5 600 DWT油船的推進軸系設計及強度分析

呂家將　程憑杰

摘? ? 要：軸系是船舶動力裝置的重要組成部分，軸系工作狀態欠佳將引起主機油耗增加、工況惡化，甚至會導致船舶振動，影響船舶的正常航行。本文針對某5600DWT成品油船推進軸系，提出了可靠的設計方案，并對設計軸系進行了中間軸和螺旋槳軸的強度計算以及軸系的校中計算，計算結果滿足規范的要求。提出的設計方案不但能確保軸系良好的工作狀態，并一定程度上可提高主機的運行效率，降低船舶主機的故障發生率，提高船舶營運的經濟性。

關鍵詞：船舶;軸系;強度;設計

中圖分類號：U664.21 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Design and Strength Analysis of Propulsion Shafting

Based on 5 600 DWT Oil Tanker

LV Jiajiang Cheng Pingjie

（ 1.CCS Industry Corp. Qingdao Branch， Qingdao 266000， 2. CCS Qingdao Branch， Qingdao 266034 ）

Abstract： Shafting is one of the important parts of ship power plant， the poor working condition of shafting will increase the fuel consumption of main engine， deteriorate the working condition， even lead to ship vibration and affect the normal navigation of the ship. A comprehensive and reliable shafting design scheme is put forward for the shafting system of 5 600 DWT product oil tanker， the strength calculation of intermediate shaft and propeller shaft as well as the alignment calculation of shafting are carried out. The calculation and check results meet the requirements of the ship construction rules. The design scheme not only ensures the good working condition of the ship shafting， but also improves the operation efficiency of the main engine and reduces the failure rate of the main engine to a certain extent， and thus improve the economic benefits of the ship operation.

Key words： Ship;? Shafting;? Strength;? Design

1? ? ?前言

船舶推進軸系通常由以下部件組成：推力軸（包括推力軸、中間軸和螺旋槳軸）;傳動裝置（主要包括齒輪箱和聯軸節）;支承部件（包括各種軸承）;尾軸的密封裝置以及其它各種附件。

軸系設計的主要內容，通常包括整個軸系的布置和設計，以及整個軸系的合理較中設計。船舶推進軸系的工作環境惡劣，整個軸系的尾端部分伸出船殼并長期浸泡于海水中，整個軸系受力復雜多變。例如：軸系旋轉過程中要受到扭應力;主機正車和倒車換向過程中產生的拉、壓應力;軸系自重引起的彎曲應力;軸系安裝誤差以及軸系振動引起的各種附加應力等。因此，船舶軸系設計的核心任務就是更好地解決以上不利因素，減少船舶動力裝置故障發生率，延長船舶正常營運時間。

2? ? ?推進軸系設計

2.1? ?軸系布置

對于單軸系的船舶軸線，通常在船舶的縱舯剖面上進行合理有效布置;對于雙軸系的軸線，往往采用兩弦對稱布置的方式;對于三軸系的軸線，通常在船舶的縱舯剖面上布置一根，余下兩根兩弦對稱布置。軸線設計通常為從主機伸向船舶的尾部，個別為了靠離碼頭方便，除了具有尾部軸線外還可能也布置有首部軸線。

本船為單機、單槳、尾機艙型船舶，主機為一臺中速柴油機，軸線布置在船舶的縱舯剖面上。其設計原理圖如圖1所示，相關的數如表1所示。

2.2? ?軸系長度

軸系的長度和安裝位置，主要由螺旋槳的中心及主機輸出軸的法蘭中心所確定，對應的長度需要考慮內、外部的尺寸大小。其中：外部尺寸是指由船體線型確定的尾柱軸轂的位置，需滿足槳葉與船體之間具有合適的間隙，以便于螺旋槳的進水，從而增加螺旋槳在船舶航行時的推進效率;內部尺寸是指滿足船體線型前提下，齒輪箱的箱座和主機的機座應適當朝尾部靠攏，目的在于減小軸系的長度，降低成本，有利于機艙的布置。

根據本船尾部線型圖和機艙的布置，計算出尾軸的長度為6611 mm;中間軸長度為889 mm;對應軸線（齒輪箱輸出端至螺旋槳的距離）總長度為7500 mm。軸系設計詳圖，如圖2所示。

對于整個軸系而言，處于尾軸端的螺旋槳自身的重量比較大，船舶航行時主機軸系拖動螺旋槳旋轉，懸臂處于動載荷狀態，由此決定了尾軸承的間距不能過大。本船尾軸的基本直徑D=300 mm，其中軸承間距L與尾軸基本直徑D的比值，推薦如表2所列。

表2? 軸承間距L與尾軸直徑D比值推薦表

對傳統的尾機型貨輪或油輪，由于受船舶機艙空間大小的限制，軸承間距L與尾軸基本直徑D的比值僅有8～9甚至更小，所以尾軸前軸承長度Li1通常取0.8～1.5倍尾軸基本直徑D。根據規范要求，結合本船實際情況，本船Li1取450 mm;，根據規范要求，靠近螺旋槳的最后一道軸承長度Li2應大于2倍直徑D，本船Li2取為900 mm;尾軸承采用白合金軸承。

2.3? ?螺旋槳軸長度與錐度

螺旋槳軸的尾部主要用于安裝螺旋槳，在船舶航行時起到承受和傳遞負荷的作用;尾端的錐形部分，主要用來承受主機處于正車狀態時的推力，而固定螺母主要用來承受主機處于倒車狀態時的推力。

進行軸系設計時，通常按照以下經驗數值和公式進行估算：

（1）錐度值K與小端直徑dxz以及大端直徑dtz之間的關系式如下：

3? ? ?軸系強度校核

船舶軸系所承受的負荷復雜，如：主機的扭矩、軸與螺旋槳的自身重力、螺旋槳的推力以及各個軸承的反作用力等。所有負荷分為靜負荷和動負荷兩種，目前對軸系的強度校核方法較多，通常是按經驗公式進行估算。

本文采用經驗公式估算各種應力，其計算結果合理，可靠性高，實用性強。

3.1? ?中間軸

3.1.1 螺旋槳推力計算

在計算軸系強度時，應先按下式估算螺旋槳的推力，

3.1.2中間軸強度計算

（1）由主機扭矩引起的剪應力

3.1.3中間軸彎曲應力計算

中間軸本身具有一定的質量，對應的彎曲應力按下式計算：

3.1.4中間軸壓縮應力計算

3.1.5中間軸合成應力計算

3.2? 螺旋槳軸

螺旋槳軸浸入海水中受到相應的浮力，在船舶航行時受到懸臂動載荷作用，其受力情況比較復雜，對螺旋槳軸的強度計算采用了傳統的彎曲應力影響系數的方法進行估算。

3.2.1尾軸剪切應力

3.2.2尾軸壓縮應力

3.2.3尾軸合成應力

3.2.4尾軸強度校核

4? ? ?軸系校中計算

軸系校中，就是在船舶軸系設計計算過程中，合理確定每一個中間軸承和對應尾管軸承的間隔距離以及垂直高度位置，從而保證每一個軸承所承載的負荷均能在允許范圍內滿足均勻分布的要求。軸系校中的目的，在于合理分配每一個軸承上的負荷、合理分配軸系上的彎矩，確保整個軸系正常運行時不會在允許的偏中情況下受到較大的影響，確保主機運行時整個軸系工作的可靠性。

4.1? ?彎矩計算

進行軸系校中計算時，采用COMPASS軟件對本船設計的軸系選取了9個截面位置進行計算，共有10個支座。現把第i個支座的左右兩跨梁脫離體作為本船設計的研究對象，如圖3所示。

4.3軸承反力

5? ? ?結束語

本文對5 600 DWT成品油輪的軸系系統進行了軸系強度校核和校中計算，計算結果滿足建造規范要求，說明本文采取的設計方案正確、合理。

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