船舶轴系设计

船舶轴系设计 2020年4月6日 2 岗位介绍 江苏南极机械有限责任公司是由泰兴船舶机械厂建成 始建于1968年 为国家大中型企业 中国船舶工业集团公司联营企业 国家级及国家火炬计划重点高新技术企业 江苏省高新技术企业 江苏省船舶配套行业重点企业 主要生产经营 南极 牌舰船用生活污水处理装置 油污水处理装置 空调 冷藏装置 中间轴承 隔舱填料函 海水滤器 液压联轴节 螺栓 螺母 压力水柜 热水柜 反渗透海水淡化装置 减振降噪浮筏装置 主机供油单元 喷油冷却单元以及轴系打包 特种车辆改装等产品 产品销往全国各大中船型厂和 向阳红十号 考察船 南极 长城站 中山站 极地号 考察船 远望号测量船等国家重点工程和重点舰船 公司占地面积10万多平方米 建筑面积5万多平方米 拥有高精度 大型设备250多台套 总资产2亿多元 现有员工600多人 科技人员96人 高 中级职称68人 生产技师 高级工占35以上 公司建立研究所和江苏省船舶污水序批式膜法处理设备工程技术研究中心 现有6项产品被评为高新技术产品 发明专利和实用新型专利产品各5项 产品通过GB T19001 2008质量体系认证 通过了CCS ABS DNV BV GL LR RINA NK等船级社的认可 被评为全国环保科技先进企业和环保百强企业 连年被评为银行资信 AAA 级企业和工商部门 AAA 级信用企业 荣获江苏省 重合同 守信用 先进企业和泰州市A级信用纳税企业等称号 2020年4月6日 3 船舶轴系设计安装总介绍 文中主要介绍了船舶轴承设计 并根据实例说明船舶轴系的安装及安装时应当注意的问题 2020年4月6日 4 目录 轴系的任务 组成 与设计要求轴系的种类轴系工作条件及故障轴系布置设计流程轴线的确定轴线的数目轴线及轴段长度的确定主机位置布置原则螺旋桨的布置与定位轴承的设置 轴承负荷轴承的比压许用范围轴承负荷计算中支点位置的确定 2020年4月6日 5 轴系的任务 组成 与设计要求 2020年4月6日 6 一 轴系的任务 船舶轴系是船舶动力装置中的重要组成部分 承担着将主机发出的功率传递给螺旋桨 再将螺旋桨产生的轴向推力传递给船体实现推船航行的目的 船舶轴系的结构较为简单 但作用十分重大 维护管理好轴系 对保证船舶的安全航行至关重要 2020年4月6日 7 二 轴系的组成 船舶轴系是从主机输出端法兰起至尾轴为止 连接主机和螺旋桨 对于直接传动的推进系统 包括传递功率的传动轴及其轴承等零部件 主要有 推力轴和推力轴承 中间轴和中间轴承 尾轴和尾轴承以及其他附件等 对于间接传动的推进系统 除有上述传动轴和轴承外 还有离合器 弹性联轴器和减速齿轮箱等部件 2020年4月6日 8 轴系的种类 单轴系单轴系轴线布置于船体的中纵剖面上 并平行于船体基线 单轴系的长度主要由中间轴数目来定 而中间轴的数目则取决于机舱位置 中机舱的中间轴数量多 轴系长 凡具有两节或两节以上中间轴的轴系称为长轴系 尾机舱的中间轴数量少 甚至没有中间轴 轴系较短 凡具有一节中间轴或无中间轴的轴系称为短轴系 轴系短不仅便于船舱布置 节省船舶建造费用 而且便于维护管理 所以日前造船趋势都是采用尾机舱或近尾机舱的船舶结构 单轴系的特点是 直接传动 结构简单可靠 传动损失小 便于操纵 单轴系多用于大型海船 拖轮及内河中小型船舶 如油船 集装箱船及散货船等 2020年4月6日 9 双轴系两个轴系分别平行对称布置在船体中纵剖面的两侧 相对体船基线略有倾斜 以保证螺旋桨充分没入水中 由于船体结构的限制 螺旋桨至尾轴管距离较远 尾轴较长 需在船体外部设置人字架托住悬伸于船外的尾轴 为了便于拆装将尾轴分为两段制造 中间用联轴器连接 在船体尾轴管内的轴段仍称为尾轴 悬伸在船外的轴段与螺旋桨连接 并由人字架支承 这段轴称为螺旋桨轴 双轴系船舶具有高速 机动性好和生命力强的特点 但双轴系结构复杂 配套设备多 如双轴系为双机双桨 建造和修理工作量大 费用高 一般多用于客船和军用舰船 2020年4月6日 10 轴系工作条件及故障 船舶轴系的主要零件 中间轴 尾轴等虽然结构简单 但尺寸大 重量大 一般轴长无与轴径d之比均超过10 所以是扰性轴 容易产生变形 轴系位于船体水线以下部位 运转时不仅受到主机传递的扭矩作用 轴系自重引起的弯曲变形 而且还受到螺旋桨产生的阻力矩和推力作用 此外 还受到轴系校中 安装 船体变形 船舶振动及螺旋桨水动力等引起的附加应力的周期作用 船舶主机的紧急停车 频繁机动操车 或者在台风 大浪中剧烈摇摆时 上述情况就更加严重 并使轴承负荷加重 传动轴工作表面与轴承的相对运动还会产生过度磨损 在海水和滑油介质中受到腐蚀 所以 船舶轴系在运砖中会产生声音异常 振动 轴承温度升高 传动轴磨损加剧 密封装置漏泄等损坏 严重对甚至产生断轴事故 轮机人员应作好日常的维护修理 使轴系处于良好的技术状态并应掌握船舶轴系的有关理论知识和实际检验方法 2020年4月6日 11 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 2020年4月6日 12 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 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 2020年4月6日 13 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 2020年4月6日 14 主机位置布置原则如下一 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 2020年4月6日 15 二 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0 5 之内 高速快艇轴线的倾角可放大到12 16 偏角则控制在0 3 之内 2020年4月6日 16 三 主机应尽量靠近机舱后舱壁布置 以缩短轴线长度 四 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 2020年4月6日 17 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 2020年4月6日 18 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 2020年4月6日 19 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 2020年4月6日 20 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 2020年4月6日 21 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 2020年4月6日 22 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 4 1 3 l或者 取u 0 5 0 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 2020年4月6日 23 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 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