某型40,m铝合金双体高速船轴系设计
李经伟 陈笑生 詹锡波
摘 要：本文介绍了某型40m铝合金双体高速船的螺旋桨轴系设计，根据该型船的使用条件和要求，对轴系设计的有关问题及技术要求进行研究。
关键词：铝合金双体高速船; 螺旋桨轴; 轴系设计
中图分类号：U664.2 文献标识码：A
Shafting Design of 40 m High-speed
Aluminum Catamaran Ferry
LI Jingwei， CHEN Xiaosheng ， ZHAN Xibo
（ Afai Southern Shipyard （Panyu Guangzhou） Ltd.， Guangzhou 511431 ）
Abstract：
This paper introduces the design of propeller shafting of a typical 40m high-speed aluminum catamaran ferry， and studies the problems and technical requirements in the shafting design based on the actual conditions and requirements of this type of vessel.
Key words：
High-speed aluminum catamaran; Propeller shafting; Shafting design
1 前言
某型40 m铝合金双体高速船是英辉南方造船（广州番禺）有限公司为多个客户设计建造的高速船，该船型的主推进方式有两种：喷水泵推进和螺旋桨推进。对于螺旋桨推进来说，轴系的作用是将主机发出的功率传递给螺旋桨，螺旋桨旋转产生推力，从而推动船舶前进或后退。轴系是船舶动力装置的重要组成部分，直接影响船舶的推进特性和正常航行。本文介绍该型高速船的轴系设计原则、轴系布置及轴系振动的计算分析。
2 轴系设计原则
该型40 m铝合金双体高速船采用螺旋桨推进，其轴系由传动轴、轴承、尾轴管密封装置以及其他附件等组成。轴系设计一般是从轴系布置开始，首先要对总体布置中的相关要素，如主机和螺旋桨的位置、船体尾部线型与结构有充分的了解，初步选定轴线角度、轴承数量、轴承间距及其润滑冷却方式等;其次要根据船舶建造规格书、船东的要求、船舶使用条件等，综合考虑选择轴承材质、轴承润滑方式以及尾轴密封装置的型式等;最后进行轴系强度计算，绘制轴系布置图、轴系总装图以及进行回旋振动验算，完成轴系设计工作。轴系的设计和制造应保证各部件有足够的强度，并且在正常速度范围内轴系不会发生有害的振动，满足船级社及实际使用要求。
轴系设计应考虑轴系工作的可靠性、维护性以及使用的寿命。对于船厂来说，轴系设计还应从实际施工角度出发，考虑到轴系各部件是否有利于采购、加工、制造及安装。在满足轴系正常工作需要的基础上，力求简化，使制造、安装方便，并便于日常的维护保养。
3 轴系布置及其组成
3.1 轴系的布置
该型船推进系统布置形式是双机双桨布置，每个片体布置一台高速柴油机，通过高弹联轴节与减速齿轮箱连接，减速齿轮箱的输出法兰与螺旋桨轴通过联轴节连接;螺旋桨轴上安装有尾轴密封装置和前、后轴承，后轴承一般安裝在尾轴支架内，螺旋桨轴末端安装螺旋桨及导流螺帽。
3.2 轴系的组成
（1）螺旋桨轴
螺旋桨轴的设计首先要考虑轴的材质选择，考虑材料的抗拉强度、耐海水腐蚀性能、成本、采购、船东要求等各个方面。该型船采用海水润滑的轴承，既要考虑螺旋桨轴的强度，又要考虑轴的耐海水腐蚀性，因此选用抗拉强度较高、耐海水腐蚀的双相不锈钢材料作为螺旋桨轴的材料。双相不锈钢的力学性能，见表1所示。
采用双相不锈钢可以取较小的螺旋桨轴直径，并可以选用较小尺寸的尾轴密封装置、轴承、尾轴管、联轴节等部件。这不仅可以节约成本，减轻轴系的重量，而且整个轴系所占用的空间减少。需要注意的是，轴材料为不锈钢时，按照《海上高速船入级规范》的要求，轴的直径可取规范计算值的 0.9 倍，这更加有利于减小轴系的直径。但螺旋桨轴的轴径实际取值要比规范计算值大，应有一定余量;同时实际取值还要考虑尾轴密封装置的选档。
螺旋桨轴的两端，需要以锥面分别与螺旋桨及联轴节联接：锥体末端设有尾螺纹，可以用螺母将螺旋桨和联轴节紧固联接在螺旋桨轴上;为了延长轴的使用寿命，通常将螺旋桨轴接螺旋桨的一端和接联轴节的一端设计成一样的形状，这样轴承部位磨损后可以将轴再加工后掉头使用;还有一种方法是将轴承处轴径增大5 mm，这样轴承部位磨损后可以再加工轴承部位并现配赛龙轴承，达到延长轴使用寿命的目的，见图1所示
（2）轴承
通常螺旋桨轴系的尾管轴承是采用滑动轴承，其润滑方式分为水润滑和油润滑两种方式：油润滑方式一般用于水质较差的水域，这些水域的水质不适合为轴承润滑;但在一些水质较好的水域，水润滑系统比油润滑系统更为简单。随着水润滑轴承材料以及轴耐蚀、防蚀技术的不断发展，水润滑方式的应用也越来越广泛。尤其是像赛龙轴承这些合成材料的轴承，其受力情况、耐磨性能、良好的弹性及抗冲击性都优于白合金等轴承。
该型船选用赛龙轴承、研龙轴承等材质的水润滑非金属轴承，其具有出色的抗磨损性，弹性和坚韧性也很好，并能承受高压和冲击载荷，不会永久变形，能更好的保护尾轴。
赛龙轴承一般采用过盈配合和黏合安装两种安装方式，该型船采用过盈配合的方式，将轴承安装在轴承座内。当采用过盈压入安装时，必须考虑有足够的过盈量，使得轴承即使在最低运转时也不至于松脱;赛龙轴承的间隙，应考虑过盈引起的轴承内径收缩，同时也要考虑运行间隙以及水胀和热胀的间隙余量等。
轴系轴承的位置、轴承的间距关系到各轴承的负荷分配是否合理，也影响到轴系的振动情况。该型船的轴系设置前后两个轴承，其中尾轴承安装在靠近螺旋桨的尾轴支架内，前轴承安装在与尾轴密封连接的轴承座内。
对于尾轴承间距的要求：一般轴径小于300 mm的尾轴，轴承间距在16～40倍轴径范围较为合理;而一些主机对于第一轴承与齿轮箱输出法兰之间的距离也有要求，如VOLVO的D5-D16型号的主机要求轴系联轴器和第一个轴承之间的距离，最小必须为10-14倍的轴直径，以防止发动机振动时对轴系产生过大的应力，见图2所示。
国外有些国家及主机品牌甚至规定，如果轴系联轴器和第一个轴承之间的距离小于12倍的轴径，则轴系与齿轮箱输出法兰的联轴器应为弹性联轴器。对于高速船来说，采用不锈钢轴及尾轴支架的形式时，前轴承的位置会受尾部型线的限制，轴承间距有可能不能满足这些规定。所以轴承的布置需要通过回旋振动计算来验算。
（3）尾轴密封装置
该型船的尾轴密封型式采用水润滑尾轴密封装置，以防止海水进入船内。水润滑尾轴密封装置，可以采用弹性软管连接的型式，以减小密封装置的运转部件将振动传递到船体上，具有很好的减振作用;尾轴密封装置一般可以设有气囊，以便尾轴密封需要检修时向气囊中充气，阻止海水进入密封装置内，见图3所示。
当然，如果条件不允许的话水润滑尾轴密封装置也可以不采用弹性安装的形式，如图4所示的端面尾轴密封装置。
4 轴系振动计算分析
高速船的轴系振动计算，包括扭转振动和回旋振动两部分：
（1）扭转振动计算
扭振是柴油机常见的振动形式，严重的扭振会引起轴系连接螺栓断裂及主机工作不正常等现象，所以船级社都要求提供扭转振动计算进行认可。
扭振计算书需要核对轴系振动的振幅或应力或扭矩是否超过船级社规定的持续运转的许用值，或者整个主推进系统，包括主机、高弹联轴节、减速齿轮箱、轴系、螺旋桨等各个组成部分是否有明显不合理的振动情况。如果出现异常情况，则需要采取措施消除这些隐患，如改变高弹联轴节、改变主机怠速设定值等方法。
（2）回旋振动计算
回旋振动计算要验证轴承数量、间距、轴系布置是否会引起轴承过大振幅的回旋振动。如果计算结果显示常用转速范围内有过大振幅的回旋振动，则应根据不同情况修改轴系布置或设置转速禁区来减小振动。通常采用CCS开發的COMPASS-RULES计算软件对轴系回旋振动进行校核计算，其计算模型见图5所示。
如果计算结果不满足规范规定的衡准范围，则需要重新对轴系进行设计，直到能满足要求为止。
5 结语
本文介绍了某型40 m铝合金双体高速船螺旋桨轴系的设计要点，着重讲述了在设计过程中应综合考虑该船型的实际条件，对轴系进行优化设计。本文可给同类船型的轴系设计提供参考。
参考文献
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