船舶轴系和舵系安装过程受力分析与安全控制

船舶轴系和舵系安装过程受力分析与安全控制

韩启生   ,楼洪亮,  ,俞华

江南造船(集团)有限责任公司

摘要：轴、舵系安装是船舶工业设计和制造的重要组成部分,直接关系到整个船舶设计和建造的质量和效果。定位是轴安装中不可缺少的一部分,影响轴安装的效果。因此,有必要加强对轴、舵系安装设计工作的研究,明确轴、舵系的安装要求、安装方法和安装点,以保证轴、舵系安装的准确性和质量,提高船舶机械设备制造的整体水平。基于此，本文章对船舶轴系和舵系安装过程受力分析与安全控制进行探讨，以供参考。

关键词：船舶轴系；舵系；安装过程；受力分析；安全控制

引言

船舶轴、舵在设计和建造过程中，其安装状态直接影响船舶的安全和可靠性，而在安装前，需要经过机械的精加工处理和检验，因此需要进行强有力的精度控制。船舶轴系的基本任务是将主机的功率传给螺旋桨，同时又将螺旋桨旋转产生的轴向推力传给船体，以推动船舶运动。船舶舵系的基本任务是将舵机的扭矩传给舵叶，同时又将舵叶摆动产生的水流偏移推力传给船体，以推动船舶转向。

一、船舶轴系设计研究概述

船舶轴系装置是船舶动力中的主要组成部分。轴系的工作优劣，将直接影响船舶的推进特性和正常航行，并对船舶主机的正常运转有着直接的影响。所以，轴系的设计、加工制造、安装及调试均需有较严格的技术要求，并且应符合有关船舶技术标准和船舶规范。

为满足现代船舶的要求，保证轴系能在各种航行工况和恶劣环境下可靠工作，轴系应具有：1）足够的小、强度和刚度，对船体变形适应性强； 2）传动损失；3）工作中避免发生横向、纵向和扭转的共振； 4）良好的密封、润滑和冷却；管理维护方便。

由于船的任务和要求不同，使得船体型线和动力装置型式不同，轴系所包括的具体组成部件也不完全一样。一般情况下，从主机曲轴法兰起，到螺旋桨止，主要包括：弹性联轴节、减速齿轮箱、推力轴、推力轴承、中间轴、中间轴承、联轴节、艉轴和艉轴管等，另外还有离合器和隔舱填料函等总称为轴系（参见图1示意图）。

图1船舶主推进系统--轴系示意图

1-导流罩 2-液压螺母 3-螺旋桨 4防渔网割刀 5-防渔网环 6-防护罩 7-艉管后密封 8-艉管9-螺旋桨轴

10-艉管前密封 11-液压联轴节 12-液压紧配螺栓 13-中间轴承 14-中间轴 15-液压紧配螺栓

二、船舶舵系设计研究概述

船舶舵系装置是船舶航向中的主要组成部分。舵系的工作优劣，将直接影响船舶的推进特性和正常航行，并对船舶航线的正常运营有着直接的影响。

舵作为附体，产生阻力，当船舶操纵舵机回转时，舵产生回转阻尼力矩。船舶操纵性是船舶保持或者改变航向的能力，在小舵角下的航向保持性；中等舵角的航向改变性；大舵角的船舶回转性；这就是舵的作用。

图2舵系系统结构--示意图

舵系设备由舵装置和操舵装置两大部分组成（如图2）。舵装置是指舵叶、及其支撑、限位部件。操舵装置包括操舵系统、舵机、转舵装置和反馈系统、自动舵。

舵系设计的步骤：1、确定面积、舵的外形和剖面形状；2、求出作用在舵叶上的水动力和力矩；3、校核舵装置的强度，确定舵装置各部件的尺度；4、确定舵机功率，选择合适的舵机。在舵设计时满足船舶对操纵性的要求（前提）下，应考虑的因素包括：质量轻，功率小，工作稳定，便于制作和维修并减少产生的不利影响。

三、船舶轴系和舵系安装过程受力分析与安全控制

（一）轴系布置及受力分析

1.1轴系的布置及设计条件

根据船舶类型、用途、吨位、航速；再按船舶主机的功率、转速的输出，确定轴系的配置，再以轴的长度来决定中间轴承的位置、数量和间距等，绘制轴系布置图；根据规范计算确定螺旋桨轴、中间轴的基本轴径，确定其冷却方式后，进行轴系的强度校核。船舶轴系必需进行扭振计算，且轴径大于250mm时需要合理的校中计算。

1.2轴系的工作条件

轴系工作的区域比较复杂，一部分在水线以下，有一部分伸出船体外壳，长期带着螺旋桨浸泡在水中，在运转中产生的负荷和应力十分复杂，螺旋桨在水中旋转的扭应力，推进中的正倒车产生的拉、压应力；还有轴系自重产生的弯曲应力，轴系安装误差、船体变形、轴系振动以及螺旋桨的水动力等产生的附加应力；

1.3中间轴承布置及定位的要求

轴系中间轴承的布置间距大小，对轴的弯曲变形、柔性和应力均有影响，未减少负荷，安装时对轴承的间距应有所限制。

中间轴承最小间距：Lmin=24.9d2/3(cm)

式中：d—轴径，cm

轴承的安装位置，一般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，并尽量可能使轴承中心到二连接法兰中心线的距离等于0.2L(L为中间轴长度)

1.4轴系负荷的测量

船舶轴承载荷测量被认为是检查轴安装的主要手段之一，其关键在于载荷测量是否真正反映轴安装状态。船舶轴系校中校核，是对船舶轴系负荷进行实际测量，依据船级社规范进行检验并验证轴系计算书。

迄今为止，国内船舶装配中常用的负荷测量方法包括:第一，精确读取压力表，以及在手动泵操作过程中难以精确控制测量点；第二，实地工作环境复杂，人为的读数错误更加频繁，往往需要采取多种措施；第三，手动绘制线的方法可能会产生负荷差异，数据处理过程相对复杂。因此，有必要明智地改进现有测量方法，以便有效地提高载荷测量的准确性和便利性。

根据千斤顶升压和降压过程中记录的油压和位移作顶举曲线，延长顶举曲线的升压与降压曲线的直线段交横坐标轴于 Pu 与 Pd。

轴承负荷测量计算公式

R——被测轴承的负荷

Pd——降压曲线的直线段延线与横轴的交点（油压）KN/mm2

Pu——升压曲线的直线段延线与横轴的交点（油压）KN/mm2

C ——被测轴承的负荷修正系数（轴系计算数据）

A ——油压千斤顶柱塞面积 mm 2（液压千斤顶上数据）

图3轴承负荷测量示意图和顶升曲线

1.5轴套的结构：

轴套是套在艉轴轴颈上的金属圆筒，主要用来防止轴颈的擦伤和腐蚀。轴套经常制成一个整体，但当轴套过长时，由于加工制造困难可采用分段结构，对其接缝处用电焊填充，焊条的材料应与轴套的材料基本相同，完成焊接后应做油压试验。为防止腐蚀，轴颈、轴套的两端应有良好的水密性。轴套与玻璃钢包覆层的连接，应将轴套外圆面车成倒向锯齿形，使得二者黏结更加紧密。轴套一般采用热套法装配于轴上，并且轴套和轴颈之间留有适当的过盈量。由于轴套装配于轴上后其应力的分布是不均匀的，在其两端的应力会急剧的增大，这样会严重影响轴的强度。因此一般在轴套两端部开有减压槽，以降低该处的应力集中现象。

1.6轴的防腐和防机械损伤：

螺旋桨和轴套一般都是用青铜材料制成，而艉轴材料一般由碳钢制成，这两者在海水中就形成一对电极，存在一定的电位差，这会使艉轴遭到强烈的电化学腐蚀。另外，海水对轴也会发生直接的腐蚀作用，导致轴的疲劳破坏。为防止艉轴遭到这种破坏，必须采取可靠的防腐和防机械损坏的措施。轴的防腐措施，一般采用“阴极保护法”和与海水隔离的措施。前者是把锌快焊到被腐蚀的构件上或用螺栓紧固，后者是在轴上包覆一层玻璃钢或者环氧树脂，以达到隔离海水的目的。

（二）艉管压力试验

艉管压力测试包括小管道密度测试，而窄管道内密度测试则必须严格根据设计压力和测试压力进行测试，这些测试通常控制管道密度测试前的安全风险。[2]请注意，制造商的原始设计程序是使用螺栓联接装配的，因为管道横截面很大，测试压力可能会稍微超出理论值，导致螺栓连接时，螺栓产生较大的抗拉应力，并且当螺栓连接超过螺栓连接滑动极限时，螺栓会断裂，某些制造商在设计阶段不会检查螺栓连接强度，有些工程师没有实际经验，也不确定适合测试的压力准则。这些因素会导致螺栓断裂，并可能导致船厂发生安全事故，因此需要进行强度测试。

（三）前后艉轴架和艉轴管外形尺寸余量控制

确定液压润滑轴承在轴前、后和后轴的中心位置后，对前、后和后轴进行钻孔，以确保轴的中心孔和管的大小在控制范围内，毛坯轴的前、后和后尺寸应比正常尺寸大约5mm，并且内孔的尺寸应为15mm，内孔的尺寸应大于10mm，这样可以增加端面的钻削和钻削工作负荷，但如果在放置过程中显示得太差(由阻力引起)，则可确保在放置时显示前轴、后轴和后轴。

（四）船舶推进轴系振动的不确定性

传统的船舶推进轴系振动分析属于确定性振动分析，但在轴系的实际工作环境中，受到的很多外部激励是动态、多变的，具有很强的不确定性。若基于不充分的激励样本对轴系确定性振动进行分析，可能会导致计算得到的可靠度偏低，使设计偏于保守，无法保证轴系承受使用期内可能出现的复杂多变的载荷激励，使得轴系的安全性、适用性、耐久性不足。[3]目前，关于轴系在时变不确定激励下的振动研究较少，有的主要还是基于大量激励样本的概率模型来研究的，具体做法是：对不确定性激励进行时间统计量化处理，再将结果转化为功率谱密度函数，以此来分析振动特性（随机振动）。但基于概率模型的随机振动方法往往难以获得充足的不确定性激励样本和不确定性激励的精确概率分布，导致分析结果不准确。

（五）舵系布置及受力分析

5.1舵系的工作条件

舵位于船体和螺旋桨的后方，受到船体半流和螺旋桨尾流的影响，舵的存在及舵角变化也影响船体及浆的受力情况。船体、浆、舵是相互影响、关系密切的有机整体。把舵布置于浆的尾流内，不仅可吸收旋转尾流的能量，还可填充根涡区，减少涡能损失，从而提高了推进效率，因此，从快速性角度有时把舵和浆合在一起作为推进系统的一部分。

5.2舵系的受力分析

舵力F受舵杆扭矩T，舵杆弯矩Mb和舵销对舵叶的支撑力的影响；

5.2.1舵力F=132K1K2K3Aυ2d

式中：A—舵叶面积，m2

K1—影响系数

K2--舵叶剖面形状系数

K3—舵叶位置系数

νd—设计航速，kn       νd=V        正车，当V＞10 kn时

νd=(V+20)/3  正车，当V＜10 kn时

倒车时，应为最大倒车速度，但取值应不小于0.5V，

5.2.2舵杆扭矩：

正车和倒车时，舵杆扭矩T均按下式计算T=FR(N.m)   R—舵叶力臂；

5.2.3舵杆

为了保护舵杆避免海水的腐蚀，应对舵杆采取适当的保护措施，如密封装置，在舵杆表面涂刷专用涂料，加保护衬套等；CCS《海船规范》对舵杆各部分结构尺寸有相关规定：mm。

（六）计量工具和环境温度的控制

为了确保在每个施工单位中测量轴和舵相关尺寸的匹配，必须测量仪表和每个施工单位共享相同的标准标尺；第二，船体后部段的位置、船底的控制、轴底座的位置、轴承底座的位置和轴承的液压润滑位置应保持一致，以确保在测量时周围温度基本一致，这在昼夜温差较大(直射日光与背景之间的温差越大)时尤其重要。

结束语

本文对关键阶段的轴、舵受力进行了分析，并提出了相应的校核程序，研究表明:优化制造工艺，重点分析和校核关键受力，加强施工组织和控制，可有效提高现场轴、舵的施工安全性。

参考文献

[1]苏新,孙有君,陈红梅,刘清江.智能船舶设备通用安装工艺[J].造船技术,2020(06):47-49.

[2]周宏俊.船舶轮机设备安装及调试过程中的挑战与对策[J].船舶物资与市场,2020(11):47-48.

[3]王坚.小型船舶机械轴系安装定位孔装置设计研究[J].中小企业管理与科技(上旬刊),2020(11):164-165.

[4]施进生.判别船舶电气系统安装调试中危险源的探究[J].内燃机与配件,2020(13):74-75.

[5]王鹏宇.基于激光扫描仪的船舶推进轴系定位技术研究[D].华中科技大学,2020.

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[7]任泓吉.船舶轴系安装参数对回旋振动的影响研究[D].武汉理工大学,2020.

[8]李均,祝彦兵,陈博.船舶无余量长轴系安装技术[J].机电设备,2020,37(01):1-4.