（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）基于船体变形的轴系校中技术研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 轴系校中质量的好坏，对保障船舶及轴系长期、稳定、正常运转及船舶航行的安全 非常重要。影响轴系校中质量的因素很多，大体上分为动态因素和非动态因素。对于非 动态因素，工作人员可以从操作、设计等角度来寻求对策；而动态因素，则是当前轴系 校中研究的一个重要课题。 本文研究轴系校中技术，做了如下几方面的工作t 了解轴系组成，分析其所承受的负荷，并对轴系校中的重要性及复杂性进行了初步 探索。 对轴系校中计算的常用方法进行研究比较，发现在a n s y s 软件支撑下的有限元法 在速度、准确度方面都有比较大的优势。 在全面分析影响轴系校中质量诸因素的基础上，选取船体变形这一动态因素为研究 对象。然后通过仔细分析船体变形，从轴系校中的定义出发，引出变形耦合理论来实现 轴系校中在船舶不同装载情况之间的平衡，并详细阐述了变形耦合的一条可行途径。最 后，从轴系合理校中比较常用的三弯矩法、迁移矩阵法和有限元法中选取比较实用的有 限元法，对某船型轴系进行校中计算及变形耦合计算，验证了变形耦合理论的合理性。 关键词：轴系校中；有限元法；船体变形；微损伤积累；变形耦合 基于船体变形的轴系校中技术研究 _ - 一一 t e c h n o l o g yo fs h a f t i n ga l i g n m e n tb a s e do nh u l ld e f o r m a t i o n a b s t r a c t t h eq u a l i t yo fs h a f t i n ga l i g n m e n ti si m p o r t a n tt ot h el o n g , s t a b l e ，n o r m a l o p e r a t i o no ft h es h i pa n ds h a f t i n gs y s t e m t h e r ea r el o t so ff a c t o r st h a ta f f e c tt h e q u a l i t yo fs h a f t i n ga l i g n m e n t t h e s ef a c t o r sc o u l db ed i v i d e di n t ot w oc l a s s e s ， d y n a m i ca n dn o n - d y n a m i cf a c t o r s f o rn o n d y n a m i cf a c t o r s ，m o r ea t t e n t i o ns h o u l db e p a i dt ot h ew o r ko fd e s i g na n do p e r a t i o n t h ee f f e c to fd y n a m i cf a c t o r ss h o u l db e s t u d i e df u r t h e r t h ei m p o r t a n c ea n dc o m p l e x i t yo fs h a f t i n ga l i g n m e n ti ss t u d i e d ，a n dt h e nh u l l d e f o r m a t i o n ，o l l eo ft h ed y n a m i cf a c t o r st h a ta f f e c tt h eq u a l i t yo f s h a f t i n ga l i g n m e n t ， i sp i c k e dt ob ea n a l y z e da n ds t u d i e d t h o s em e t h o d st h a ta r eu s u a l l yu s e dt oc a l c u l a t es h a f t i n gr e a s o n a b l ea l i g n m e n t a r ec o m p a r e dw i t he a c ho t h e r a m o n gt h o s e m e t h o d s ，t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di s f a s t e ra n dm o r ea c c u r a t e h u l ld e f o r m a t i o n sc a nb ec a u s e db yt w om a i nf a c t o r s ，w a v e sa n dd i f f e r e n t1 0 a d c o n d i t i o n s t os e a r c hab e s tb a l a n c eb e t w e e nh u l ld e f o r m a t i o n st h a ta r ec a u s e db v d i f f e r e n tl o a dc o n d i t i o n s ，t h et h e o r yo f “d e f o r m a t i o nc o u p l i n g ”i sp r o p o s e d t h e n t h r o u g ht h es h a f t i n ga l i g n m e n tc a l c u l a t i o no fs o m eo n e s h i pf o r m ，t h er a t i o n a l i t yo f t h et h e o r yi sp r o v e d k e yw o r d s ：s h a f t i n ga l i g n m e n t ；h u l ld e f o r m a t i o n ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； m i c r o - d a m a g ea c c u m u l a t i o n ；c o u p l i n go fd e f o r m a t i o n i i 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位 期间论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借 阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名：塞! 】垫霾 日期： 2 ：幽年乒月- _ 日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 l 绪论 1 1 课题研究的工程领域j 船舶推进轴系是船舶动力装置的重要组成部分，其主要功能是，将船舶主机发出的 功率传递给螺旋桨，使螺旋桨产生转动，同时又将螺旋桨旋转时产生的推力传给船体， 推动船舶航行。 船舶轴系在运转中承受着复杂的应力和负荷。主要包括如下几个方面：螺旋桨的扭 矩及其产生的扭应力、螺旋桨的推力及其产生的压应力、螺旋桨及轴系部件的重量所造 成的负荷及其产生的弯曲应力、在轴系安装时的弯曲或由于船体变形弯曲在轴内所造成 的附加弯曲应力及在轴承上所造成的附加负荷等。此外，轴系还要承受与主机工况变化， 螺旋桨振动，轴系中个别轴承失载以及主机或船体发生事故所造成的轴系振动和由此产 生的附加应力及附加载荷。 为确保轴系长期安全正常的运转，除了在轴系设计时应保证具有足够的强度及刚度 外，在轴系安装时，应保证它具有合理的状态，使得轴系在各个轴段内的应力及各轴承 上的载荷均处在合理的范围之内。经理论分析和生产实践证明，安装好的轴系，其各轴 段应力及各轴承上的载荷是否合理，除设计因素之外，其主要取决于轴系校中质量的好 坏。 所谓的“轴系校中 就是按一定的要求和方法，将轴系铺设成某种状态，处于这种 状态下的轴系，其全部轴承上的负荷以及各个轴段内的应力都应处在允许的范围之内， 或具有最佳的数值，从而可保证轴系能够持续正常的运转。 船舶轴系校中质量的优劣，对保障轴系及主机的正常运转，以及对减少船体振动有 着重要的影响，特别是轴径大、轴承间距小而刚性较强的轴系，其校中质量的影响更为 显著。生产实践证明，校中质量不好的轴系，其运转时则会造成尾轴管轴承迅速磨损甚 至烧坏，尾轴管的密封元件迅速磨损而造成的泄漏，造成主机曲轴的臂距差不能允许的 增大，破坏减速齿轮的正常啮合和支承轴承的j 下常工作，以及引起船体振动等。 由此可见，轴系校中相关技术是船舶行业一个非常重要的课题。良好的轴系校中对 于保障船舶在其运营期间正常工作是一个重要的环节。 1 2 国内外研究历史及现状 在轴系校中技术的发展过程中，出现了很多用于轴系校中和计算的方法，但就其原 理而言，大体上可以分为三类：直线校中原理、按轴承上允许负荷校中原理以及轴系合 理校中原理。 基于船体变形的轴系校中技术研究 目前国内外广泛采用的是按轴承上合理( 最佳) 负荷校中的原理，国内外许多学者 基于该原理做了大量的研究工作，其中人们探讨比较多，发展比较成熟的计算方法有三 弯矩法，迁移矩阵法和有限元法。三弯矩法是一种比较常用的方法，湛江水产学院的吴 刚用三弯矩法计算并论证了合理校中时船舶轴系中心线相对于理论中心线的“必需 偏 差1 2 j ，指出了直线校中存在的一些不足之处；武汉水运工程学院的周继良和六机部的邹 鸿均研究船舶轴系最佳校中问趔1 6 1 ，采用三弯矩法计算，进行了一些有益的探索；武汉 理工大学的张升平等针对船舶轴系静态校中计算的缺点对传统的连续梁三弯矩方程进 行了改进并开发了基于v b 的计算软件【4 l 。随着m a t l a b 这个矩阵处理“大王 的雄起， 人们对传递矩阵法也越来越关注。哈尔滨船舶工程学院的张洪田、王传溥采用r i c c a t i 传递矩阵法就弹性支撑和刚性支撑两种轴系校中计算模型进行分析研究，计算精度较 高，且数值较稳定【s 1 ；大连海事大学的魏海军等运用传递矩阵法进行船舶轴系合理校中 计算，并运用软件手段加以实现，克服了传统三弯矩法繁杂、麻烦、精度低的缺点隋l ；魏海 军等还用传递矩阵法对船舶尾轴承多支承问题进行了一些研究【1 0 】。有限元法是一种新 兴的轴系校中方法，随着a n s y s 的引入，人们可以在船舶轴系校中计算过程中添加一些 影响因素，使计算更接近船舶轴系实际运转时候的状态，得到更为准确的计算结果。根 据动态因素对船舶轴系的影响大小，还可以调整参数，提高轴系校中质量。对此，江南 造船集团有限责任公司的耿厚才1 8 】、武汉船舶职业技术学院的王鑫娥【9 j 、大连理工大学 的杨勇【1 叫等国内很多专家学者努力研究探索，取得了一些有益的成果。 随着轴系校中技术的发展以及相关研究的深入，人们开始意识到静态意义上的合理 校中的不足，这是基于如下两个原因：一方面，船舶轴系的工作状态本来就是动态的， 不但受到船本身装载情况的影响，还受其所处环境因素如温度等的影响；另一方面，船 舶的大型化、大功率化使得船体相对轴系变“柔”，使得轴系的工作环境更加恶化 1 1 一 1 3 1 。 于是人们开始了对影响轴系校中的相关动态因素的研究。国外的研究工作者，早在二十 世纪六十年代就开始了轴系动态校中技术的研究，i c m e s ( 轮机工程系统国际合作组 织) 1 9 7 9 年5 月关于推进轴系的会议可说是对相关研究工作的一次总结。此次会议的论 文，从理论、实测等方面探讨了轴系运行时的校中状态、各种因素的影响，以及造船厂所 采用的一些实际校中方法。但这些论文并没有对轴系动态校中计算问题给出恰当的、适 用的算法和建议。1 9 8 3 年，日本的舶用机关学会志及三井造船杂志发表了若干 研究文章，其内容也未超出上述会议讨论的范吲1 1 l 。国内也有一些专家学者对影响轴系校 中的动态因素进行了探索研究，并初步取得了一些成果。 当前，虽然人们己经开始对动态因素对轴系校中的影响开始了研究，即对轴系进行 动态优化设计，但是尚处于起步阶段。现在研究人员主要是在轴系校中过程中，记入船 大连理工大学专业学位硕士学位论文 体变形、润滑油膜、螺旋桨水动力1 等因素的前提下，建立较为全面的轴系动态校中计 算模型。对支承合成刚度问题及各种动态因素对轴系校中的影响作了初步的研究，为的 是能够得出一个良好的校中方案，使其保证轴系在运行过程中，满足轴承负荷和弯曲应 力的规定要求，使各轴承负荷分布均匀。国内外很多专家学者针对船体变形、螺旋桨水 动力 1 4 l 、轴承刚性n 射、油膜【1 6 l 和温度变化等影响轴系校中的动态因素进行了一些研究， 但由于这些动念因素的复杂性，只能根据经验相对简单地计入这些动态因素的影响。因 此，深入地研究这些动态因素对轴系校中的影响，进而建立全面系统的轴系校中计算模 型是今后一段时间内轴系校中技术的研究重点。 1 3 本文的主要工作和意义 本文的主要工作有如下几个方面： ( 1 ) 对轴系及其主要构件、轴系的运转及其受力负荷、轴系校中质量好坏对船舶及 轴系正常运转的影响以及影响轴系校中质量的因素进行了研究探讨。 ( 2 ) 对轴系校中技术进行分类，并就轴系合理校中计算常用的三弯矩法、迁移矩阵 法和有限元法进行研究比较。 ( 3 ) 对船体变形进行研究分析，并在此基础上提出变形耦合的方法，以寻求在船舶 不同载况之间一个最佳的平衡，使轴系在一定时间内受到的微损伤积累最小。 ( 4 ) 以某船型轴系为例，选取有限元方法，进行轴系合理校中计算及变形耦合计算， 并对耦合后的轴系进行了验证。 本文所提出的变形耦合方案，实现了船体变形与轴系校中之间的最佳耦合，对轴系 校中工作有一定的指导作用。 基于船体变形的轴系校中技术研究 2 轴系及轴系校中 2 1 轴系及其主要构件 船舶轴系是船舶动力装置的重要组成部分。轴系的主要功能是，将船舶主机发出的 功率传递给螺旋桨，同时又将螺旋桨在水中旋转时产生的轴向反推力传给船体，以推动 船舶航行n 。 船舶轴系按在一艘船所安装的主机台数，分为单轴系装置、双轴系装置及多轴系装 置；按主机在船上安装的位置中部机舱或尾部机舱，分为长轴系及短轴系。 船舶轴系是指从主机尾法兰起到尾轴止，包括推力轴、中间轴、尾轴、联轴器、推 力轴承、中间轴承、尾轴管等部件的总称n 1 。 传动轴：传动轴包括中间轴、尾轴及推力轴，是船舶轴系的主要构件。每条轴系都 具有一根尾轴，它位于轴系的尾端。其前端与中间轴连接，其末端穿过尾轴管伸出船体， 在其上装螺旋桨。中间轴是连接尾轴和推力轴的轴，数目不定，有时一根，有时数根。 推力轴的作用是将螺旋桨产生的轴向推力传递给船体，在其中部通常具有一圆盘形的推 力环。 联轴器：轴系装置中的传动轴之间需用联轴器进行连接。联轴器的形式较多，常用 的有法兰联轴器和液压套筒式联轴器两种。其中法兰联轴器是在连接轴系中最常用的一 种联轴器，液压套筒式联轴器常用于采用滚动轴承作为中间轴轴承的轴系。 中间轴承：中间轴承用于承受中间轴的径向负荷和轴系的自重，是轴系的重要部件。 中间轴承按其工作表面的摩擦性质，分为滑动式和滚动式两类。船舶轴系目前多采用滑 动式中间轴承。 尾轴管装置：尾轴管装置的作用是支持尾轴、保证尾轴区域船体的水密性，以及尾 轴用油润滑时润滑油不外泄等。尾轴管装置的结构与轴系装置的类型有关，可分为单轴 系尾轴管装置和双轴系尾轴管装置；面这两种尾轴管装置按其润滑方式又可分为水润滑 式及油润滑式。各种形式的尾轴管装置，一般都包括尾轴管、尾轴管轴承( 尾轴承) 、 前后端密封、润滑及冷却系统等部分。尾轴管轴承分为水润滑式和油润滑式两类。水润 滑轴承采用铁梨木、橡胶、层压板( 桦木或布质) 或塑料等材料制成。油润滑轴承采用 白合金或青铜等材料制成。 隔舱壁填料函：在轴系通过的水密隔舱处，城装置填料函以保证水密隔舱壁的水密 性。填料函中的填料通常采用具有圆形或方形截面并用油当过的麻绳或木板制成。 大连理工大学专业学位硕十学位论文 2 2 轴系的运转及其受力负荷分析【l 】 前面已经提到，轴系的主要功能是，将船舶主机发出的功率传递给螺旋桨，同时又 将螺旋桨在水中旋转所产生的轴向反推力传给船体，用以推动船舶航行。就以此为依据 来分析轴系在运转过程中所受的应力和负荷。 一方面，要将主机发出的功率传递给螺旋桨，带动螺旋桨旋转，轴系必须承受螺旋 桨的扭矩及其产生的扭应力；另一方面，要将螺旋桨在水中旋转所产生的轴向反推力传 给船体，轴系必须承受螺旋桨的推力及其产生的压应力， 轴系所传递的扭矩可以从它传递的功率和轴的转速算出。轴上传递的主机扭矩m k 为 m 七= 9 5 5 p e i 叼1 0 3 n c m n e ( 2 一1 ) 式中：主机额定功率( k w ) ； n e 额定转速轴的转速( r m i n ) ； f 齿轮箱的传动比； 叩传动效率。 轴系所传递的推力，可以热气螺旋桨所吸收的功率、螺旋桨的效率和船舶航速算出， 轴系所传递的推力t 为 z 钉9 4 5 乃昔n ( 2 _ 2 ) 式中：丁螺旋桨最大推力( n ) ； 0 m 越螺旋桨吸收的最大功率( k w ) ； k 船舶的航速( k n ) ； 刀p 螺旋桨的效率，推( 拖) 船刀p 5 o 3 _ o ，商船刀p 2 o 6 o 7 8 ， 快艇与小艇刀p = 0 4 5 0 7 0 。 作为主机与螺旋桨之间联系的纽带，主机工况的变化、螺旋桨的振动以及主机发生 事故都会影响轴系的运转状态，使其产生附加应力及附加负荷，同时也可能引起轴系振 基丁船体变形的轴系校中技术研究 动。 螺旋桨安装在轴系末端，轴系安装在船上，船体通过轴承支座以及轴承来承受轴系 部件及螺旋桨的重量。轴系部件及螺旋桨的重量会造成相应的负荷及弯曲应力；轴系安 装时的弯曲、船体变形弯曲都会在轴内造成附加弯曲应力，在轴承上造成附加负荷。 为确保轴系长期安全正常的运转，除了在轴系设计时应保证具有足够的强度及刚度 外，在轴系安装时，应保证它具有合理的状态，使得轴系各轴段内的应力及各轴承上的 载荷均处在合理的范围之内。经理论分析和生产实践证明，安装好的轴系，其各个轴段 应力及各轴承上的载荷是否合理，除设计因素之外，其主要取决于轴系校中质量的好坏。 轴系校中：所谓的“轴系校中 就是按一定的要求和方法，将轴系铺设成某种状态， 处于这种状态下的轴系，其全部轴承上的负荷以及各个轴段内的应力都应处在允许的范 围之内，或具有最佳的数值，从而可保证轴系能够持续正常的运转。 2 3 轴系校中质量对轴系及船舶正常运行的影响 船舶轴系校中质量的优劣，对保障轴系及主机的正常运转，以及对减少船体振动有 着重要的影响，特别是轴径大、轴承间距小而刚性较强的轴系，其校中质量的影响更为 显著。生产实践证明，校中质量不好的轴系，其运转时则会造成尾轴管轴承迅速磨损甚 至烧坏，尾轴管的密封元件迅速磨损而造成的泄漏，造成主机曲轴的臂距差不能允许的 增大，破坏减速齿轮的正常啮合和支承轴承的正常工作，以及引起船体振动等。 2 3 1 轴系校中质量对轴承负荷及轴内应力的影响： 对所安装好的轴系，其各轴承上的实际负荷及各轴段内的弯曲应力，可以说主要取 决于轴系校中后的状态。轴系校中质量的优劣直接影响到轴系中各个轴承上实际负荷的 分布状态。合理的校中方法，就能获得轴承负荷的最佳分配，否则，就会造成轴承负荷 不合理的分配。 2 3 2 轴系校中质量对尾轴管轴承磨损的影响： 由于在尾轴的末端上悬壁地安装着一个很生的螺旋桨，致使尾轴在尾轴管内往往成 弯曲状态。在这种情况下，就会造成尾轴与尾轴管后轴承不均匀的接触，即在此轴承后 边缘处形成局部接触，造成所谓的“单边负荷，在轴承局部承荷的面积上比负荷是非 常大的，这必然会造成尾轴承迅速的局部磨损。这种尾轴在尾轴承中单边承荷的状况， 可通过轴系合理校中予以改善。 大连理1 ：大学专业学位硕十学位论文 2 3 3 轴系校中质量对船舶振动的影响： 船体的强制振动是由于受到螺旋桨的桨叶数或与桨叶数的整倍数相当的振动频率 的强制振动力所造成的。实践证明，当轴系校中合理时，螺旋桨的振幅就会显著地减小， 从而使船体由于螺旋桨引起的强制振动也显著地减小。而对轴系采取合理校中，可以明 显地减小螺旋桨轴的振动和船体的振动。 综上所述，轴系校中质量的优劣对轴系、主机以及船体的正常运转都有关不可忽视 的影响，这是一个值得引起从事轴系安装工作者十分重视的问题。 2 4 影响船舶轴系校中质量诸因素的分析 影响轴系校中的因素是错综复杂的，但其主要影响因素有：轴系中各运动件和固定 件的加工精度，轴系安装时的弯曲状态，轴端法兰因自重下垂，船体变形以及轴系的结 构设计质量，等等n 引。 2 4 1 轴系中各运动件和固定件的加工误差的影响【1 s l ： 包括如下两个方面： 传动轴机械加工产生的误差：( 1 ) 轴法兰断面与轴中心线的不垂直度；( 2 ) 两轴法兰。 断面配对时的不同轴度；( 3 ) 轴弯曲或两轴径不同轴。 艉轴管安装和加工时的误差：( 1 ) 艉轴管焊装时产生的焊接变形；( 2 ) 艉轴管镗孔时 圆度和椭圆度产生的误差。 以上加工误差的存在，传动轴连接成的轴系在旋转中会产生轴线与轴承中线的相对 位置不断变化，从而使轴承上的负荷在轴的每一转中由小到大再由大到小发生周期性变 化，以致造成轴在旋转中对轴承不断冲击，使轴系产生振动。 2 4 2 轴系安装弯曲的影响【1 8 】： 目前，由广泛采用的挠性理论计算出的轴系安装弯曲状态，主要是使各轴承上的负 荷能合理分配，在此弯曲状态下所造成的附加负荷和轴内弯曲应力都应在允许的范围 内，但在轴系校中由于浇塑模块的收缩率和气温与水温差值大产生的船体变形，以及主 机滑油投油加温产生基座面变形的影响，产生了传动轴连接法兰的位移和曲折数据超出 允许范围。 2 4 3 轴端法兰因自重下垂的影响【1 8 】： 目前大多数轴系校中的实施是以书已经定好位的艉轴法兰为基准，按法兰上的允许 偏中值进行逐段的校中，而这种方法由于两临时支承位置不正确，直接影响轴法兰下垂 基丁船体变形的轴系校中技术研究 值的大小，使其实际位移与曲折走出允许范围。当轴系连接时，连接法兰上产生拉力和 弯矩，增大了轴承上的附加负荷，影响了轴系校中的质量。 2 4 4 轴系结构设计的影响【1 8 i ： 主要是各轴承跨距的影响，除三m 勰s1 2 5 4 d 的规定外，对最小跨距没有明确的规 定。事实上，轴承跨距越小，轴承的“负荷影响系数”就越高。当轴承因之产生变化时， 轴承上的负荷则会产生较大的变化，会产生发热、磨损加剧等现象。 2 4 5 轴承结构刚度的影响【1 1 i ： 在进行静态校中计算时，通常都认为轴承结构刚度为无穷大，实际情况并非如此。 据统计，大型货船中间轴承刚度约为( 2 4 4 o ) x1 0 6k g f c m ，齿轮轴承的刚度约为 ( 2 1 3 2 5 ) x 1 0 6 k g f c m ，当轴承刚度较小时，轴系对轴承位移的敏感度明显降低。 由于间接传动轴系齿轮前后轴承负荷差要求比较严，因此选择这类轴系校中方案时，若 已知轴承刚度较小，就不就忽略其影响，应按弹性支承计算，否则齿轮前后轴承负荷差 可能超差。 2 4 6 船体变形的影响【1 1 j ： 船体由于在船台或船坞下水后船体支撑力的变化而产生变形；在船舶运营期间，由 于船体承载的不同而引起的变形；由于受太阳照射，造成船体水上水下温度不均而产生 变形，由于波浪引起的船体变形。以上几种情况都会使校中数据不准确，从而影响轴系 的校中质量。 2 4 7 油膜的影响： 在轴系运转过程中，由于存在润滑油，轴承与轴颈之间会产生油膜，因而轴颈是被支 承在具有一定厚度的油膜上的。船舶轴系一般由多个滑动轴承支承，所以不同于单个的 滑动轴承，它是一个轴承系统。在不同的支承处，油膜厚度不同，轴承反力也不同，某 个转子位置的变化和轴承反力的改变都会影响到周围的轴承，于是轴承间相互影响，使 轴系的轴承反力发生复杂的变化。 2 4 8 螺旋桨水动力作用【1 1 1 【1 2 l 【1 4 1 1 1 9 i ： 螺旋桨水动力有六个分量，它的大小和方向与舰船伴流场密切相关。螺旋桨水动力 示意于下图。 大连理工大学专业学位硕七学位论文 图2 1 ：螺旋桨水动力示意图 f i g 2 1h y d r o d y n a m i cf o r c e so fp r o p e ll e r e 的交变部分会引起轴系纵向振动，扭矩m j 使轴系受到扭转力的作用，其交变 部分引起轴系的扭转振动。m ) ，、m ：、e 、c 的交变部分对轴系回旋振动起激励作 用。 2 4 9 振动【1 1 1 ： 主要指船体振动和轴系振动。船体的强迫振动会加速艉管轴承的磨损、艉轴管的百 战不殆、密封泄漏、轴承衬的百战不殆和白合金的烧损等现象。轴系的扭转振动会引起 轴系零部件损环及轴系的疲劳断裂；轴系的纵向振动会对轮齿上的负荷造成较大的影 响；轴系的回振动对轴系及轴承造成附加动负荷。合理的轴系校中可以减缓船体和轴系 的振动、减小船体和轴系振动对轴系的正常运转无疑是有利的。 影响轴系校中的因素错综复杂，使轴系校中工作难度大大增加，在全面分析这些因 素的基础上寻求相应的对策是十分必要的。 2 4 1 0 对策分析【1 8 j ： 以上所讲的这些因素，按照其分析处理着眼点的不同可以分为作业因素和计算因素 两大类。作业因素是指与加工、操作等有关的因素，包括轴系中各运动件和固定件加工 误差、轴系安装弯曲和轴端法兰因自重下垂的影响。计算因素是指与计算有关的因素， 包括设计计算因素和校中计算因素。设计计算因素在这里指的是轴系结构设计的影响。 校中计算因素包括轴承结构刚度、船体变形、油膜、螺旋桨水动力作用和振动的影响， 其中除轴承结构刚度外，其余各因素都是随着船舶运营整个过程而不断变化的，因而也 称为动态因素。在影响轴系校中质量的这些因素中，除动态因素外，其余因素统称非动 基于船体变形的轴系校中技术研究 态因素。 对于非动态因素，可以从加工、操作、设计等角度来寻求对策： ( 1 ) 提高轴系中各运动件和固定件的加工精度：传动轴要进行精加工，尽可能保证 轴法兰断面与轴中心线的不垂直度、两轴法兰断面配对时的不同轴度、轴弯曲或两轴径 不同轴度在设计标准之内。为减少焊接变形，艉轴管的焊接应按照图纸校正，点焊固定 冷却后，分四次焊接，每次焊接间隔时问应保证艉轴管组件已充分冷却再进行下一次焊 接。为保证前后艉轴孔的圆度和圆柱度在设计的范围内，车配前后艉轴管轴承衬套外圆 时，应以前、后艉轴孔实测的平均尺寸为基准配置，其配合过盈量应在一定范围内。 ( 2 ) 严格按照轴系校中安装工艺施工：为使传动轴连接法兰的位移、曲折数据不超 范围，在连接各传动轴时，法兰接触面要清洁干净，不能有颗粒状物质存在，中间轴保 护施工完后，两法兰要盖好。中间轴用两个临时支承支撑起来，调整中间轴，将与螺旋 桨前法兰相连接的后法兰开口值、偏移值调整到合适范围。再调整主机，使中间轴前法 兰与主机推力法兰的开口值、偏移值达到图纸要求的数值范围。同时应停止一切大的集 中载荷迁移，停止震动作业和焊接作业，注意环境温度影响及吃水的变化。为减少浇塑挚 块收缩率的影响，主机高度应提高一定数值，同时调整主机的扭曲。 ( 3 ) 确定好中间轴的临时支承位置，减少自重下垂的影响：为确定中间轴的临时支 承位置，目前普遍采用以下两种方法：一种是支承位置与法兰端面距离按中间轴长度的 0 1 8 0 2 2 倍来确定，按这种方法布置，根据实践经验和理论计算，中间轴自重所产生的 弯曲变形值最小。另一种方法是在( 合理校中) 计算其偏移和曲折值时加以修正，可按在 各种载荷下所造成的轴段下垂量和偏移度计算公式来确定。 ( 4 ) 合理设计轴承跨距，减少设计不合理带来的影响： 根据理论计算和实际工作经验，轴系在设计时，在轴系挠度、振动、轴承比压允许 的情况下，合理地确定尽可能大的轴承跨距。 ( 5 ) 尽量采取弹性轴承支承模型来计算： 考虑到计算简化的需要，可以对轴承支撑模型从刚、弹性两个方面入手进行分析， 如果确信刚性支承模型能够满足校中计算的要求，则可以采用相对较为简单的刚性支承 模型来计算，否则必须采用弹性支承模型。 ( 6 ) 对于油膜、螺旋桨水动力作用、振动和船体变形这些影响轴系校中计算的动态 因素，由于它们随着船舶的运行状态不断变化，就不能用静止的眼光去看待它们。可以 从两个方面考虑：一方面是通过高科技手段，对轴、轴承等轴系部件的些状态参数进 行监测并把监测到的信息传给分析中心进行分析处理，然后将分析所得的数据传给反馈 端，从而达到调整轴系运行状态的目的：另一方面是通过实验、调查等手段对这些因素 大连理工大学专业学位硕+ 学位论文 的相关参数等进行分析，研究其在船舶不同运行时期对轴系运转状态的影响，总结其影 响规律，并用公式、模型等描述出来，为相关工作人员提供便利。就目前而言，考虑到 科技水平、经济效益等社会因素，人们暂时还无法实现实时监测分析反馈的轴 系动态校中水准，但是为了改善轴系的运转状态，提高轴、轴承等轴系部件的使用寿命， 许多学者、专家将大量的时间经历投入到第二个方面的研究中去，他们采用各自熟悉的 方法，从各种不同的角度来研究这些动态因素对轴系校中的影响，然后将所得应用到计 算中，得到了一些有益的结论。笔者阅读了大量这方面的相关资料，在学习过程中发现， 如何考虑船舶装载变化等引起的船体变形对轴系校中的影响是一个值得进一步探讨的 问题。 2 5 本章小节 本章主要学习研究了如下内容：轴系及其主要构件、轴系运转过程中所承受的负荷、 轴系校中质量对船舶及轴系正常运行的影响、影响轴系校中的因素及对策分析。通过研 究上述内容，为更好地研究船体变形与轴系校中的关系作铺垫。 基于船体变形的轴系校中技术研究 3 轴系校中计算 3 1 引言 在船舶的建造和修理的过程中，进行轴系校中的方法是多种多样的。但就其校中的 原理而论，一般可分为如下三大类： 3 1 1 按直线性校中原理： 在过去很长一段时间内，曾认为将整个轴系成直线安装是合理的，因此在进行轴系 校中时尽可能的将尾轴，中间轴，推力轴及发动机轴排成一条直线，以保证轴系基本在 无弯曲的状态下运转。这就是所谓的轴系按直线性校中原理。 图3 1 ：轴系校中法分类框图 f i g 3 1 ：c l a s s i f i c a t i o no fs h a f t i n ga 1i g n m e n tm e t h o d s 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 1 2 按轴承上允许负荷校中原理： 根据各种轴系的结构特点确定轴承上负荷的允许范围，并在校中时通过调节轴承的 位置使轴系各轴承上的实际负荷都处在允许值范围内。按这种原理校中好的轴系显然不 是成直线而是成曲线安装的。 3 1 3 按轴承上合理负荷校中原理： 即所谓的轴系合理校中，其实质是在遵守规定的轴承负荷、应力、转角等限制条件 下，通过校中计算以确定各轴承的合理位置，将轴系安装成规定的曲线状态，以达到使 各个轴承上的负荷合理分配。校中方法的分类如图3 1 所示 上述校中原理代表了轴系校中技术的三个发展阶段，目前国内各大船厂已经广泛应 用轴系合理校中技术，本章将分析目前合理校中技术比较常用的几种具体计算方法，包 括三弯矩法、迁移矩阵法和有限元法，并对其做出比较，为后续的研究做好准备。 3 2 校中计算前处理 3 2 1 坐标系建立 进行轴系校中计算，必须有适当的数学模型，在建立模型前，选取适当的坐标系是 必不可少的。取螺旋桨轴末端为轴系坐标系原点，以轴系理论中心线为x 轴，过原点垂 直x 轴向上作为z 轴的正向，按右手法则，y 轴纸面朝内指向为正。此时，集中载荷、 均布载荷、轴承反力、轴承变位和轴截面挠度的符号与z 轴同向为正，对应于y 轴的轴 截面的弯矩，转角均以逆时针为正。如图3 2 所示： 、 m i b q i 以o 鑫断 ， 1 z 。i x 。 l q r 图3 2 轴系校中计算坐标系 f i g 3 2c o o r d i n a t e so fs h a f t i n ga li g n m e n t 3 2 2 轴系结构要素的处理 为建立轴系校中计算的物理模型，对计算中所涉及到的轴系诸结构要素，如轴的自 基于船体变形的轴系校中技术研究 重、轴系作用的载荷、外力及支反力的着力点、主机曲轴的曲拐等，均应作出相应的处 理。 3 2 2 1 各轴段有关部分重力的简化处理 ( 1 ) 尾轴、中问轴、推力轴和减速器大齿轮轴的自重，均作为均布载荷处理；对尾 轴浸入海水或润滑油中的部分，还应考虑海水及润滑油浮力的影响，帮计算自重时应予 以修正。 尾同浸入海水中轴段的重量可按下式予以修正： = 岷丝 ，1(3-1) 通常近似取 = ( o 8 7 0 9 0 ) w 气 ( 3 2 ) 式中：浸入海水轴段的实际重量，n ； 眠该轴段在空气中的重量，n ； ) ，1 尾轴材料的比重； ) ，2 海水的比重。 尾轴浸入润滑油中轴段重量的修j 下办法同上式，这时) ，z 应为润滑油的比重。 ( 2 ) 桨轴螺帽、轴套均作为均布载荷计入相应轴段； ( 3 ) 联轴器、飞轮、减速器大齿轮，根据其实际结构尺寸算出其重力，可作为均布 载荷计入相应轴段，或按集中载荷处理，集中载荷的作用点位于相应中剖面上； ( 4 ) 柴油机曲轴，可作为与主轴颈等同的光轴，按均布载荷处理； ( 5 ) 柴油机各缸的往复及回转运动部件的重力，作为集中载荷作用在曲销中剖面上。 3 2 2 2 螺旋桨载荷的简化处理 螺旋桨的重量作为集中载荷处理，作用点在螺旋桨的质心垂线与螺旋桨轴中心线交 点。质心位置未知时，通常取自桨叶中心线0 7 r 处向轴中心线所引垂线交点，或近似 地取为桨毂中点。集中载荷大小要考虑到浮力的影响，分为全浸水和部分浸水两种状态。 全浸水状态时的螺旋桨重力载荷计算公式 酢1 掣 ( 3 _ 3 ) 大连理工大学专业学位硕士学位论文 i s 常近似取 2 ( o 8 6 9 0 8 7 1 ) w e , ( 3 - 4 ) 部分浸水状态时螺旋桨重力载荷计算公式 ；w 。w 0 , - r w ) + 嘭， ( 3 5 ) 通常近似取 = ( o 9 3 5 o - 9 4 7 ) ( 3 - 6 ) 式中：校中计算时螺旋桨重力载荷( n ) ； 螺旋桨在空气中的重力( n ) ； 螺旋桨浸水部分的重力( n ) ； 既螺旋桨未浸水部分的重力( n ) ； 7 ，螺旋桨材料的比重( n m 3 ) ； ) ，w 海水的比重( n m 3 ) 。 3 2 2 3 轴承支点的确定 对于中间轴承、推力轴承及尾管前轴承，轴承支点可取在1 2 轴承长度处，而尾管 后轴承因爱螺旋桨悬壁作用，压力中心后移，其支点与轴承后端面的距离可在下述范围 内选取： 白合金轴承 s 6 = c 号三，l 。3 7 ， 铁梨木轴承 s 6 2 c 三三，l 。3 8 ， 3 3 三弯矩法轴系校中 用三弯矩法进行轴系校中计算时，将轴系视作旋转在各个刚性铰接支承e 的连续 基丁船体变形的轴系校中技术研究 梁，轴系的每个轴承都作为梁的一个实支承，带有减速器轴系的首端应取到减速器大齿 轮轴的前端面，直接传动的轴系首端取至主机输出端向前数第缸前主轴颈端面。 从前面所建坐标系原点( 即螺旋桨轴术端) 往x 轴正向，依次对各轴承支承进行编 号。为计算方便，假定各轴段材质均匀，轴承间轴段按等效均匀轴处理，引入计算符号 如下： ， l f 支座跨距( c m ) ； e 材料弹性模量( p a ) ； v 上i 挠度( 位移) ，向上为正( c m ) ； d 上f 集中载荷，向下为正( n ) ； ，f 截面惯性矩( c m 4 ) ； m f 弯曲力矩，使梁下凹为下( n c m ) ； 吼均布载荷，向下为正( n c m ) 。 3 3 1 弯矩的计算 图3 3 第z 支承处左右两跨梁的脱离体 f i g 3 3 b e a me l e m e n t so nb o t hs i d e so ft h en o i s u p p o r t 如图所示，取第f 个支座左右两跨梁的脱离体，对于厶轴段，其在支座f 处的转角 应为作用在其上各负荷在z 处引起的转角之和。现分析其各负荷在支座z 处引起的转角 大连理t 大学专业学位硕士学位论文 如下 由均载q f 引起的转角为 由弯矩m 引起的转角为 由弯矩m “引起的转角为 由变位y 一、引起的转角为 d 由集中力上i 引起的转角为 2 焘口 = 轰厶 ”厶 昌半 倪p ；丝幽 u t 6 e t ih 于是轴段厶在支承f 处的转角 ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) 8 l2 e 畸+ 9 潍i + 8 m i + e f y + 8 i b ；卫厶3 + 旦厶+ 堕l + 垒笪墨! + 堡鱼i 22 2 4 e i i i 3 e i i i 6 e i i f 6 e i l i z i 厶( 3 - 14 ) 同理，轴段厶+ 1 在支承f 处的转角 基于船体变形的轴系校中技术研究 1 9 f 一一面q i + l f + ，l i + 1 3 此m m i i 厶+ 1 _ 上k 一 6 e f + 1 i f + 1 + 1 p i + 1 口f + 1 ( l ，+ 1 2 一口f + 1 2 ) y 一誓+ l 6 e o f + ll i + l ( 3 1 5 ) 由梁的连续性条件可知，轴段厶和轴段厶+ 1 在支承f 处的转角应该是相等的，故 o i = o ( 3 - 1 6 ) 整理得三弯矩方程 轰2 ( 刍+ 最卜+ 最 噜一6 ( 争去声 。厶k 纽厶3 呸 “3 已q h k “2 一呸“2 ) e i a i 忆i 2 - a i 2 ) k 心每 以晖以 以 呸驰( 3 - 1 7 、 支承1 处的弯矩 或写成 支承n 处 或写成 用矩阵表示上述方程组： 式中 m 1 - - 一一譬 z 1 m ， e 1 - 1 i 1：一丝一监 ( 3 - 1 8 ) e 1 1 12 e 1 1 1 ( 3 1 9 ) ”“棚一半 ( 3 - 2 。) a m = b + c ( 3 - 2 1 ) ( 3 - 2 2 ) 大连理丁大学专业学位硕十学位论文 a = b = q 1 厶3 2 巨 口：厶3g 3 4 e d 2 吗l q 卜士h 主q 暑： 4 e n 蕾4 矩n in 吼+ 1 厶“ 矩蕾a + 2 f 量 、l 土 i 取厶飘j 厶+ 1 e 0 帕 弓岛厶 吗，厶6 e d ，厶 6 e d l n6 己“l + + 1 + 。厶+ 。 e + 。l d m 必 ： 必 厶一地k一骐 生醌生，11、 _ 一取厶一欲 基了船体变形的轴系校中技术研究 c = = 6 6 乏一6 ( 去 卜+ 6 苦 6 i l - 2 6 ( 亡+ 水一苦 三胆一l 三刀一1l 刀j “- 工 l n o0 吉一( i 1 + i 1 ) i 1 i 1 一l 1 _ 1 ，+ i 1 ) i 1 l 一1l j三。 o0 k 匕 ： k 一。 k = 6 d y a m = b + c = b + 6 d y m = a 一1 ( b + c ) 一a 一1 b + 6 a 一1 d y t m o + a m y 式中： m 。2 a b 为轴系直线安装时各支承处弯矩； a m = 6 a - 1 d 为轴系变位时的弯矩影响系数矩阵。 3 3 2 支承反力的计算 设第z 号支承处的支反力为r f ，向上为正，可以把其分为两部分， 轴段保持平衡，o al 轴段对第f 一1 支座的力矩平衡得 r 7 厶+ m f m “一q i _ l i 2 一口f ：o d 7 m “一m f q f 厶口f r 二= 二二二三二量三+ 盟+ 二盟 lf 2 l f 另一部分r 使m 轴段保持平衡，同理可得 ( 3 2 3 ) ( 3 - 2 4 ) 一部分r 使厶 ( 3 - 2 5 ) ( 3 - 2 6 ) 大连理工大学专业学位硕士学位论文 r”：+i m i + 1 - m iq i + l l i + lp + l a i + l t + 1 2 lf+1(3-27) 故第z 号支承处的支反力： 尽= 尽+ 足 m 4 一必必+ 。一必鸥。纽 n 如已 = 一。一+ 一+ 一- i - 一+ 一 厶k 22 厶 厶以 对于1 号支承，支反力： 耻i - m 1 + 百m 2 ”t q 2 l 2 + 置+ 等 1 三， “1 2 1 上， 对于n 号支承，支反力： 耻气等+ 警饥。棚+ 等心。_ ，拧 - - 露 用矩阵表示上述方程组： r = d 1 m + f 式中 d 1 = 三2三2 i 1 一( 去+ i 1 ) i 1 i 1 一( 亡+ i 1 ) i 1 l 甩一l 肛一l撑j 工撑 ll雄 2 1 一 ( 3 - 2 8 ) ( 3 - 2 9 ) ( 3 - 3 0 ) ( 3 - 3 1 ) 基丁船体变形的轴系校中技术研究 f = 。+ 华 型互+ 鱼生 2z 堡型墨_ + 盟k 盟+ 垡! ! ! !