船舶轴系与轴系布置设计

项目：轴系能力目标：掌握轴系布置设计方法；掌握轴承间距、负荷计算方法。知识目标：掌握轴系的组成、任务以及轴系布置的设计原理。 轴系的定义和任务轴系是指主机的输出端至螺旋桨之间的一整套设备，其任务是连接主机（推进机组）与螺旋桨，将主机发出的功率传递给螺旋桨，同时又将螺旋桨所产生的推力通过推力轴承传给船体，以实现推进船舶的使命。 轴系的组成轴系的组成主要包括传动轴（中间轴、推力轴、尾轴或螺旋桨轴等），轴承（中间轴承、推力轴承及尾轴承等）以及轴系附件（刚性联轴节、轴系制动器、隔舱填料函等）等三个部分。具体到各个船舶，其传动轴的数目、组成、轴承及轴系附件的配置等可能会有所不同，这与船舶的大小、船型、船体线型、机舱位置以及动力装置型式等因素有关。例如有些船舶的轴系中没有设置独立的推力轴和推力轴承；有些轴线较短的船，可以不设中间轴，而只用一根螺旋桨轴直接与主机的输出法兰相连。 对轴系的要求轴系的各传动轴及主要部件必须满足规范要求，有足够的强度和刚度，以保证轴系安全可靠运行，并有较长的使用寿命。传动轴和轴系附件尽量采用标准化结构。这不仅给制造、安装以及维护带来方便，还能缩短修造船周期、降低成本、提高经济效益，而且对产品的质量提供了可靠的保证。 传动损失小。正确选择轴承数目、型式、布置位置和润滑方式，将传动损失降底到最小限度，以提高推进效率。良好的抗振性能。为了保证船舶轴系在营运转速范围内不产生扭转共振和横振共振，必须在轴系设计阶段进行振动临界转速的计算。对船体变形的敏感性小。船体变形会使轴承产生位移而导致轴系产生附加应力和附加负荷。轴系设计和布置时就要考虑使这种影响尽可能小一点。 良好的密封性，防止海水进入船舱和滑油的外漏。重量尺寸要小。 项目：轴系布置设计能力目标：掌握轴系布置设计方法；掌握轴承间距、负荷计算方法。知识目标：掌握轴系布置设计方法；掌握轴线确定中螺旋桨和主机布置的相关知识；掌握轴承间距、负荷计算的相关知识。 前言轴系布置设计内容：轴线确定、轴段配置、轴承的布置轴系布置设计的前提：船舶总体设计，包括船舶主尺度、线型、总布置及结构设计完成之后，机舱位置、主机和螺旋桨选型已初步确定。 轴系布置设计流程首先确定轴线及轴段的配置；再决定轴承位置和间距等，绘制相关草图；在根据规范计算确定了基本轴径、且轴的主要尺寸初步确定的前提下，即可进行轴系的强度校核。有些船舶轴系还要进行必要的振动计算和合理校中计算；然后进行轴系部件结构设计及选型;最后绘制轴系布置图、尾轴尾管总图及有关部件图纸。 轴线的确定主机（或推进机组）输出法兰中心与螺旋桨中心的连线称为轴线，也称轴系理论中心线。何为螺旋桨中心？ 轴线的数目轴线的数目取决于船型、航行性能、生命力、主机型式和数量、经济性、可靠性等因素。轴线的数目早在总体初步设计阶段已决定。大型货船、油船多采用单轴线；对于要求航速高、操纵灵活、机动性好、工作可靠，而吃水受到一定限制的客船、拖船、集装箱船及其他有特殊要求的船舶，多采用两根轴线；军船为了提高生命力、航速和机动性，多采用三根，甚至四根轴线。 三峡游船几根轴线 ？ 轴线及轴段长度的确定轴线是一根线段，它的长度与位置决定于两个端点。前端点为主机（或推进机组）的输出法兰中心，后端点为螺旋桨的桨毂中心。在轴线总长度确定之后，统筹考虑船体尾部线型和结构、隔舱壁位置、各轴承负荷情况、工厂的加工能力以及轴系在机舱内的装拆要求等因素，决定螺旋桨轴、中间轴等传动轴的配置及各轴段长度。 主机位置布置原则如下对称布置：考虑到设备重量的平衡以及布置和操作的便利。单轴系的轴线一般布置在船舶的纵中剖面上；双轴系的轴线一般对称布置于船舶纵中剖面两侧，即对称布置在船舶两舷；三根轴系的船舶，一根布置在船舶的纵中剖面上，其余两根对称布置在左右两舷。多轴系的间距由船舶总体设计确定。 轴线最好布置成与船体基线平行。当推进机组位置较高，而船舶吃水较浅时，为了保证螺旋桨的浸没深度，不得不使轴线向尾部倾斜一定角度。轴线与基线的夹角称为倾角。有些双轴系和多轴系的船舶，为了保证螺旋桨叶的边缘离船壳外板有一定的间隙，或出于机桨布置的需要，允许轴线在水平投影面上不与纵舯剖面平行，向外或向内倾斜，形成夹角，称为偏角。当轴线出现倾角和偏角时，将使螺旋桨的推力受到损失，因此必须对倾角和偏角加以控制。一般将倾角控制在05之内，高速快艇轴线的倾角可放大到1216；偏角则控制在03之内。思考：为何高速船舶的倾角要放大？ 主机应尽量靠近机舱后舱壁布置，以缩短轴线长度。应考虑主机左、右、前、底与上部空间是否满足船舶规范，另外还需要考虑拆装与维修要求以及吊缸的高度是否足够等因素。比如高度方向，一般应使主机的油底壳不碰到船的双层底或肋骨，并使它们之间留有向隙，还应留出油底壳放油所需的操作高度。 螺旋桨的布置与定位螺旋桨的布置与定位由船体总体设计决定，其原则是保证螺旋桨可靠而有效地工作。螺旋桨应有一定的浸没深度。单桨船的浸没深度e=（0.25-0.30）D，双桨船的浸没深度e=（0.4-0.5）D。D为螺旋桨直径；螺旋桨不应超出船体中部轮廓之外；叶梢应尽量高于船体基线以避免螺旋桨在浅水区域航行时被碰坏；叶梢与尾柱距离d不能太小，否则受叶梢处的高速水流冲刷，尾柱易被浸蚀； 桨和舵叶之间也要留有一定间隙；螺旋桨和船体外板间距c不应太小，以免造成船体的振动及不必要的附加阻力。 轴承的设置轴承数目、间距的大小和位置安排，对轴的弯曲变形、应力和轴承的工作状态均有很大的影响。若处理不当，会使轴承负荷不均匀，造成发热和加速磨损，从而影响轴系运转的可靠性。 轴承的数量螺旋桨轴一般设两道轴承。如果螺旋桨轴过长（如双轴系船），也可以设三道轴承。对于一些轴线非常短的单机单桨尾机型船舶，其螺旋桨轴前轴承甚至可以取消，即只设一道轴承。每根中间轴一般只设一道中间轴承，因为减少轴承数量会降低轴系变形牵制和轴承附加负荷，使船体变形对轴系的影响减弱，对轴系工作有利。一些很短的中间轴甚至不设中间轴承。如果中间轴过长，也可以设两道中间轴承。 轴承的间距中间轴承最小间距：lmin=24.9d2/3 (cm) 式中：d轴径，cm缘由：中间轴承底座通过螺栓与船体刚性连接，船体因受水压、装载等因素影响而产生变形（尤其垂向），轴承随之变位，从而产生附加负荷。当变位量一定时，轴承间距愈小，当轴承变位时，它对轴线的牵制作用愈大，其附加负荷也愈大，故轴承的间距太小是不利的，应对它有所限制。 中间轴承最大间距：lmax=7785 (mm)缘由：加大轴承间距可以减小轴承的附加负荷，但轴承间距要受到下列因素的限制：轴系临界转速的限制。轴承跨距过大，易产生轴系的回转振动和横向振动。比压和挠度的限制。增大轴承跨距，减少轴承数量，使轴承比压增加，挠度增加，同时造成轴承负荷的不均匀性。工艺条件的限制。增大轴承跨距给轴系的制造和安装带来困难。 关于轴承最大间距，各国规范有不同的规定，如GL的推荐公式是：lmax=k1d (mm) 式中：d轴承间直径（mm）；k1=450（油润滑白合金轴承）、280（油脂润滑灰铸铁轴承）、280350（水润滑橡胶轴承、轴支架）当转速350r/min时: lmax=k2d /n 式中：n轴转速，r/min；k2=8400（油润滑白合金轴承）、5200（油脂润滑灰铸铁轴承、水润滑与轴支架橡胶轴承、） 尾轴承的间距 l/D值推荐采用以下数据（经验值）当D=400650mm时 l/D12当D=230400mm时 l/D1425当D80230mm时 l/D1640某些尾机型船舶，因受到空间位置限制，允许l/D值小于上述数据。 轴承的位置轴承应安装在船体结构较强、变形相对较小的部位。中间轴承多安装在靠近法兰处。L/5L连 接 法 兰 中 间 轴 承中 间 轴 轴承负荷轴承负荷的大小用轴承比压p表示 P=R/DL （N/mm） 式中：R轴承负荷，N； D轴颈直径，m； L轴承长度，m。 各轴承的比压在许用范围之内，并力求使各轴承的负荷均匀。如轴承负荷过重，超过了许用比压，将导致轴承迅速磨损、发热及其他事故。遇到这种情况，不能轻易用加大轴承长度的方法来降低比压，一般可采用减小轴承间距、降低轴承高度的方法。轴承负荷过小，甚至出现零值或负值，也是不允许的，这不仅影响轴承的正常工作，而且造成邻近轴承负荷过重。这是因为当轴承负荷为零值或负值时，轴段与下轴瓦脱离，这样，一方面使计算的负荷与实际不符，另一方面影响横向振动的频率的计算，设计者应加大轴承间距，甚至取消一道轴承，以改变受力情况，也可以降低或升高其高度。钢质海船建造与入级规范规定：每个轴承应为正压力，且应不小于相邻两跨轴重量的20。 轴承负荷计算中支点位置的确定中间轴承不长(约0.8倍轴径)，轴颈和轴承接触比较均匀，支承反力位置取轴承中点。 对于尾轴管前轴承，其支承反力位置与中间轴承相同，也取轴承中点。对于尾轴管后轴承或靠近螺旋桨的最后一道轴承，由于受到较重的螺旋桨的悬臂力矩，其受力情况不均匀，不能假设支承点为轴承的中点。如为木质或橡胶轴承，如其长度为l，那么其支点到轴承后端u常假定为：u=(1/41/3)l或者，取u=(0.50.8)dj 如为白合金轴承，通常采用： u=0.5dj 式中：dj尾轴基本直径。以上两公式是磨合稳定以后的数据。工程上经常采用使尾轴管中线与船体基线倾斜一定角度的做法，即所谓“斜镗尾轴管”法。