大型絞吸式挖泥船絞刀軸系校中及安裝關鍵技術研究

孫亭亭,周瑞平

(武漢理工大學，湖北 武漢 430063)

大型絞吸式挖泥船絞刀軸系校中及安裝關鍵技術研究

孫亭亭,周瑞平

(武漢理工大學，湖北 武漢 430063)

絞刀軸系作為大型絞吸式挖泥船的核心部件之一，校中計算分析在其設計階段是必不可少的。國內外各研究機構尚未對疏浚設備軸系的校中提出規范性的指導意見，其計算方法主要參考船舶推進軸系校中計算。文章以6 500 m3/h大型絞吸式挖泥船為例，對模型進行簡化，綜合考慮各因素對6 m和36 m水深工作狀態以及水平懸吊安裝狀態的軸系進行校中計算分析，并提出安裝建議，指導船廠安裝，結果表明，所提出方法為疏浚設備軸系校中及安裝提供理論基礎，具有重要指導意義。

絞吸式挖泥船；軸系校中；安裝；技術研究

我國江河湖庫眾多，水岸線長，絞吸式挖泥船作為用于水利清淤、航道疏浚等工程項目的主要設備，具有工作效率高、產量大、泵距遠、易于控制等優點，因而具有廣闊的市場前景[1-2]。絞吸式挖泥船長期處于往復性工作狀態，其傳動軸系作為關鍵部件在運轉過程中承受著復雜的應力和負荷，若軸系校中質量欠佳，會引起軸系有害振動，致使軸承過度磨損甚至軸系斷裂，因此為保證軸系長期安全運轉，必須綜合考慮各種因素，建立符合實際情況的計算模型，并對各工況下的軸系進行運轉狀態計算，得到可靠結論，提供安裝建議[3]。

目前,國內外關于大型挖泥船絞刀軸系的校中計算資料較少,其計算方法主要參考船舶推進軸系校中計算。王正興[4]對5 000 kW絞吸式挖泥船軸系設計關鍵技術進行研究，提出要針對其3種工況分別對絞刀軸系進行校中計算；梅歡[5]綜合考慮橋架變形、工作載荷加載等因素，以4 500 m3/h絞吸式挖泥絞刀軸為例進行了絞刀軸系校中計算研究。

本文參考相關規范及文獻[6-7]，考慮軸系傾斜狀態和浸水浮力、絞刀力、橋架變形、軸承最小安裝間隙、熱膨脹量、水膨脹量等因素提出相應的建模方法，對絞刀軸系的最淺挖深、最深挖深、水平懸吊安裝3種狀態的校中計算進行研究。

1 絞刀軸系模型簡化原則

1.1 軸承支點

參照三彎矩法推進軸系模型簡化方法，對于中間軸承，常取軸承襯的中點為支點；對于絞刀軸承，其支點與軸承后端面的距離Sb可取為：

(1)

式中：L為絞刀軸承襯長度，mm。

1.2 絞刀

絞刀重量以集中載荷的形式加載到絞刀的重心位置，并在挖深狀態時考慮浸水浮力的影響，集中載荷取絞刀自重的0.87倍。

1.3 絞刀力

絞刀進行切削工作時，會產生切削力反作用在軸系上，軸系運轉狀態校中計算時，將此力分解為水平力與垂向力分別加載在絞刀的重心位置。

1.4 軸系

各軸段所受重力均作為均勻載荷處理，浸入水中軸段應考慮所受浮力的影響，可用它在空氣中重力乘以系數0.87或0.90。挖泥船處于工作狀態時，其絞刀軸系具有一定特殊性，為傾斜放置，因此建模時要充分考慮這一因素，所用重力加速度應取普通意義上的重力加速度在與軸線垂直方向上的分量。

2 軸承變位差

2.1 橋架變形量及軸承參數

在絞刀軸系校中計算中，只考慮各個工況下橋架在垂向方向的位移對絞刀軸承、中間軸承和齒輪箱軸承的影響。其中，橋架各個工況下垂向方向上變形值通過有限元軟件ANSYS計算得出，如表1所示。軸承參數如表2所示。

2.2 計算結果

就絞刀軸系而言，需對其軸系的3種狀態分別進行校中計算才能保證結論的可靠性。3種狀態分別為最深挖深(36 m運轉狀態)、最淺挖深(6 m運轉狀態)、水平懸吊安裝狀態，首先通過2種挖深狀態計算得到使軸系安全工作的軸承變位值，進而進行安裝計算，得出軸系安裝建議。但絞刀軸系較一般軸系而言具有特殊性，橋架變形、熱膨脹量、水膨脹量等因素會使軸承有一初始變位值，且3種狀態的初始變位值又不盡相同，因此校中計算時需綜合考慮每種狀態的初始變位值，分析過程如下。

軸承初始變位值為橋架變形量、熱膨脹量、水膨脹量與安裝間隙之和，即：

δv=δd+δt+δw+δa/2，

(2)

式中：δv為軸承初始變位值，mm；δd為橋架變形量，mm；δt為軸承熱膨脹量，mm；δw為軸承水膨脹量，mm；δa為軸承安裝間隙，mm。

各軸承3種工況下初始變位值如表3所示。

軸系校中計算時，軸承變位為相對變量，因此可假設6 m水深工作狀態下，各軸承初始變位值為0，計算其他工況下軸承初始變位值相對于6 m水深工作狀態下的相對量。各軸承3種工況下軸承相對初始變位值如表4所示。

在校中計算過程中，可假定6 m水深工作狀態軸承變位值為未知數X，則其它2種狀態的軸承相對變位值如表5所示。

表1 絞刀傳動軸各軸承在各工況下垂向位移 mm

表2 軸承參數 mm

表3 軸承初始變位值 mm

表4 軸承相對初始變位值 mm

表5 軸承相對變位值 mm

3 軸承負荷計算

3.1 直線狀態軸承支反力

用三彎矩法進行軸系校中計算是基于連續梁及三彎矩理論，軸系看做連續梁，并對其進行截面劃分，將實際支撐即軸承所在截面稱為實支撐并假設實支撐之外的其它變截面處存在“虛支撐”，基于以上方法，建立軸系三彎矩模型，計算軸承的初始支反力(軸承變位為0)。

對模型進行求解，得出結果如表6所示。

表6 軸承初始支反力 kN

3.2 軸承負荷影響系數

軸承負荷影響系數是軸系中某一軸承位移單位高度時,所造成該軸承及其他軸承處的負荷的變化量。通常，以Fij表示第i軸承因為第j軸承發生單位位移時所引起的負荷的增量，具體計算公式如下:

(3)

4 軸承位移的確定

4.1 約束條件

1) 滑動軸承的計算比壓不超過設計規定的軸承的許用比壓。軸承計算比壓P計算公式如下：

(4)

式中：F為軸承支反力，kN；L為軸承襯長度，mm；d為軸承處軸頸的外徑，mm。

2) 軸承支反力應大于該軸承兩側中間軸所受重力及其集中載荷之和的20%，最小支反力Fmin計算公式如下：

Fmin≥(FQi+FQj+∑Fp)×20%,

(5)

式中：FQi、FQj分別為該軸承前后兩跨軸所受重力，kN；∑Fp為該軸承前、后兩跨上的載荷之和，kN。

3) 齒輪箱大齒輪軸的前后軸承支反力之差應不超過制造廠規定的數值，在制造廠未提供上述數據時，原則上應使其不超過兩軸承間軸段及大齒輪重力總和的20%。

4.2 線性規劃法確定軸承位移值

1) 目標函數。大型絞吸式挖泥船由于橋架自重以及處于工作狀態時絞刀受力較大，使得其軸系校中具有一定特殊性，絞刀軸承與靠近絞刀的1#中間軸承所受負荷差值過大，不利于軸系長期安全可靠的工作，因此，將絞刀軸承與1#中間軸承負荷差的極小值作為目標函數。設第i號支座為絞刀軸承，第j號支座為1#中間軸承。

(6)

2) 約束集。據上述約束條件分別計算各軸承的最大與最小允許負荷，以此作為約束集，進行求解。

(7)

(8)

式中：[Fi]min、[Fi]max，分別為給定軸承的最小及最大允許負荷，kN。

3) 2種狀態聯合求解。因此確定目標函數與約束后，可用計算機編程對2種挖深狀態同時進行求解計算，通過調整軸承變位改變各軸承負荷，直至計算各軸承負荷、彎矩均滿足條件為止。該方法將軸承最終變位設為未知數，調整變位使2種校中狀態同時得到滿足，確定最佳方案。

5 軸系安裝

5.1 確定軸系理論中心線

原則上以絞刀軸承中心線的延長線為絞刀軸系理論中心線，以齒輪箱輸出軸中心線的延長線為中間軸承安裝參考線。通過對6 500 m3/h絞吸式挖泥船進行校中計算可知，絞刀軸承中心線的延長線與齒輪箱輸出軸中心線的延長線的間距為2.67 mm。

5.2 激光儀的安裝與校正

激光發射器安裝于齒輪箱的輸出法蘭上，如圖1，此時光束即為齒輪箱輸出軸中心線的延長線，即中間軸承安裝參考線。將光束射到絞刀軸承處，用光靶在絞刀軸承前后端調整齒輪箱的頂升頂推螺釘使其光束距絞刀軸承中心延長線(絞刀軸系理論中心線)距離為2.67 mm。

圖1 激光儀安裝示意圖

5.3 中間軸承安裝校正

各個軸承到位后，粗校各軸承的中心，相對光點的偏移量在5 mm以內，進行軸承的初步定位。按1#～5#中間軸承這樣的順序，依次將光靶先后放在各個軸承前后端進行偏移量的調整，以齒輪箱輸出軸中心線的延長線作為中間軸承安裝參考線時，x、y為各中間軸承定位初始偏移量即初始定位時相對中間軸承安裝參考線的距離，偏移量的數值見表7。并用螺栓頂升和前后左右頂推螺栓法固定調整各中間軸承組合件。

表7 中間軸承定位初始偏移量 mm

調整完畢后，用20 mm寬的劃規以橋架平臺為基準，沿著基座劃線，該線為基座的切割線。最后以機械的方式，對每一個中間軸承基座進行精料。

5.4 中間軸承座焊裝定位

焊裝前，橋架上的所有設備必須安裝到位且功能調試完畢，并把橋架調整到水平位置，處于懸吊狀態。將精過料的5個中間軸承座，分別吊到各自的位置。按1#～5#中間軸承排序，依次將光靶先后放在各個軸承前后端進行偏移量的調整，中間軸承定位最終偏移量的數值見表8。

表8 中間軸承定位最終偏移量 mm

焊接結束后，需用螺栓頂升和前后左右頂推螺栓法調整各中間軸承，使各中間軸承達到表8的要求。

5.5 絞刀軸系及附件安裝

依圖2在5#中間軸上放置臨時支撐,并調整臨時支撐，使其支撐力為66.868 kN,向下調整齒輪箱，使其與5#中間軸右法蘭的偏移為(0.012 5±0.08) mm(即5#中間軸右法蘭低于齒輪箱輸出軸法蘭)，曲折值為(0.080 4±0.05) mm(即法蘭開向口)，見圖3，連接5#中間軸右法蘭與齒輪箱輸出軸法蘭，移開臨時支撐。并用螺栓頂升和前后左右頂推螺栓法固定調整齒輪箱。軸系安裝后，移走所有的臨時支撐，通過千斤頂頂舉系數法，檢驗軸系的安裝狀態。

圖2 軸系安裝示意圖

圖3 法蘭偏移與曲折示意圖

6 結束語

軸系校中對保證軸系安全運行至關重要，校中各關鍵因素對最終結果均有影響，應綜合考慮各影響因素并聯系實際情況，最后得出可行結論。本文所提出的模型簡化方法、橋架變形量及軸承間隙等對校中的影響、線性規劃法聯合求解、軸系安裝建議等均通過實例進行驗證，對絞吸式挖泥船的軸系校中具有指導意義。

[1]何炎平，譚家華. 大型自航絞吸式挖泥船的發展和有關問題的思考[J].中外船舶科技,2008(2):8-13.

[2]何炎平，馮長華，顧敏童，等.“天鯨”號大型自航絞吸式挖泥船[J].船舶工程,2009(5):1-5.

[3] 周瑞平，徐立華，張昇平，等.船舶推進軸系校中若干技術問題研究[J].船舶工程,2004(6):48-52.

[4]王正興，周瑞平.大型絞吸式挖泥船疏浚設備軸系設計關鍵技術研究[J].船舶工程,2015(8):34-38.

[5]梅歡.大型絞吸式挖泥船絞刀軸校中與振動計算分析研究[D].武漢：武漢理工大學，2009.

[6]中國船級社.鋼質海船入級規范[M].北京：人民交通出版社,2012.

[7]周瑞平，姚世衛，張昇平，等.三彎矩方程的理論研究及在軸系校中方面的應用[J].武漢理工大學學報,2005(5):76-79.

Cutter shaft is one of the core components of the cutter suction dredger and shaft alignment calculation analysis is essential at the beginning of shaft design.Normative guidance on shafting alignment of dredging equipment have not been put forward by any research institutions no matter at home or abroad.It's calculation method is mainly referred to the ship propulsion shafting alignment.In this paper,based on all factors considered,6 500 m3/h large cutter suction dredger is simplified as model,and shafting aligment calculation is carried out in three conditions including working status of 6 m and 36 m water depth and horizontal suspension installation status.Finally,suggestion is put forward for shipyard to install the shafting.The results show that the proposed method provides a theoretical basis for the shafting alignment and installation of dredging equipment with important guiding significance.

cutter suction dredger;shaft alignment;installation;technical studies

孫亭亭(1992-)，女，山東德州人，在讀碩士研究生，研究方向為船舶動力裝置性能分析及振動噪聲控制。

U664

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.06.006

2016-07-21