高速艇推進(jìn)軸系設(shè)計(jì)研討

楊濤　張周磊　付國(guó)偉

摘要：本文以孟加拉巡邏艇軸系設(shè)計(jì)為例，對(duì)高速艇推進(jìn)軸系的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行研討，并簡(jiǎn)要介紹了高速艇軸系設(shè)計(jì)的某些方法。

關(guān)鍵詞：高速艇；推進(jìn)軸系；設(shè)計(jì)；要點(diǎn)

1.引言

推進(jìn)軸系是確保船舶安全運(yùn)行、總體性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求以及提高船舶使用壽命的重要因素。

高速快艇與常規(guī)船舶相比具有不同的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為：船體型寬小，型深低，尾部空間狹窄，而主機(jī)功率大，軸長(zhǎng)與軸徑的比值較大等等。軸系設(shè)計(jì)過(guò)程中，需根據(jù)以上特點(diǎn)并結(jié)合艇體結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析，采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)程序和設(shè)計(jì)方法，方可得到一個(gè)合理可行的軸系方案。現(xiàn)以某孟加拉巡邏艇軸系設(shè)計(jì)為例，簡(jiǎn)要介紹有關(guān)陜艇軸系的一些設(shè)計(jì)步驟和要點(diǎn)。

2.高速艇的相關(guān)參數(shù)

主尺度：總長(zhǎng)-43m，型寬-6.4m，型深-3.6m；

最大航速：不小于25kn；

主機(jī)功率約：2臺(tái)x2000kW；

軸系全長(zhǎng)：-11m；

中間軸徑：φ130mm。

3.涉及規(guī)范

CCS各種規(guī)范對(duì)軸系的要求大同小異。高速艇由CCS檢驗(yàn)，軸系滿足規(guī)則規(guī)范：

（1）ccs《水面艦艇人級(jí)規(guī)范2011》（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”）及其修改通報(bào)；

（2）CCS《材料與焊接規(guī)范2012》（以下簡(jiǎn)稱“材料規(guī)范”）及其修改通報(bào)。

4.推進(jìn)軸系設(shè)計(jì)方法和要點(diǎn)

4.1主機(jī)的選型

本類型艇航速高，推進(jìn)功率大，而機(jī)艙布置空間狹小，故對(duì)重量控制要求嚴(yán)格。為此，須選配功率大、重量輕的高性能高速柴油機(jī)作為主推進(jìn)動(dòng)力。可供選用的知名品牌有MTU、CAT、CUMMINS、VOLVO、MWM等，主要是進(jìn)口品牌或引進(jìn)技術(shù)的柴油機(jī)。

確定柴油機(jī)型號(hào)時(shí)，除其功率須滿足要求外，其外型尺寸、重量、排放標(biāo)準(zhǔn)、售后服務(wù)等應(yīng)作為重要因素考慮，其次應(yīng)兼顧制造成本、船東意向等因素。

此外，選用高性能柴油機(jī)還須注意主機(jī)滿負(fù)荷使用率和年平均運(yùn)行時(shí)間兩個(gè)參數(shù)。

本高速艇選用河南柴油機(jī)有限公司生產(chǎn)的引進(jìn)MWM技術(shù)的TBD620V16型柴油機(jī)作為推進(jìn)主機(jī)。

4.2齒輪箱選配

齒輪箱選配與主機(jī)參數(shù)有關(guān)，為此，在確定主機(jī)型號(hào)以后，方可進(jìn)行齒輪箱選型。選型時(shí)除考慮其重量、外型尺寸、成本外，還須考慮以下主要因素：

（1）輸入轉(zhuǎn)速：齒輪箱的額定輸入轉(zhuǎn)速不得小于主機(jī)的額定轉(zhuǎn)速；

（2）傳遞能力：其能力應(yīng)不小于主機(jī)額定功率與主機(jī)額定轉(zhuǎn)速的比值，通常以kW/r/min表示；

（3）使用負(fù)荷：選用國(guó)外技術(shù)品牌的齒輪箱，要注意船舶年平均使用時(shí)間，對(duì)于同一型號(hào)的齒輪箱，如年平均使用時(shí)間增加，用于設(shè)計(jì)輸入的傳遞能力取值會(huì)降低。國(guó)產(chǎn)齒輪箱，僅有持續(xù)載荷參數(shù)；

（4）傳動(dòng)比：根據(jù)螺旋槳轉(zhuǎn)速及主機(jī)轉(zhuǎn)速，可確定齒輪箱的傳動(dòng)比；

（5）反轉(zhuǎn)、離合功能：對(duì)于采用可變螺距螺旋槳的推進(jìn)系統(tǒng)，需選用無(wú)正反轉(zhuǎn)功能的齒輪箱；對(duì)于采用固定螺距螺旋槳的推進(jìn)系統(tǒng)，選用具有離合及正反轉(zhuǎn)功能的齒輪箱；

（6）PTO功能：對(duì)需要軸帶大功率裝置的軸系，往往選用帶PTO功能的齒輪箱。

（7）船東意向和售后服務(wù)情況：設(shè)備廠家維修服務(wù)和配件供應(yīng)渠道應(yīng)讓用戶滿意。

（8）其他：采用螺旋槳推進(jìn)時(shí)，應(yīng)該考慮齒輪箱是否需要帶推力軸承。

4.3軸系布置

軸系布置設(shè)計(jì)應(yīng)采用的步驟和方法。

4.3.1軸系中心線的確定

（1）水平位置：根據(jù)軸系數(shù)量、主機(jī)寬度、機(jī)艙寬度等因素，確定軸系水平面布置位置；

（2）螺旋槳定位：由總體專業(yè)根據(jù)尾部線型、槳直徑和舵裝置位置及槳可拆空間等情況確定螺旋槳中心前后位置；

（3）垂向位置：根據(jù)主機(jī)與齒輪箱組合的高度和機(jī)艙底部結(jié)構(gòu)及主甲板高度，確定主機(jī)和齒輪箱距基線的高度。其確定方法為：軸系中心線高度=基座高+墊片厚度+齒輪箱安裝面至輸出軸中心線的高度

（4）主機(jī)縱向位置：根據(jù)艇體尾部結(jié)構(gòu)和齒輪箱外型尺寸及機(jī)艙長(zhǎng)度等參數(shù)，確定主機(jī)齒輪箱在機(jī)艙內(nèi)的前后位置；

（5）初定軸系中心線：經(jīng)過(guò)上述步驟后，螺旋槳中心點(diǎn)和齒輪箱輸出法蘭中心點(diǎn)的連線可初步確定為軸系的中心線；

（6）軸系中心線調(diào)整應(yīng)注意點(diǎn)：螺旋槳軸中心線應(yīng)與齒輪箱和主機(jī)中心線平行，并且齒輪箱輸出軸中心線應(yīng)盡量與螺旋槳軸中心線同軸心；軸系中心線應(yīng)盡量與艇體基線平行；

（7）布置檢查：在初步確定軸系布置后，應(yīng)根據(jù)主機(jī)、齒輪箱外型尺寸和機(jī)艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行放樣核查，對(duì)有夾角的軸系，需由總體專業(yè)進(jìn)行推力分析核算，評(píng)估軸系布置對(duì)總體I生能的影響。

4.3.2軸承設(shè)置

軸承設(shè)置可采用以下步驟和方法：

（1）尾軸管軸承：通常，螺旋槳軸設(shè)有后軸承和前軸承，如果兩者之間的跨距過(guò)大，其中間可增加1～2道軸承。后軸承應(yīng)盡量靠近螺旋槳；

（2）中間軸承：根據(jù)螺旋槳前軸承與齒輪箱后軸承的跨距大小設(shè)置中間軸承；

（3）軸承跨距：通常由規(guī)范或設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，并結(jié)合艇體結(jié)構(gòu)的布置情況來(lái)確定。主要方法是，軸承應(yīng)盡量布置在艇體強(qiáng)結(jié)構(gòu)處，并盡量使其跨距滿足《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》或其它船級(jí)社規(guī)范的推薦值。

4.3.3中間軸設(shè)置

根據(jù)軸系布置情況設(shè)置中間軸，對(duì)于長(zhǎng)軸系，可設(shè)1-2根中間軸。

4.3.4聯(lián)軸節(jié)

小型艇的尾軸從艇尾部向前穿，為此，螺旋槳軸采用可拆式聯(lián)軸節(jié)與中間軸的固定法蘭聯(lián)接，中間軸與齒輪箱或主機(jī)采用固定式法蘭聯(lián)接。

4.3.5軸系附屬設(shè)施

（1）隔艙填料函：在軸穿過(guò)水密艙壁處應(yīng)設(shè)有隔艙填料函；

（2）制動(dòng)裝置：配置軸系制動(dòng)裝置，可防軸系隨水流自轉(zhuǎn)，保護(hù)齒輪箱和軸承；

（3）接地裝置：可設(shè)接地裝置，軸系與艇體連通，減少兩者之間的電位差，以使軸系亦可受到艇體上的犧牲陽(yáng)極防腐蝕保護(hù)；

（4）其它：根據(jù)實(shí)際所需在軸系上配置扭力儀等。

4.4尾軸尾管總裝設(shè)計(jì)

完成軸系布置以后，方可進(jìn)行尾軸尾管總裝設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)通常采用以下步驟和方法。

4.4.1潤(rùn)滑型式確定

尾軸承潤(rùn)滑常用油潤(rùn)滑或水潤(rùn)滑型式。孟國(guó)拉巡邏艇采用水潤(rùn)滑型式，水潤(rùn)滑型式具有環(huán)保性好、無(wú)后密封裝置、冷卻效果好、維修方便等特點(diǎn)，但對(duì)于航行于重泥沙水域的船艇，應(yīng)注意選用耐磨軸承材料。

4.4.2軸徑確定

首先應(yīng)根據(jù)船舶規(guī)范要求進(jìn)行軸系強(qiáng)度計(jì)算，確定各軸段的基本直徑，以及軸套厚度。

4.4.3軸承規(guī)格確定

后軸承最小長(zhǎng)度按規(guī)范計(jì)算，而其厚度，規(guī)范未作規(guī)定，常按經(jīng)驗(yàn)取得。軸承內(nèi)孔尺寸與所配軸頸直徑匹配，并保證裝配公差要求。在確定實(shí)際軸承規(guī)格時(shí)，應(yīng)盡量選用廠家標(biāo)準(zhǔn)件，以節(jié)省制造成本，提高其互換性。本艇螺旋槳軸的前軸承長(zhǎng)度取1.5倍計(jì)算軸徑。

4.4.4軸承位置確定

鄰近螺旋槳的后軸承定位時(shí)，注意核查其后端面與螺旋槳端面間的距離，應(yīng)盡量減少螺旋槳軸后端懸臂長(zhǎng)。

4.4.5螺旋槳裝配型式

小型快艇廣泛采用錐面配合有鍵連接方式，其螺旋槳鍵宜采用雪橇型，其鍵槽設(shè)計(jì)應(yīng)滿足規(guī)范要求。螺旋槳錐孔兩端應(yīng)采用密封措施，以防止海水滲入槳轂錐孔而引起腐蝕。

4.4.6配合公差確定

軸套與軸之間，軸與軸承間，軸承與軸承座間，密封裝置與配合件之間均應(yīng)標(biāo)出配合公差。軸套與軸之間應(yīng)采用過(guò)盈配合，其過(guò)盈量可參照CB*228標(biāo)準(zhǔn)確定；軸與軸承間為間隙配合，其間隙值可參考CB/T3420或等效標(biāo)準(zhǔn)確定；軸承與軸承座間，常采用過(guò)渡配合；密封裝置與其偶合件之間配合公差按廠家推薦。

4.5軸材料選用

確定軸材料是軸系設(shè)計(jì)重要的一環(huán)，所選用軸材料的機(jī)械性能和化學(xué)成份應(yīng)符合規(guī)范的限定。為了減少軸表面質(zhì)量的敏感性，建議軸的抗拉強(qiáng)度小于800MPa。通常按以下方法確定軸材料：

4.5.1原材料選用

（1）熱軋圓鋼。如果軸可用直徑不超過(guò)φ250 mm的熱軋圓鋼加工成品，則可選用熱軋圓鋼而無(wú)須采用鍛件；

（2）鍛件。任何規(guī)格的軸均可采用鍛件。如采用鍛件，其化學(xué)成份和機(jī)械性能均須滿足CCS《材料與焊接規(guī)范》有關(guān)軸系鍛件的要求。

4.5.2證書要求

推進(jìn)軸系用材料均應(yīng)取得CCS認(rèn)可的材料證書；

4.5.3材質(zhì)的選用

船舶主推進(jìn)軸采用碳鋼或碳錳鋼或合金鋼，并可參照選用CB/T1159標(biāo)準(zhǔn)所推薦的材質(zhì)。亦有一些小型快艇的尾軸裸露在海水中，而采用防腐性能比較好的不銹鋼材質(zhì)。

4.6軸零件設(shè)計(jì)

在完成軸系布置和尾軸尾管總裝設(shè)計(jì)后，方可進(jìn)行軸零件圖設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)軸零件時(shí)，須參照總裝圖和軸系布置圖進(jìn)行。

4.6.1與螺旋槳裝配的軸段設(shè)計(jì)

對(duì)小型快艇，螺旋槳與軸通常采用錐度配合有鍵聯(lián)接方式。

（1）錐體。其錐度為1/20-1/10，長(zhǎng)度通常由螺旋槳轂長(zhǎng)度決定，并滿足裝配后，軸錐體小端凹進(jìn)螺旋槳后端10-20 mm，且螺旋槳孔大端不得超出軸錐體大端；

（2）鍵槽。應(yīng)滿足規(guī)范要求，鍵槽寬度常以軸錐體大端直徑為基數(shù)確定；

（3）尾螺紋。螺旋槳由專用螺帽或?qū)Я髅惫潭ǎ渎菁y軸端直徑應(yīng)不小于螺旋槳軸錐體大端計(jì)算直徑的60%。

4.6.2軸頸設(shè)計(jì)

（1）軸頸位置。軸頸在軸上的位置應(yīng)滿足軸系布置和尾管總裝圖的要求，并注意軸徑大小的變化方向應(yīng)與施工穿軸方向相吻合；

（2）直徑確定。軸頸通常比基本軸徑大5-10mm，留有足夠的磨損余量，對(duì)采用軸套的軸頸，比基本軸徑大1～5 mm，且應(yīng)注意其軸徑的變化方向應(yīng)與裝配軸套方向相吻合；

（3）長(zhǎng)度。與各軸承配合處的軸頸長(zhǎng)度需超出軸承兩端面20-50 mm。對(duì)采用包玻璃鋼保護(hù)的軸，軸頸兩端還應(yīng)留有足夠的包扎過(guò)渡空間。

4.6.3基本軸段設(shè)計(jì)

除需通過(guò)加大軸徑來(lái)調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率外，通常各段基本軸的直徑比規(guī)范計(jì)算值大5～10 mm，且允許從尾部向前，逐漸過(guò)渡到中間軸直徑。CCS規(guī)范允許不銹鋼軸實(shí)取直徑比計(jì)算值減少10%，但本文認(rèn)為，如要采納此條意見，建議進(jìn)行屈服安全系數(shù)核算，其結(jié)果應(yīng)符合相關(guān)要求。

4.6.4與聯(lián)軸節(jié)裝配的軸段設(shè)計(jì)

尾軸與中間軸用可拆聯(lián)軸節(jié)聯(lián)接，常用可拆聯(lián)軸節(jié)有：機(jī)械可拆聯(lián)軸節(jié)和液壓可拆聯(lián)軸節(jié)兩種型式。機(jī)械可拆聯(lián)軸節(jié)與軸聯(lián)接為錐度配合有鍵聯(lián)接方式，采用人工研配法安裝，其設(shè)計(jì)方法與上述螺旋槳的裝配軸段設(shè)計(jì)方法相似。而液壓可拆聯(lián)軸節(jié)與軸連接常為直軸無(wú)鍵配合方式，該軸段通常為直軸，其尺寸應(yīng)按液壓聯(lián)軸節(jié)廠家要求設(shè)計(jì)。

4.6.5中間軸設(shè)計(jì)

中間軸兩端采用固定法蘭型式，與尾軸或中間軸、齒輪箱輸出法蘭連接，其法蘭厚度應(yīng)滿足規(guī)范要求。對(duì)應(yīng)中間軸承的位置應(yīng)設(shè)有軸頸，其軸徑比基本軸徑大5-10 mm，長(zhǎng)度比中間軸承寬度多50-100 mm。

4.6.6連接螺栓設(shè)計(jì)

軸系連接采用普通螺栓或，和鉸孔螺栓，無(wú)論采用何種連接型式，其連接螺栓直徑均須按照規(guī)范要求進(jìn)行強(qiáng)度校核。螺栓在法蘭盤上的分布位置，應(yīng)保證不會(huì)對(duì)連接法蘭根部產(chǎn)生嚴(yán)重根切。

4.6.7軸零件加工公差確定

推進(jìn)軸零件的各軸段或/和法蘭均應(yīng)有形狀公差和位置公差要求。形狀公差有：圓度、圓柱度、平面度等；位置公差有：各軸頸相對(duì)于軸中心線的跳動(dòng)公差，連接法蘭相對(duì)于軸中心線的垂直度、端面跳動(dòng)、法蘭外圓徑向圓跳動(dòng)等。其公差值可參照CB*228標(biāo)準(zhǔn)確定。

4.6.8其它

倒角、圓角、表面光潔度。為了減少表面的應(yīng)力集中等問(wèn)題，在軸變徑處應(yīng)有足夠尺寸過(guò)渡倒角或圓角，且整個(gè)軸的外表面應(yīng)具有足夠的表面光潔度。表面光潔度取值參照CB*228標(biāo)準(zhǔn)確定。對(duì)受較復(fù)雜交變應(yīng)力或易產(chǎn)生摩擦阻力的軸段，可適當(dāng)提高其表面光潔度。

4.7軸系計(jì)算

4.7.1軸系強(qiáng)度計(jì)算書

在軸系設(shè)計(jì)開始前，應(yīng)按照規(guī)范有關(guān)規(guī)定進(jìn)行軸系強(qiáng)度計(jì)算，首先確定中間軸和螺旋槳軸的基本直徑，然后根據(jù)實(shí)際軸系布置、總裝圖等調(diào)整計(jì)算書中數(shù)據(jù)，使計(jì)算書中內(nèi)容與圖紙一致。計(jì)算的主要項(xiàng)目包括：

（1）基本軸徑計(jì)算。應(yīng)按照規(guī)范計(jì)算中間軸、螺旋槳軸及其它軸段的直徑；

（2）軸套厚度計(jì)算；

（3）連接螺栓強(qiáng)度校核；

（4）法蘭厚度校核；

（5）鍵強(qiáng)度校核等。

4.7.2縱向穩(wěn)定性核算

對(duì)于快艇，其軸承跨距往往大于規(guī)范的推薦值，且軸向推力大，為此需按照CB/Z208標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，對(duì)跨距與軸徑比值最大的軸段進(jìn)行縱向穩(wěn)定性核算。如果計(jì)算不滿足要求，可采用調(diào)整軸徑、選用彈性系數(shù)較高的材料、減少承軸跨距等措施，或按規(guī)范要求設(shè)轉(zhuǎn)速禁區(qū)。

4.7.3回旋振動(dòng)估算

對(duì)于快艇，其軸承跨距較大，除上述計(jì)算外，往往需增加軸系橫向振動(dòng)核算。核算方法可參照CB/Z208標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，其計(jì)算所得臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)超過(guò)軸系最大轉(zhuǎn)速20%。如計(jì)算不滿足要求，可調(diào)整軸徑或軸承跨距等參數(shù)，或按規(guī)范要求設(shè)轉(zhuǎn)速禁區(qū)。

4.7.4扭振計(jì)算

對(duì)于快艇，主機(jī)功率大，往往需要進(jìn)行軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)理論計(jì)算。通常采用軟件程序計(jì)算，但該計(jì)算軟件應(yīng)得到船檢認(rèn)可。如計(jì)算不滿足要求，可采用調(diào)整軸徑、改變彈性聯(lián)軸器參數(shù)等措施。除計(jì)算外，在首制艇上還需進(jìn)行振動(dòng)實(shí)測(cè)。轉(zhuǎn)速禁區(qū)設(shè)置須滿足規(guī)范要求。

4.7.5縱向振動(dòng)計(jì)算

通常，對(duì)于螺旋槳至推力軸承的距離大于60倍中間軸的軸系應(yīng)進(jìn)行縱向振動(dòng)計(jì)算。其最大縱向振幅值不得超過(guò)規(guī)范要求，否則需設(shè)轉(zhuǎn)速禁區(qū)。

4.7.6校中計(jì)算

對(duì)于快艇，其軸系布置與常規(guī)艇具有不同的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為軸系較長(zhǎng)，尾管內(nèi)軸承數(shù)量不止2道，往往難以保證軸承負(fù)荷合理分配和軸系的內(nèi)應(yīng)力在規(guī)定范圍內(nèi)。為此，除規(guī)范規(guī)定外，通常對(duì)小型快艇也進(jìn)行軸系校中計(jì)算。計(jì)算的參數(shù)主要有：各軸承負(fù)荷、軸承負(fù)荷影響系數(shù)、指定截面的彎矩、剪力、轉(zhuǎn)角、撓度等。其計(jì)算結(jié)果將用于軸系安裝對(duì)中工藝。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，軸系應(yīng)按照規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)無(wú)法滿足規(guī)范或存在疑問(wèn)的項(xiàng)目，應(yīng)增加理論核算以消除疑慮。本文以孟加拉巡邏艇為例，簡(jiǎn)述了快艇軸系設(shè)計(jì)的一些方法和要點(diǎn)，可供相關(guān)人員共同研討。