船舶軸系對(duì)中的目標(biāo)和負(fù)荷分配

船舶軸系對(duì)中的目標(biāo)和負(fù)荷分配

1軸系和螺旋船舶動(dòng)力的安裝是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。為了確保船舶在不同的海況和條件下安全航行，船舶級(jí)協(xié)會(huì)對(duì)船舶動(dòng)力的安裝有特殊要求。船舶動(dòng)力裝置包括主機(jī)、軸系、螺旋槳。軸系位于主機(jī)和螺旋槳之間,擔(dān)負(fù)著把主機(jī)的扭矩傳給螺旋槳,同時(shí)又把螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力通過軸系中的推力軸承傳遞給船體,從而達(dá)到船舶航行的目的。如果軸系在運(yùn)行中出現(xiàn)了問題,船舶輕則靠碼頭修理,重則需進(jìn)干船塢把艉軸抽出并更換艉管軸承,甚至?xí)劤珊叫惺鹿?造成重大經(jīng)濟(jì)損失,所以船舶軸系安裝一定要保證質(zhì)量,而船舶軸系對(duì)中結(jié)果直接影響到船舶軸系的安裝質(zhì)量,本文在此對(duì)船舶軸系對(duì)中作簡(jiǎn)要探討。2軸系反力和彎曲力船舶軸系對(duì)中的目標(biāo)是使軸系的軸承負(fù)荷達(dá)到最佳狀態(tài)分布,在船舶所有裝載和冷熱情況下,均具有合理的軸系反力和彎曲力矩。只有滿足船舶軸系對(duì)中目標(biāo),船舶軸系對(duì)中才算成功。2.1載荷和相對(duì)位置軸系對(duì)中的基本目標(biāo)是對(duì)連接的軸系提供支撐,并確保在所有運(yùn)行狀態(tài)下整個(gè)軸系軸承負(fù)荷有滿意的軸承負(fù)荷分配,在軸頸和軸承表面不會(huì)有過度的角度不中,齒輪箱或主機(jī)負(fù)荷在廠家規(guī)定靜態(tài)負(fù)荷范圍。低速柴油機(jī)還規(guī)定了在對(duì)接法蘭處的剪切力和彎矩,以及曲軸曲臂差范圍。船舶運(yùn)行時(shí),設(shè)備會(huì)產(chǎn)生熱變形,由于不同壓載和裝載狀態(tài)形成的吃水變化也會(huì)導(dǎo)致船體發(fā)生變形,這些都將導(dǎo)致軸承相對(duì)位置發(fā)生變化。在軸系設(shè)計(jì)的初始階段系統(tǒng)的剛性就要設(shè)定到最小以使軸承位置允許這些變化。2.2軸間設(shè)計(jì)角度不前船級(jí)社要求有總體和特定情況的標(biāo)準(zhǔn)。例如,推薦在后艉管軸承和軸間設(shè)計(jì)角度不中度,靜態(tài)情況下在支撐點(diǎn)不超過3x10-4角度(0.30mm/m);并且船級(jí)社規(guī)定了艉管和中間軸承的負(fù)荷范圍,在軸系的設(shè)計(jì)、安裝過程和試航階段要進(jìn)行校驗(yàn)。3軸承偏移及分析為達(dá)到軸系對(duì)中目標(biāo),需對(duì)軸系進(jìn)行對(duì)中計(jì)算。在進(jìn)行軸系對(duì)中計(jì)算時(shí),軸系要建模,簡(jiǎn)化為連續(xù)梁,考慮靜態(tài)和動(dòng)態(tài),由合適的計(jì)算機(jī)程序?qū)δＰ瓦M(jìn)行受力分析,以得到理論上合理分配的軸承負(fù)荷數(shù)值和兩軸間相鄰法蘭軸向和徑向位置差,作為實(shí)際對(duì)中的控制標(biāo)準(zhǔn);同時(shí)通過計(jì)算確保后艉管軸承與軸間不中度滿足船級(jí)社要求。軸系對(duì)中計(jì)算需考慮以下幾點(diǎn):(1)軸承偏移。如果軸徑低于300mm,軸承對(duì)中使用直線方式通常就足夠獲得滿意的軸承負(fù)荷分配。隨著軸系直徑增加,系統(tǒng)剛性隨著直徑的立方增加,并且軸承直線方式對(duì)中不能獲得優(yōu)化的負(fù)荷分配。因此,使一些軸承從直線位置上下偏移。軸承間相對(duì)位置將指示系統(tǒng)軸承負(fù)荷的分配。軸承從直線偏移的數(shù)據(jù)要在船廠提交船級(jí)社認(rèn)可的計(jì)算中規(guī)定。(2)船體變形。在船由建造船塢移到水上和壓載狀態(tài)更改可引起船體變形,支撐軸系的軸承支撐是一個(gè)彈性結(jié)構(gòu),船體變形將影響軸承偏移位置的相對(duì)變化。因此在軸系設(shè)計(jì)的初始階段,系統(tǒng)的剛性就要設(shè)定到最小以使軸承位置允許這些變化。(3)優(yōu)化設(shè)計(jì)。使用軸承運(yùn)行分析程序計(jì)算出可接受的軸承負(fù)荷,對(duì)滾動(dòng)軸承可參考廠家允許的軸承負(fù)荷數(shù)據(jù),最終實(shí)測(cè)的軸承負(fù)荷通常要向廠家咨詢并由其認(rèn)可。對(duì)艉管后軸承,軸和軸承中心線可接受的不中度一定要計(jì)算,這關(guān)系到艉管后軸承是否超負(fù)荷。如果經(jīng)過程序計(jì)算發(fā)現(xiàn)數(shù)值太大,可以通過軸承斜孔使其減小以達(dá)到優(yōu)化目的。后艉管軸承有時(shí)要做成斜度以與由于螺旋槳外懸掛的重量而傾斜的螺旋槳軸相配。軸承和靜態(tài)軸頸位置的不中度要求小于3x10-4角度(每米軸承長(zhǎng)度允許偏移0.30mm),見圖1。軸承所需要偏移量可由簡(jiǎn)單的三角法計(jì)算,根據(jù)軸的傾斜(由對(duì)中計(jì)算軟件給出);軸承長(zhǎng)度;在軸承長(zhǎng)度范圍內(nèi)的支撐點(diǎn)。在設(shè)計(jì)階段,傾向于在后軸承得到一個(gè)優(yōu)化斜度不中1.5x10-4角度(是0到3x10-4(角度的一半),這樣正值或負(fù)值建造偏差都在公差范圍內(nèi)。(4)船級(jí)社規(guī)范要求。對(duì)后艉管軸承處軸徑低于300mm,考慮軸系是足夠彈性的,軸系對(duì)中計(jì)算因此不需要提交認(rèn)可,然而,船廠有義務(wù)進(jìn)行系統(tǒng)分析;當(dāng)后艉管軸承軸徑為大于等于300mm且有以下條件時(shí),軸系對(duì)中計(jì)算要提交給船級(jí)社認(rèn)可:有裝齒輪箱;安裝一個(gè)中間軸承,或至少有前艉管軸承;主機(jī)或中間軸承彈性安裝。所有軸系對(duì)中計(jì)算要提交船級(jí)社檢閱,以滿足船級(jí)社軸系設(shè)計(jì)和安裝標(biāo)準(zhǔn)要求。4測(cè)量的測(cè)量過程根據(jù)軸系對(duì)中計(jì)算結(jié)果,對(duì)軸系逐步進(jìn)行對(duì)中,包括在建造過程中進(jìn)行一系列測(cè)量。軸系安裝過程分成兩個(gè)不同的階段:在船塢/船臺(tái)進(jìn)行或下水后進(jìn)行,因此,對(duì)中順序也分為兩步,即確定軸線和確定軸法蘭位置差及軸承負(fù)荷,如下所述:4.1對(duì)定位的測(cè)量和修正這種順序從后往前進(jìn)行,在參考線上設(shè)定初始光靶參考點(diǎn)為將來(lái)鏜排中線,也是參考線。參考線通過艉管,通過前后軸封軸徑中心處,同時(shí),往前到主機(jī)和齒輪箱位置。軸承偏移通過和參考線相對(duì)位置來(lái)測(cè)量,在整個(gè)照光過程要保持一致。當(dāng)艉轂鏜孔結(jié)束,要進(jìn)行第二次照光確認(rèn)中線。如果艉轂位置正確,裝艉管軸承到艉轂中,進(jìn)行最終的照光。如果出現(xiàn)偏差,可以通過對(duì)軸承內(nèi)徑和外徑偏移所需尺寸進(jìn)行加工來(lái)進(jìn)行修正。最終照光是檢查艉管軸承安裝,同時(shí)對(duì)前面的參考線上的主機(jī)和中間軸承位置定位。然后主機(jī)齒輪箱裝上調(diào)整螺栓,安裝中間軸(法蘭不要連接)。如果艉管后軸承斜孔,軸系對(duì)中設(shè)計(jì)經(jīng)常要求對(duì)后艉管軸承進(jìn)行偏移。通常是通過偏移鏜排,使軸承座傾斜或偏移加工軸承座?；蛘甙惭b傾斜的不中加工的艉管軸承,或使用環(huán)氧澆鑄使艉管偏心地裝在艉轂上。4.2污水后軸系的中心序列下水后軸系對(duì)中順序—確定軸法蘭位置差及軸承負(fù)荷4.2.1位置差的影響下水后,螺旋槳、艉軸都已裝好,這時(shí)開始安裝齒輪箱,總的來(lái)說(shuō),要嚴(yán)格遵循廠家指導(dǎo)。當(dāng)船下水后,通過測(cè)量?jī)上噜彿ㄌm軸向和徑向位置差,也就是曲折(GAP)和偏移(GAP)來(lái)定位,見圖2。在曲折和偏移調(diào)整結(jié)束,軸系連接在一起,軸承負(fù)荷通過千斤頂升試驗(yàn)進(jìn)行。當(dāng)軸法蘭螺栓連接在一起,軸承負(fù)荷已測(cè)量,且負(fù)荷在初步接受標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)時(shí),對(duì)中過程進(jìn)入一個(gè)新階段。如果測(cè)量的軸承負(fù)荷在設(shè)計(jì)范圍外,調(diào)整中間軸承或齒輪箱位置,在調(diào)整后,再次測(cè)量軸承負(fù)荷。當(dāng)測(cè)量的軸承負(fù)荷在接受標(biāo)準(zhǔn)內(nèi),齒輪箱調(diào)整結(jié)束并澆鑄塑料墊塊。4.2.2創(chuàng)建內(nèi)軸后部分軸系主機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的對(duì)中程序與齒輪箱相似。主機(jī)盡可能低的達(dá)到對(duì)中位置,用調(diào)整螺栓或液壓千斤頂支撐,主機(jī)通過橫向和垂直方向調(diào)整以達(dá)到對(duì)中偏移。最初在主機(jī)、中間軸,螺旋槳軸間進(jìn)行軸系對(duì)中,通過曲折(GAP)和偏移(GAP)方法進(jìn)行。由于曲軸相對(duì)齒輪箱外伸軸長(zhǎng)度增加,推進(jìn)軸系對(duì)中(螺旋槳和中間軸)僅實(shí)際影響主機(jī)曲軸后部分。根據(jù)實(shí)際情況發(fā)現(xiàn)外部推進(jìn)軸系對(duì)中將僅顯著影響后面三道主軸承負(fù)荷。主機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的軸系安裝要滿足以下三個(gè)總的對(duì)中標(biāo)準(zhǔn):后三道主軸承負(fù)荷在最大和最小范圍內(nèi);曲軸曲臂差在范圍內(nèi);曲軸輸出端法蘭剪切力和彎曲力矩在范圍內(nèi)。實(shí)際在建造中通常要求測(cè)量軸承負(fù)荷和曲軸曲臂差,需做千斤頂負(fù)荷試驗(yàn)的軸承包括:艉管前軸承;中間軸承;后三道主軸承。曲軸軸承負(fù)荷分配可進(jìn)一步通過曲臂差測(cè)量來(lái)檢查。該測(cè)量將指示是否有滿意的應(yīng)力分配,如果不對(duì)中,軸頸處會(huì)有高應(yīng)力。5安裝工藝5.1軸系中心軸系法測(cè)量是出現(xiàn)誤差的原因之一,主要表現(xiàn)為確定軸系中心線有拉線法,光學(xué)照光法,激光對(duì)中法三種方法。拉線法是確定軸系理論中心線最普通最簡(jiǎn)單的方法。這種方法是在工作區(qū)域的艏、艉兩端豎立兩個(gè)拉線架,其上有拉線工具,從而建立所需軸系中心線。但是由于鋼絲自重下垂造成測(cè)量誤差,且鋼絲在空間測(cè)量較困難,所以應(yīng)用范圍受到很大局限。光學(xué)照光法是解決拉線法精度不高的改進(jìn)工藝,依靠光在均勻介質(zhì)中直線傳播的原理確定點(diǎn)、線、面。激光對(duì)中法是以艏、艉兩端軸系理論基準(zhǔn)點(diǎn)為基準(zhǔn),精確定出軸系各臨時(shí)拉線架與理論基線的交點(diǎn),從而定出軸系理論中心線。目前常采用先拉線后激光對(duì)中法的方法,照光應(yīng)在機(jī)艙結(jié)構(gòu)到上甲板結(jié)構(gòu)完整后進(jìn)行。在對(duì)中測(cè)量時(shí)要特別考慮天氣影響。白天太陽(yáng)對(duì)左舷或右舷船體表面加熱,船體會(huì)有不相等的變形,這會(huì)顯著影響照光測(cè)量結(jié)果,特別是艉管。為避免這種情況發(fā)生,推薦在半夜和陰天進(jìn)行測(cè)量。5.2銑排近加工孔表面的加工在鏜艉轂前,結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)垂直方向直到上甲板,水平方向到機(jī)艙前艙壁要全部完成。鏜排要選用合適尺寸以阻止在鏜刀受力時(shí)變形,和水平重力導(dǎo)致的下垂。工具支撐要強(qiáng)壯并支撐鏜排靠近加工孔表面,這樣使工具變形和工具受力振動(dòng)減到最小。后軸承有時(shí)要斜孔以和外掛螺旋槳重量導(dǎo)致的螺旋槳軸斜度相配。軸承和靜態(tài)軸頸位置的不中度要求要求小于3x10-4角度(每米軸承長(zhǎng)度允許偏移0.30mm)。設(shè)計(jì)斜度通過使鏜排偏置加到艉管軸承座上。通常后軸承座前后端先粗加工,然后重置鏜排到設(shè)計(jì)的偏移和斜度進(jìn)行精加工。當(dāng)用百分表調(diào)整鏜排時(shí),后端同心,前端中心偏移。軸承座前后端面要?jiǎng)潊⒖紙A,這樣在加工過程中和精加工結(jié)束后可以檢查?；蛘?在鏜孔加工過程中通過同時(shí)偏移前后端獲得斜度或偏移。5.3安裝壓力式把艉管軸承安裝到軸承座有三種方法:(1)在常溫下壓力式安裝;(2)用干冰或液氮冷卻收縮式安裝;(3)澆鑄環(huán)氧樹脂安裝,見圖3。5.4千斤頂頂升法軸系軸承負(fù)荷的分配是關(guān)系到軸承使用壽命的關(guān)鍵,通常采用軸承負(fù)荷頂升試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量。它是利用軸的升高與頂升力之間線性關(guān)系,用千斤頂頂升法,記錄軸的升高與頂升力之間關(guān)系曲線求得頂升部位的負(fù)荷,將此負(fù)荷乘以修正系數(shù),即可得出被告測(cè)軸承實(shí)際負(fù)荷,見圖4。測(cè)量時(shí),千斤頂盡量靠近所測(cè)軸承,并且位于軸中心線正下方。軸承負(fù)荷可接受的公差范圍是±20%。初次軸承負(fù)荷往往與理論數(shù)值不一致,因?yàn)轸汗茌S承無(wú)法調(diào)整位置,這時(shí)調(diào)整主機(jī)、齒輪箱或中間軸承位置高低,使各軸系軸承在負(fù)荷范圍內(nèi)。5.5制作方法的確定在軸系對(duì)中安裝后,對(duì)主機(jī)、齒輪箱按法蘭曲折偏移法使機(jī)座定位并安裝固定?，F(xiàn)代造船要求使用建造方法即高效又節(jié)約成本,在這種要求下固定墊塊使用環(huán)氧樹脂墊塊比用鋼墊塊好。鋼墊塊安裝程序需要工人有熟練技巧同時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度大,所需人員多,耗時(shí)長(zhǎng),當(dāng)使用環(huán)氧樹脂時(shí)很簡(jiǎn)單并且節(jié)省時(shí)間。當(dāng)環(huán)氧樹脂固化,所有試驗(yàn)結(jié)果合格后,可安裝和鎖緊主機(jī)、齒輪箱地腳螺栓。6推進(jìn)功能測(cè)試軸系對(duì)中的最終認(rèn)可階段是在試航時(shí),軸系已全部安裝好,并有推進(jìn)功能。在試航中和試航后提交參數(shù)記錄。在一些試航特定階段,象滿負(fù)荷右舵,要特別注意對(duì)軸承溫度的監(jiān)控。6.1千斤頂負(fù)荷試驗(yàn)在通常情況下,靜態(tài)軸承負(fù)荷通過千斤頂負(fù)荷試驗(yàn)確認(rèn),試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)對(duì)中要求相比較。軸承負(fù)荷在多種船舶狀態(tài)下進(jìn)行確認(rèn),以使系統(tǒng)在以下情況有效:機(jī)器熱膨脹(主機(jī)機(jī)座或齒輪箱結(jié)構(gòu));由于吃水和壓載變化使船體變形。為獲得這種確認(rèn),要在軸系安裝好后和試航時(shí)不同的狀態(tài)進(jìn)行千斤頂負(fù)荷試驗(yàn)。最初的測(cè)量將在主機(jī)冷態(tài)(在機(jī)艙常溫狀態(tài)),船靠在碼頭,處于軸系安裝的最終階段。當(dāng)船舶試航時(shí),主機(jī)或齒輪箱機(jī)座區(qū)域溫度達(dá)到40℃,在試航中或試航后進(jìn)行熱態(tài)測(cè)量。由于軸系