船舶传动轴计算

项 目 ： 传 动 轴 计 算 能 力 目 标 ： 掌 握 传 动 轴 的 基 本 直 径 计 算 ； 掌握 传 动 轴 的 强 度 计 算 。 知 识 目 标 ： 掌 握 传 动 轴 的 基 本 直 径 计 算 ； 掌握 传 动 轴 的 强 度 计 算 。 传 动 轴 的 计 算 主 要 包 括 传 动 轴 的 基 本 直 径 计 算 和 强度 校 核 两 方 面 内 容 。 基 本 直 径 计 算 按 照 相 关 的 船 舶 规 范 进 行 。 强 度 校 核 则 是 计 算 静 载 荷 下 的 合 成 应 力 ， 再 根 据 由经 验 所 确 定 的 许 用 安 全 系 数 来 考 虑 动 载 荷 的 作 用 。 按 钢 质 海 船 入 级 与 建 造 规 范 计 算 轴 的 基 本 直 径 轴 的 直 径 d应 不 小 于 按 下 式 计 算的 值 ： 式 中 ： d轴 的 直 径 m m； F推 进 装 置 型 式 系 数 ； F 95， 对 于 涡 轮 推 进 装 置 具 有 滑 动 型 联 轴 节 的 柴 油 机 推 进装 置 和 电 力 推 进 装 置 F 100， 对 于 所 有 其 他 型 式 的 柴 油 机 推 进 装 置 C不 同 轴 的 设 计 特 性 系 数 具 体 数 值 见 表 2 14； ne轴 传 递 的 额 定 功 率 ， k W； Ne轴 传 递 Ne的 额 定 转 速 ， r /min； b轴 材 料 的 抗 拉 强 度 。 对 于 中 间 轴 若 800MPa时 ， 取800MPa； 对 于 螺 旋 桨 轴 和 尾 管 轴 若 600 MPa时 ， 取600MPa。 3 160608 bee nNFCd 表 2 14 不 同 轴 的 设 计 特 性 系 数 具 有 下 述 型 式 的 中 间 轴 对 在 发 动 机 外 的推 力 轴 具 有 下 述 型 式 的 螺 旋 桨 轴整体连接法兰 液压无键套合联轴器 键槽 径向孔 ，横向孔 纵向槽 在 推 力 环处 ， 向 外等 于 推 力轴 直 径 的部 分 ， 其余 部 分 可按 圆 锥 减小 到 中 间轴 直 径 在 轴 向轴 承 处 ，此 处 滚柱 轴 承用 作 推力 轴 承 油 润 滑 且具 有 认 可型 油 封 装置 或 装 有连 续 轴 套的 无 键 套合 或 法 兰连 接 的 螺旋 桨 轴 油 润 滑 且具 有 认 可型 油 封 装置 或 装 有连 续 轴 套的 有 键 螺旋 桨 轴 适 用 于 前两 条 规 定的 螺 旋 桨轴 长 度 以前 的 螺 旋桨 轴 或 尾轴 到 尾 尖舱 舱 壁 部分 的 直 径1.0 1.0 1.1 1.1 1.2 1.1 1.1 1.22 1.26 1.15 表 2 14的 说 明 法 兰 根 部 过 渡 圆 角 半 径 应 不 小 于 0.08d。 至 少 在 键 槽 及 从 键 槽 两 端 延 伸 到 0.2d 的 长 度 范 围内 ， C取 1.10。 在 这 个 范 围 以 外 ， 轴 的 直 径 可 以 减至 以 C 1.0的 计 算 直 径 。 键 槽 底 部 横 截 面 的 过 渡 圆角 半 径 应 不 小 于 0.0125d。 至 少 在 孔 及 从 孔 两 边 缘 延 伸 到 0.2d的 长 度 范 围 内 ，C取 1.10。 在 这 个 范 围 以 外 轴 的 直 径 可 以 减 至 以 C1.0的 计 算 直 径 。 镗 孔 直 径 应 不 大 于 0.3d。 至 少 在 槽 及 从 槽 两 边 延 伸 到 0.3d的 长 度 范 围 内 ，C取 1.2。 在 这 个 范 围 以 外 ， 轴 的 直 径 可 以 减 至 以 C 1的 计 算 直 径 。 键 槽 长 度 应 不 大 于 1.4 d， 宽 度 应不 大 于 0.2d。 当 遇 到 轴 上 有 多 种 型 式 时 ， 则 其 修 正 时 ， 多 个 系数 应 连 乘 计 算 。 其 中 d为 以 C 1.0时 计 算 所 得 的 值 。 尾 尖 舱 舱 壁 前 的 桨 轴 或 尾 管 轴 直 径 可 以 向 前 逐 渐 减小 到 中 间 轴 直 径 ； 螺 旋 桨 轴 在 从 螺 旋 桨 桨 毂 前 面 到 尾 管 后 轴 承 前 端 轴段 的 直 径 应 不 小 于 按 照 C取 1.22或 1.26计 算 所 得 数值 ， 如 果 这 部 分 轴 段 长 度 小 于 规 定 直 径 的 2.5倍 ， 则符 合 规 定 直 径 的 轴 段 应 由 尾 管 后 轴 承 前 端 向 前 延 伸 ，使 具 有 规 定 直 径 轴 段 的 长 度 不 小 于 规 定 直 径 的 2.5倍 。 按 内 河 钢 质 船 舶 入 级 与 建 造 规 范 计 算 轴 的 基 本 直 径 轴 的 直 径 d应 不 小 于 按 下 式 计 算的 值 ： 式 中 ： d轴 的 直 径 m m； K不 同 轴 的 设 计 特 性 系 数 ,按 表 2 5 9 (1)、 (2)选 取 ； ne轴 传 递 的 额 定 功 率 ， k W； Ne轴 传 递 Ne的 额 定 转 速 ， r /min； b轴 材 料 的 抗 拉 强 度 。 对 于 中 间 轴 ， 若 800MPa时 ， 取800MPa； 对 于 螺 旋 桨 轴 和 尾 管 轴 ， 若 600MPa时 ， 取600MPa。 3 15757098 beenNKd 表 2 15（ 1） 用 于 中 间 轴 、 推 力 轴 的 K值 注 ： 在 键 槽 底 部 横 截 面 处 的 圆 角 半 径 不 得 小 于 0.0125d。 孔 径 应 不 大 于 0.3d。 纵 向 槽 的 长 度 应 不 大 于 1.4d； 宽 度 应 不 大 于 0.2d。 距 键 槽 端 、 横 孔 边 缘 0.2d长 度 以 及 距 纵 向 槽 道 端 0.3d长 度以 后 的 轴 及 推 力 轴 在 距 推 力 环 长 度 等 于 推 力 轴 直 径 以 外 的 轴径 可 以 逐 渐 减 少 到 以 K 1算 得 的 直 径 。与 法兰 为整 体的 轴 与 法兰 联轴 器为 红套 、推 入或 冷配 合的 轴 开 有键 槽的 轴 有 径向 孔的 轴 有 纵向 槽的 轴 在 推力 环的 两侧 轴承 处1.0 1.0 1.1 1.12 1.20 1.1 表 2 15（ 2） 用 于 螺 旋 桨 轴 的 K值 注 ： 轴 直 径 可 逐 渐 减 小 到 按 公 式 计 算 的 中 间 轴 直 径 。序 号 适 用 范 围 K1 从 桨 毂 前 面 到 相 邻 轴 承 前 缘 的轴 段 无 键 螺 旋 桨 的 轴 1.22有 键 螺 旋 桨 的 轴 1.262 除 1外 ， 向 前 到 尾 轴 管 前 填 料 函 前 端 之 间 的 螺 旋 桨轴 段 1.153 尾 轴 管 前 填 料 函 前 端 至 联 轴 器 的 螺 旋 桨 轴 段 1.15 传 动 轴 的 强 度 校 核 传 动 轴 在 工 作 时 ， 同 时 受 到 扭 转 、 弯 曲 和 压 缩 三 种负 荷 ， 不 仅 承 受 静 载 荷 ， 而 且 还 有 附 加 动 载 荷 作 用 ，受 力 情 况 很 复 杂 ， 目 前 普 遍 采 用 的 传 动 轴 强 度 校 核方 法 ， 是 在 按 规 范 计 算 出 传 动 轴 基 本 轴 径 的 基 础 上计 算 静 载 荷 下 的 合 成 应 力 ， 再 根 据 由 经 验 所 确 定 的许 用 安 全 系 数 （ 见 表 2 17） 来 考 虑 动 载 荷 的 作 用 ，是 一 种 近 似 计 算 方 法 。 许 用 安 全 系 数 的 确 定 许 用 安 全 系 数 的 确 定 主 要 考 虑 下 面 几 个 问 题 ： 轴 的 负 荷 情 况 ： 螺 旋 桨 轴 的 工 作 条 件 恶 劣 ， 受 力 情 况 复 杂而 且 与 海 水 接 触 ， 安 全 系 数 应 取 大 些 ； 刚 性 连 接 的 传 动 轴 受到 主 机 交 变 扭 矩 负 荷 ， 材 料 易 疲 劳 ， 其 安 全 系 数 应 比 柔 性 连接 的 传 动 轴 要 大 些 。 材 料 的 特 性 ： 如 选 择 合 金 钢 ， 其 安 全 系 数 比 碳 钢 要 高 ， 船 型 ： 军 用 船 舶 的 轴 径 是 按 照 最 大 负 荷 进 行 计 算 的 ， 但 是实 际 上 军 用 船 舶 多 在 较 轻 负 荷 下 航 行 ， 为 了 减 轻 轴 系 重 量 ，军 用 船 舶 多 采 用 许 用 应 力 大 的 材 料 和 较 小 的 许 用 安 全 系 数 。 推 进 方 式 类 别 一 般 船 舶 军 用 船 舶刚 性 直 接 传 动 中 间 轴 2.5 5.5 3.5 螺 旋 桨 轴 2.8 5.8 4.5液 力 偶 合 器 、 电磁 离 合 器 或 电 传动 中 间 轴 1.7 2.5 2.0螺 旋 桨 轴 2.0 2.8 2.2 中 间 轴 的 强 度 校 核 将 轴 看 成 一 根 自 由 放 置 在 两 支 点 上 的 等 截 面 的 简 支 梁 ， 其 所受 的 外 力 为 转 矩 、 推 力 T、 自 重 q和 集 中 载 荷 G（ G为 联 轴 节重 量 ） 。 由 主 机 扭 矩 引 起 的 剪 应 力 =Mt/Ww N/ m 式 中 ： Mt主 机 最 大 功 率 时 扭 矩 ； Mt=9550 Pmax/nmax i N/ m 式 中 ： Pmax传 递 的 最 大 功 率 ， KW； nmax最 大 功 率 时 的 转 速 ， r/min； i减 速 箱 的 减 速 比 ； 减 速 箱 的 传 动 效 率 ； W w中 间 轴 抗 扭 截 面 模 数 ： Ww=dz3（ 1-m4） /16 式 中 ： dz中 间 轴 直 径 cm ； m中 空 系 数 ： m= do / dz do中 孔 直 径 cm 由 中 间 轴 重 量 所 产 生 的 弯 曲 应 力 ： w =Mw/Ww N/ cm 式 中 ：Mw： 由 中 间 轴 本 身 及 其 法 兰 重 量 所 产 生 的 最 大 弯 矩（ 最 大 弯 矩 可 以 用 力 矩 分 配 法 计 算 ， 也 可 以 用 工 程力 学 的 方 法 计 算 ） ；Ww： 中 间 轴 抗 弯 截 面 模 数 ： Ww=dz3（ 1-m4） /32 式 中 ： dz中 间 轴 直 径 cm ； m中 空 系 数 ： m= do / dz do中 孔 直 径 cm 由 螺 旋 桨 推 力 产 生 的 压 缩 应 力 ： y = T /Fw N/ cm 式 中 ：T： 螺 旋 桨 最 大 推 力 ， N；Fw ： 中 间 轴 截 面 积 ， cm 由 安 装 误 差 引 起 的 弯 曲 应 力 附 加 应 力 ： 按 经 验 选 取 ， w1 =1471.5 2943 N/ 合 成 应 力 ： H = (w + y + w1)2+32 安 全 系 数 ： 其 安 全 系 数 应 满 足 下 式 要 求 ： 按 经 验 选 取 ， k=s /H k 式 中 ： s材 料 屈 服 强 度 ； H 传 动 轴 合 成 应 力 ； k 许 用 安 全 系 数 。 螺 旋 桨 轴 的 强 度 校 核 由 主 机 扭 矩 引 起 的 剪 应 力 ； 由 螺 旋 桨 推 力 产 生 的 压 应 力 y； 合 成 应 力 H = （ y 2+32） 式 中 ： 弯 曲 应 力 系 数 ， 1.02 1.06 安 全 系 数 ： 其 安 全 系 数 应 满 足 下 式 要 求 ： 按 经 验 选 取 ， k=s /H k 式 中 ： s材 料 屈 服 强 度 ； H 传 动 轴 合 成 应 力 ； k 许 用 安 全 系 数 。 转 矩 作 用 下 的 轴 扭 转 角 度 的 校 核 计 算 传 动 轴 所 发 生 的 扭 转 角 度 ： =18000Mt/IpG N/ m式 中 ： Mt传 动 轴 最 大 扭 矩 ； G传 动 轴 材 料 的 剪 切 弹 性 模 数 ， N/cm2 Ip 传 动 轴 的 截 面 惯 性 矩 ， cm4 Ip =d3（ 1-m4） /32式 中 ： d轴 直 径 cm ； m中 空 系 数 ： m= d o / dz do中 孔 直 径 cm 校 核 要 求 := 式 中 ： 为 最 大 许 用 扭 转 角 度 ， 大 型 船 舶为 0.45 /cm， 一 般 小 型 船 舶 为 2.5 /cm 。 键 强 度 校 核 对 于 完 全 用 键 来 传 递 扭 矩 时 ， 则 键 受 剪 切 的 有 效截 面 积 应 符 合 下 式 规 定 ， 且 键 材 料 的 抗 拉 强 度 应等 于 或 大 于 轴 材 料 的 抗 拉 强 度 。 BLd3 /2.35 dm式 中 ： B键 的 宽 度 ， mm； L键 的 有 效 长 度 ， mm； d计 算 的 中 间 轴 直 径 ， mm； d m在 键 中 部 处 的 轴 直 径 ， mm。螺 旋 桨联 轴 节 键 2.6 课 堂 小 结 系 数 和 单 位 的 重 要 性