某型40 m鋁合金雙體高速船軸系設計

李經偉　陳笑生　詹錫波

摘? ? 要：本文介紹了某型40m鋁合金雙體高速船的螺旋槳軸系設計，根據(jù)該型船的使用條件和要求，對軸系設計的有關問題及技術要求進行研究。

關鍵詞：鋁合金雙體高速船; 螺旋槳軸; 軸系設計

中圖分類號：U664.2? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Shafting Design of 40 m High-speed

Aluminum Catamaran Ferry

LI Jingwei， CHEN Xiaosheng ， ZHAN Xibo

（ Afai Southern Shipyard （Panyu Guangzhou） Ltd.， Guangzhou 511431 ）

Abstract： This paper introduces the design of propeller shafting of a typical 40m high-speed aluminum catamaran ferry， and studies the problems and technical requirements in the shafting design based on the actual conditions and requirements of this type of vessel.

Key words： High-speed aluminum catamaran; Propeller shafting; Shafting design

1? ? ? 前言

某型40 m鋁合金雙體高速船是英輝南方造船（廣州番禺）有限公司為多個客戶設計建造的高速船，該船型的主推進方式有兩種：噴水泵推進和螺旋槳推進。對于螺旋槳推進來說，軸系的作用是將主機發(fā)出的功率傳遞給螺旋槳，螺旋槳旋轉產生推力，從而推動船舶前進或后退。軸系是船舶動力裝置的重要組成部分，直接影響船舶的推進特性和正常航行。本文介紹該型高速船的軸系設計原則、軸系布置及軸系振動的計算分析。

2? ? ?軸系設計原則

該型40 m鋁合金雙體高速船采用螺旋槳推進，其軸系由傳動軸、軸承、尾軸管密封裝置以及其他附件等組成。軸系設計一般是從軸系布置開始，首先要對總體布置中的相關要素，如主機和螺旋槳的位置、船體尾部線型與結構有充分的了解，初步選定軸線角度、軸承數(shù)量、軸承間距及其潤滑冷卻方式等;其次要根據(jù)船舶建造規(guī)格書、船東的要求、船舶使用條件等，綜合考慮選擇軸承材質、軸承潤滑方式以及尾軸密封裝置的型式等;最后進行軸系強度計算，繪制軸系布置圖、軸系總裝圖以及進行回旋振動驗算，完成軸系設計工作。軸系的設計和制造應保證各部件有足夠的強度，并且在正常速度范圍內軸系不會發(fā)生有害的振動，滿足船級社及實際使用要求。

軸系設計應考慮軸系工作的可靠性、維護性以及使用的壽命。對于船廠來說，軸系設計還應從實際施工角度出發(fā)，考慮到軸系各部件是否有利于采購、加工、制造及安裝。在滿足軸系正常工作需要的基礎上，力求簡化，使制造、安裝方便，并便于日常的維護保養(yǎng)。

3? ? 軸系布置及其組成

3.1? ?軸系的布置

該型船推進系統(tǒng)布置形式是雙機雙槳布置，每個片體布置一臺高速柴油機，通過高彈聯(lián)軸節(jié)與減速齒輪箱連接，減速齒輪箱的輸出法蘭與螺旋槳軸通過聯(lián)軸節(jié)連接;螺旋槳軸上安裝有尾軸密封裝置和前、后軸承，后軸承一般安裝在尾軸支架內，螺旋槳軸末端安裝螺旋槳及導流螺帽。

3.2? ?軸系的組成

（1）螺旋槳軸

螺旋槳軸的設計首先要考慮軸的材質選擇，考慮材料的抗拉強度、耐海水腐蝕性能、成本、采購、船東要求等各個方面。該型船采用海水潤滑的軸承，既要考慮螺旋槳軸的強度，又要考慮軸的耐海水腐蝕性，因此選用抗拉強度較高、耐海水腐蝕的雙相不銹鋼材料作為螺旋槳軸的材料。雙相不銹鋼的力學性能，見表1所示。

采用雙相不銹鋼可以取較小的螺旋槳軸直徑，并可以選用較小尺寸的尾軸密封裝置、軸承、尾軸管、聯(lián)軸節(jié)等部件。這不僅可以節(jié)約成本，減輕軸系的重量，而且整個軸系所占用的空間減少。需要注意的是，軸材料為不銹鋼時，按照《海上高速船入級規(guī)范》的要求，軸的直徑可取規(guī)范計算值的 0.9 倍，這更加有利于減小軸系的直徑。但螺旋槳軸的軸徑實際取值要比規(guī)范計算值大，應有一定余量;同時實際取值還要考慮尾軸密封裝置的選檔。

螺旋槳軸的兩端，需要以錐面分別與螺旋槳及聯(lián)軸節(jié)聯(lián)接：錐體末端設有尾螺紋，可以用螺母將螺旋槳和聯(lián)軸節(jié)緊固聯(lián)接在螺旋槳軸上;為了延長軸的使用壽命，通常將螺旋槳軸接螺旋槳的一端和接聯(lián)軸節(jié)的一端設計成一樣的形狀，這樣軸承部位磨損后可以將軸再加工后掉頭使用;還有一種方法是將軸承處軸徑增大5 mm，這樣軸承部位磨損后可以再加工軸承部位并現(xiàn)配賽龍軸承，達到延長軸使用壽命的目的，見圖1所示

（2）軸承

通常螺旋槳軸系的尾管軸承是采用滑動軸承，其潤滑方式分為水潤滑和油潤滑兩種方式：油潤滑方式一般用于水質較差的水域，這些水域的水質不適合為軸承潤滑;但在一些水質較好的水域，水潤滑系統(tǒng)比油潤滑系統(tǒng)更為簡單。隨著水潤滑軸承材料以及軸耐蝕、防蝕技術的不斷發(fā)展，水潤滑方式的應用也越來越廣泛。尤其是像賽龍軸承這些合成材料的軸承，其受力情況、耐磨性能、良好的彈性及抗沖擊性都優(yōu)于白合金等軸承。

該型船選用賽龍軸承、研龍軸承等材質的水潤滑非金屬軸承，其具有出色的抗磨損性，彈性和堅韌性也很好，并能承受高壓和沖擊載荷，不會永久變形，能更好的保護尾軸。

賽龍軸承一般采用過盈配合和黏合安裝兩種安裝方式，該型船采用過盈配合的方式，將軸承安裝在軸承座內。當采用過盈壓入安裝時，必須考慮有足夠的過盈量，使得軸承即使在最低運轉時也不至于松脫;賽龍軸承的間隙，應考慮過盈引起的軸承內徑收縮，同時也要考慮運行間隙以及水脹和熱脹的間隙余量等。

軸系軸承的位置、軸承的間距關系到各軸承的負荷分配是否合理，也影響到軸系的振動情況。該型船的軸系設置前后兩個軸承，其中尾軸承安裝在靠近螺旋槳的尾軸支架內，前軸承安裝在與尾軸密封連接的軸承座內。

對于尾軸承間距的要求：一般軸徑小于300 mm的尾軸，軸承間距在16～40倍軸徑范圍較為合理;而一些主機對于第一軸承與齒輪箱輸出法蘭之間的距離也有要求，如VOLVO的D5-D16型號的主機要求軸系聯(lián)軸器和第一個軸承之間的距離，最小必須為10-14倍的軸直徑，以防止發(fā)動機振動時對軸系產生過大的應力，見圖2所示。

國外有些國家及主機品牌甚至規(guī)定，如果軸系聯(lián)軸器和第一個軸承之間的距離小于12倍的軸徑，則軸系與齒輪箱輸出法蘭的聯(lián)軸器應為彈性聯(lián)軸器。對于高速船來說，采用不銹鋼軸及尾軸支架的形式時，前軸承的位置會受尾部型線的限制，軸承間距有可能不能滿足這些規(guī)定。所以軸承的布置需要通過回旋振動計算來驗算。

（3）尾軸密封裝置

該型船的尾軸密封型式采用水潤滑尾軸密封裝置，以防止海水進入船內。水潤滑尾軸密封裝置，可以采用彈性軟管連接的型式，以減小密封裝置的運轉部件將振動傳遞到船體上，具有很好的減振作用;尾軸密封裝置一般可以設有氣囊，以便尾軸密封需要檢修時向氣囊中充氣，阻止海水進入密封裝置內，見圖3所示。

當然，如果條件不允許的話水潤滑尾軸密封裝置也可以不采用彈性安裝的形式，如圖4所示的端面尾軸密封裝置。

4? ? 軸系振動計算分析

高速船的軸系振動計算，包括扭轉振動和回旋振動兩部分：

（1）扭轉振動計算

扭振是柴油機常見的振動形式，嚴重的扭振會引起軸系連接螺栓斷裂及主機工作不正常等現(xiàn)象，所以船級社都要求提供扭轉振動計算進行認可。

扭振計算書需要核對軸系振動的振幅或應力或扭矩是否超過船級社規(guī)定的持續(xù)運轉的許用值，或者整個主推進系統(tǒng)，包括主機、高彈聯(lián)軸節(jié)、減速齒輪箱、軸系、螺旋槳等各個組成部分是否有明顯不合理的振動情況。如果出現(xiàn)異常情況，則需要采取措施消除這些隱患，如改變高彈聯(lián)軸節(jié)、改變主機怠速設定值等方法。

（2）回旋振動計算

回旋振動計算要驗證軸承數(shù)量、間距、軸系布置是否會引起軸承過大振幅的回旋振動。如果計算結果顯示常用轉速范圍內有過大振幅的回旋振動，則應根據(jù)不同情況修改軸系布置或設置轉速禁區(qū)來減小振動。通常采用CCS開發(fā)的COMPASS-RULES計算軟件對軸系回旋振動進行校核計算，其計算模型見圖5所示。

如果計算結果不滿足規(guī)范規(guī)定的衡準范圍，則需要重新對軸系進行設計，直到能滿足要求為止。

5? ? 結語

本文介紹了某型40 m鋁合金雙體高速船螺旋槳軸系的設計要點，著重講述了在設計過程中應綜合考慮該船型的實際條件，對軸系進行優(yōu)化設計。本文可給同類船型的軸系設計提供參考。

參考文獻

[1] 輪機工程手冊[M].北京：人民交通出版社.1993.

[2] 沃爾沃遍達公司. VOLVO PENTA D5-D16系列柴油機操作手冊[M].

2011.

[3] 中國船級社.? 材料與焊接規(guī)范[S]. 2018.

[4] Marine Engines Application and Installation Guide. Caterpillar Inc. Printed in

U.S.A.2000.

[5] Packless Sealing System （PSS） Shaft Seal. PYI INC.2018.

[6] 中國船級社.? 海上高速船入級規(guī)范[S]. 2015.

[7] 于全虎.賽龍軸承在船舶上的應用[J].江蘇船舶， 2000 （ 5 ）.