。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，船舶軸系可能發(fā)生的故障主要分為以下兩類：軸的某一部分發(fā)生斷裂或者軸承過熱而被燒壞。要想避免軸承發(fā)生故障，就要在設(shè)計過程中注意多方面的問題，比如：軸承間距、傳動基本軸徑、強度校核計算、振動計算及測試以及軸系合理校中計算。下面進行具體的論述。

一、軸承間距

（一）中間軸承的位置和間距。對于中間軸承來說，最合理的位置應(yīng)該是船體結(jié)構(gòu)具有較好的剛性也就是變形較小比如隔艙壁附近或者設(shè)有反面加強肋板的地方。如果船舶體型較小，那么就可以將軸承直接設(shè)置在隔艙壁上。通常情況下中間軸上只設(shè)置一道中間軸承。當滿足下列兩種情況中的一種時可以設(shè)置兩道中間軸承：中間軸軸徑大于350mm且中間軸長度與中間軸軸徑的比值大于22時或者中間軸軸徑小于100mm且中間軸長度與中間軸軸徑的比值大于40時。當設(shè)置兩道中間軸承時，中間軸承間距一般按照下列式子進行估算：395.34* <=l<=632.44* （其中d表示中間軸軸徑）。但是，中間軸承實際布置間距應(yīng)該由軸系校中計算來最終確定下來。

（二）尾軸承的位置和間距。如果船舶是單軸系的，那么螺旋槳軸通常情況下采用兩道尾軸承支承。當船舶體型較大而且尾管較短的時候可以只在尾管中設(shè)置一道后尾軸承，同時在尾管前加設(shè)一道中間軸承也就是相當于前尾軸承，以此來作為螺旋槳的支承。尾軸承的間距根據(jù)下列式子進行估算：當螺旋槳軸直徑大于400mm時，間距大于等于12倍的螺旋槳直徑；當螺旋槳軸直徑在300mm—400mm之間時，間距取14—25 倍的螺旋槳直徑；當螺旋槳軸直徑小于等于300mm時，間距取16—40倍的螺旋槳直徑。但是，尾軸承實際設(shè)置間距應(yīng)該根據(jù)軸系回旋震動計算校核最終確定。

二、傳動軸基本軸徑

必須嚴格根據(jù)相關(guān)規(guī)范來確定傳動軸的基本軸徑，只有這樣才能避免因強度問題導致的斷軸事故。這是由于規(guī)范規(guī)定的計算公式不僅考慮了軸的正常負荷還考慮了各種可能遇到的外來因素并且根據(jù)實際事例考慮了安全系數(shù)，所以由規(guī)范規(guī)定的計算方法計算的傳動軸基本軸徑較安全。根據(jù)規(guī)范計算的處于不同受力狀態(tài)的螺旋槳軸、推力軸以及中間軸的軸徑是有差異的。鋼質(zhì)內(nèi)河船舶，按下式計算：d = 98K{（Ne/ne） [570/ （σb + 157）]}^（1/3）mm，其中K 表示不同軸的設(shè)置特性系數(shù)、Ne表示軸傳遞的額定功率，單位為kW、ne表示軸的額定轉(zhuǎn)速，單位為r/min、σb表示軸材料的抗拉強度。對于中間軸，如果σb大于800MPa，取800MPa，對于螺旋槳軸和尾管軸，如果σb大于600MPa，取600MPa。

三、強度校核計算

雖然軸徑是根據(jù)規(guī)范的經(jīng)驗公式來確定的，但是船舶軸系受力十分復雜，所以對于計算得到的軸徑仍需要進行強度校核計算。總的來說，根據(jù)進行校核的時間階段強度校核的方法主要有以下兩種：一種是在初步設(shè)計階段進行的初步校核；另一種則是詳細設(shè)計完成后進行的校中計算，也就是確定軸系各截面的內(nèi)力（包括扭轉(zhuǎn)應(yīng)力），之后將內(nèi)力根據(jù)強度計算理論進行合成，然后根據(jù)安全系數(shù)來判斷是否滿足要求。當選用第二種方法的時候，要注意安全系數(shù)的選用和軸的負荷情況以及軸材料的性質(zhì)、加工、裝配質(zhì)量相關(guān)，要選取合適的安全系數(shù)才能保證可靠性。軸系在承受壓力的時候有喪失穩(wěn)定性而產(chǎn)生彎曲破壞的情況，尤其是對于柔性軸，所以有些情況需要對軸進行壓桿穩(wěn)定校核。

四、振動計算和測試

在進行動力計算的時候，可以將軸系看作多個質(zhì)點構(gòu)成的彈性系統(tǒng)。柴油機輸出的波動轉(zhuǎn)矩會對軸系造成擾動從而引起扭轉(zhuǎn)振動。由于共振效應(yīng)會使得軸承在某個特定的轉(zhuǎn)速下振幅大大增大，進而產(chǎn)生很大的扭轉(zhuǎn)附加應(yīng)力。扭轉(zhuǎn)附加應(yīng)力必須處于一個范圍之內(nèi)才能保證安全，當超出允許的范圍時必須采取一定的減振措施。另外，船舶軸系還可以看作連續(xù)梁，會產(chǎn)生一定的撓度。由于多方面的原因會造成螺旋槳的中心與回轉(zhuǎn)中心線不重合從而在回轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生離心力。再者，螺旋槳的懸臂作用會使得其產(chǎn)生陀螺效應(yīng)。因此，對于對回旋振動的固有頻率進行校核，以保證其與運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍相差較大，如果不滿足的話，載軸系設(shè)計過程中就要采取一定的措施進行改進。對于高速傳動的軸系要尤其要注意。

五、軸系合理校中計算

在軸系設(shè)計計算過程中合理確定各中間軸承和尾管軸承的間距以及垂直高度來達到使得各軸承的負荷在允許的范圍之內(nèi)從而使荷載均勻分布就是所謂的軸系合理校中計算。軸系校中質(zhì)量高才能為動力裝置進行安全可靠的工作提供保障。軸系校中計算時應(yīng)該注意以下幾方面的內(nèi)容。

（一）軸承支點的位置。只有確定軸承支點的位置才能計算軸承負荷。不同位置的軸承支點的位置也不同，對于中間軸承一般認為支點與中點重合；對于后尾軸承就比較復雜，因為后尾軸承受到螺旋槳的懸臂力矩，受力不均勻。

（二）螺旋槳的重量。對于組合式和整體式的螺旋槳的重量計算處理方式不同，兩種方式的結(jié)果相差了20%。在基本設(shè)計階段不僅要根據(jù)具體的情況來計算螺旋槳的重量還要考慮螺旋槳的附水質(zhì)量。附水質(zhì)量并不是一個定值，這是由于船的航速和吃水深度不同造成的。根據(jù)經(jīng)驗，附水質(zhì)量大約是螺旋槳質(zhì)量的10%—30%。

（三）軸系校中的方法。按直線、軸承上允許負荷、軸承上合理負荷校中是軸系校中的三種主要方法。對于計算狀態(tài)來說主要分為熱態(tài)、冷態(tài)以及安裝狀態(tài)三種。對于軸系校中的評定要做到全面，對于熱態(tài)和冷態(tài)都要進行。

六、結(jié)語

要想使得船舶能夠正常運行，就要保證軸系不發(fā)生故障，這就要求在充分分析實例找到發(fā)生故障的主要原因的基礎(chǔ)上在船舶軸系設(shè)計中能夠全面注意到上述各項問題，嚴格按照要求進行，最大限度的使得設(shè)計科學合理，從而使得船舶軸系具有高度的可靠性，進而保證整個船舶航行過程中不出現(xiàn)安全問題，避免不必要的損失。

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