船舶螺旋槳無鍵安裝壓入計算與裝配工藝

莊先鋒

摘 要：船舶螺旋槳與尾軸的無鍵聯接方式在大中型船舶上廣泛采用，而螺旋槳無鍵安裝壓入計算的正確性和安裝質量的好壞，直接影響到船舶軸系運行的可靠性。本文以57 000 DWT散貨輪為例，探討螺旋槳無鍵聯接的計算方法及其安裝工藝。

關鍵詞：螺旋槳；油壓安裝；壓入計算；裝配工藝

中圖分類號：U661.33 文獻標識碼：A

The Keyless Propeller Hydraulic Press-in Calculation and the Assembly Process for Ship

ZHUANG Xianfeng

（ COSCO Shipping BulkK Co.，Ltd， Guangzhou 510220 ）

Abstract： The keyless connection between ship propeller and tail shaft is widely used in large and medium-sized ships.Its calculation correctness and installation quality of propeller， directly affect the reliability of ship shafting operation， also relate to the safety of navigation， In this paper， with 57000 DWT Bulk Carrier as an example， the calculation method and technology of propeller assembly by hydraulics are discussed.

Key words： Propeller； Hydraulic installation； Press-in calculation； Assembly process

1 前言

螺旋槳與軸的聯接方法，主要有有鍵聯接法、無鍵聯接法和環氧樹脂膠合法等形式。其中，無鍵聯接法通常是采用油壓方法將螺旋槳冷套裝在無鍵錐體尾軸上的一種安裝拆卸方法，具有裝拆方便、可減少尾軸應力集中等優點。本文以57，000DWT散貨輪為例，對螺旋槳無鍵安裝壓入計算和裝配工藝進行探討。

2 螺旋槳無鍵安裝壓入計算

螺旋槳無鍵安裝需要計算的主要內容包括：軸向推入量計算；軸向推力計算；起始點負荷計算。

2.1 計算原始參數

（1）主機參數

型號 MAN B&W 6S50MC-C

額定功率（MCR） Ne=9 480 kW

額定轉速 ne=127 r/min

名義扭距（MCR） 7.129×105

（2）螺旋槳軸參數

材料 鍛鋼

彈性模數 E1=20.6×104 N/mm2

泊松比 μ1=0.29

線膨脹系數 α1=12×10-6/℃

（3）螺旋槳參數

材料 鎳鋁青銅

彈性模數 E2=11.8×104 N/mm2

泊松比 μ2=0.33

線膨脹系數 α2=17.5×10-6/℃

屈服強度 σs=245 N/mm2

推力 δ=9.486×105 N

（4）結構參數

螺旋槳軸尾端錐度 K=1/20

套合接觸長度 L=1 039 mm

軸中孔直徑 d0=0 mm

套合接觸處軸平均直徑 d1=482.47 mm

槳轂平均外徑 d2=989.37 mm

（5）其它參數

套合接觸面積 A=π×d1×L=1.577×106 mm2

系數 K1=d0 / d1=0

K2=d2 / d1=2.052

C1=（1+ K12 ）/（1- K12 ）-μ1=0.71

C2=（K22+1）/（K12-1）+μ2=1.91

2.2 軸向推入量計算

如采用無鍵安裝螺旋槳的裝配工藝（見圖1），裝配完成后應保證螺旋槳錐孔與尾軸錐面的摩擦力能達到傳遞足夠扭矩，并保證螺旋槳內孔接觸面不會產生塑性變形。為此，在裝配前需要對螺旋槳軸向推入量進行計算。

根據CCS規范，推入量S需滿足以下要求：

S1 ≤S≤S2 （1）

式中：S——裝配軸向推入量，mm；

S1 ——最小軸向推入量，mm；

S2 ——最大軸向推入量，mm。

最小軸向推入量S1按下式：

S1 =[4 7750×104 ×Ne ×η/ （ A×ne ）×（C1 /E1 +C2 /E2 ）+（α2 -α1 ）×（35-t）×d1 +0.03] / KS2 = [ 0.7×σs×d1 ×（K22 -1） / （3K24 +1）1/2×（C1 /E1 +C2 /E2 ）- （α2 -α1 ）×d1 ×t] / K （2）

當螺旋槳套合時的溫度t=0 ℃時：S1，0 =11.33，S2，0 =14.20；

t=35 ℃時：S1，35 =9.47，S2，35 =12.34。

因此，當t=0 ℃和35 ℃時的推入量為：

S0 =（ S1，0 + S2，0 ） / 2=12.77；

S35 =（ S1，35 + S2，35 ） / 2=10.90。

圖2為推入量與溫度關系圖。圖中，最高處的直線為壓入最大值，最低處的直線為壓入最低值，中間處的直線為平均壓入值。

2.3 軸向推力計算

通過液壓螺母將螺旋槳安裝至尾軸理論位置所需的軸向推力，按下式計算：

F=PAsinα+μPAcosα （3）

式中：F——螺旋槳安裝時所需的理論軸向推力，N；

P——比壓，P=（S×K/d1 ）×[1/（C1 /E1 +C2 /E2 ）]=5.28S N/mm2；

μ——螺旋槳與螺旋槳軸的壓入摩擦系數；

sinα=K/（K2 +4）1/2 =0.025；

cosα=2/（K2 +4）1/2 =0.999 7。

取μ為0.01、0.02、0.03三種狀態：

當μ=0.01時，F0.01 =2.96×106 S N；

當μ=0.02時，F0.02 =3.75×106 S N；

當μ=0.03時，F0.03 =4.58×106 S N。

將計算結果繪成推入量與推力關系圖（見圖3）。由于實際安裝時，有許多外界因素直接影響推力，而摩擦系數也各不相同，因此推入量與推力可用插值法確定。

2.4 起始點負荷計算

起始點負荷，就是油壓推入時的起始負荷。螺旋槳套合到尾軸后，在槳轂內無油壓情況下將螺旋槳推入軸錐端，并使其內孔與尾軸錐面緊密結合。推入起始點時，槳轂孔與軸錐面的實際接觸面積應不小于理論接觸面積的70%，達到此要求后才可進行下一步的油壓推入裝配工作。

起始點負荷按下式計算：

W=A （ 0.002+K/20 ） [ P1+18 （α2–α1） / B3 ] （4）

式中：W--開始壓裝螺旋槳時的軸向推力N；

A--理論接觸面積，A=1.577×106 mm2 ；

K--錐度，K=1/20；

α1 --軸線脹系數，α1 =12×10-6 /℃；

α2 --槳線脹系數，α2 =17.5×10-6 /℃；

P1 =2M{[1+V1（F12/M2+1）]1/2 -1}/AKV1 =60.35N/mm2；

M--螺旋槳推力，M=9.486×105 N；

V1 =0.51×（μ4 /K ） 2 -1=2.45；

μ4--油壓套裝螺旋槳時轂與軸的摩擦系數，取μ4 =0.13；

F1 =2Q （ 1+C ） / d1 =3.55×105 kgf；

Q--所選用功率和轉速時的平均扭矩，Q=7.129×108 N.mm；

C--選用轉速下扭矩波動量與此轉速下平均扭矩的比值，取C=0.2；

B3 =C1 /E1 + C2 /E2 =1.96×10-5；

E1--槳軸材料彈性模數，E1 =20.6×104 N/mm2 ；

E2--槳轂材料彈性模數，E2 =11.80×104 N/mm2 ；

C1--同前，C1 =0.71；

C2--同前，C2 =1.91。

液壓螺母活塞環形面積Ap=1.056×105 mm2 ；

液壓螺母活塞所需油壓P=W/Ap =4.39 N/mm2（Pa）。

代入公式（4），可得起始點負荷為：

W=464 111.1 N

3 螺旋槳無鍵安裝工藝

3.1 車間內驗證

（ 1 ）螺旋槳錐孔與尾軸錐面的拂配

在安裝前，應對螺旋槳軸錐部與螺旋槳內孔進行拂配，其接觸面積應不小于理論接觸面積的70%，且每25×25 mm2內不少于3個油斑點，特別是在錐孔的兩端不得有間斷之處，用0.03 mm塞尺檢查，插入深度不應超過10 mm，寬度不應超過15 mm，做好拂配線。

（ 2 ）螺旋槳錐孔與尾軸錐面的清潔

在安裝前，應先用清洗劑清洗螺旋槳錐孔和螺旋槳軸的錐面，使配合表面無油脂等雜物。

（ 3 ）螺旋槳的吊裝

將螺旋槳吊裝到位，并旋上液壓螺母擰緊到位。液壓螺母旋入前，應清潔螺母內螺紋及尾軸外螺紋。

（ 4 ）螺旋槳車間試裝及拆卸

在車間內場必須先正式試裝合格，檢查有無泄漏等異常情況現象，并記錄推入量及油壓力。試裝步驟與船上安裝相同，螺旋槳拆卸步驟如下：

① 松開液壓螺母，在螺母與槳轂端面之間墊上木板，木板與槳轂端面之間保留間隙約為10 mm；

② 將槳轂上的進油管接好（徑向壓力腔），放掉系統內空氣；

③ 緩慢升壓，待升至裝配記錄油壓時停止升壓，螺旋槳可順利松下；

④ 若仍拆不下時，可將油壓繼續緩慢升高，直至槳松動為止；

⑤ 在拆卸過程中，如有異常情況，應在恢復正常后方可進行下一步工作。

3.2 螺旋槳船上安裝

在完成上述車間驗證工作后，進行船上安裝工作。

（ 1 ）接通液壓管路，安裝磁性千分表，如圖4所示；

（ 2 ）測量槳轂及螺旋槳軸的溫度，兩者溫度應相等。然后根據螺旋槳液壓安裝計算中的推入量及溫度曲線，選取中間一根，算出該溫度下的推入量。

此外，推入量的確定，也可根據下式計算：

dt=12.77-0.053 428 571 4 t （5）

式中：t —槳轂與軸的溫度。

（ 3 ）打開（軸向）閥1向液壓螺母泵油，放盡內部空氣，然后起壓，當油壓升至起始點計算值4.39 MPa時停止供油，將兩只磁力百分表調整至零位，即完成初始壓入；

（ 4 ）打開閥1、閥2再啟動油泵軸向徑向升壓，壓入量每隔0.5 mm記錄一次油壓，直至槳推入到實際溫度下的計算值，關閉閥1、閥2，然后在坐標紙上將以上各點連成線，如圖5所示（圖中壓力不代表實際壓力，必要時根據CCS和船東意見調整壓入量，只要在計算范圍內即可）；

（ 5 ）液壓螺母繼續持壓（軸向），先卸去槳轂中的高壓油（徑向），待15～20分鐘后再卸去軸向油壓，注意螺旋槳有無移動，記錄實際壓入量，并標注好螺旋槳在軸上的位置；

（ 6 ）在安裝過程中繪制油泵壓力與推入量關系圖；

（ 7 ）在整個安裝過程如出現異常情況（壓入量、軸向力和徑向力不在正常范圍），則需及時處理后再進行下一步；

（ 8 ）旋緊液壓螺母，壓緊環形活塞，放盡剩油然后旋上螺塞；

（ 9 ）拆除尾管密封裝置固定架，將密封襯套及橡膠圈（預先套在軸上）用螺栓壓緊，固定在槳上并測量密封裝置的軸向尺寸和螺旋槳軸的下沉量，做好記錄；

（ 10 ）按圖安裝止動塊，再完善導流帽、防護罩漁網割刀等工作。

4 結語

船舶螺旋槳采用無鍵液壓安裝工藝，具有安裝方便、勞動強度低、槳易拆裝等特點。實踐表明這一技術是可靠的，并且已被廣泛應用。但其計算結果的正確性和安裝質量，將直接影響到船舶的安全運行，因此其計算和安裝結果均需得到船檢認可。

參考文獻

[1] 蔣建新.無鍵液壓聯接螺旋槳的液壓聯接計算 [J] .船舶設計通訊，

2004（2）.

[2] 羅斌，呂庭豪.3 7420 t多用途船螺旋槳液壓無鍵聯接的設計與安裝

工藝[J]. 船海工程， 2003（4）.

[3] 吳宗榮. 船舶機械工藝修理學[M] .人民交通出版社.2000.