快艇轴系设计的几个问题

王艳琼

（武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉430063）

越来越多的快艇因体积小、速度快、机动性强而被广泛应用于公务（公安、海关、港监等）、军事（海军）、旅游、休闲和短距离交通。目前，这类快艇需求量大，建造速度快，尤其在南方沿海地区，快艇制造业发展很快。快艇通常采用高速柴油机作动力，螺旋桨轴的转速达1 200r／min或更高。由于其主动力装置的转速高，振动也相对较大，所以，快艇轴系设计的可靠性和安全性尤显突出。

1 快艇螺旋桨轴及螺旋桨直径

快艇螺旋桨轴及螺旋桨直径应根据快艇的用途和航行条件，确定其螺旋桨轴直径。式 （1）为快艇螺旋桨轴轴径的基本计算公式。

式中：D——螺旋桨轴轴径，mm；

P——主机功率，kW；

Cd——设计系数，见表1；

ne——螺旋桨轴转速，r／min；

St——螺旋桨轴材料的扭转剪切屈服强度。

对铜基合金材料，其扭转剪切屈服强度为其抗拉屈服强度（屈服点为产生0.5%永久变形的应力）的；对镍和钢合金材料，其扭转剪切屈服强度为其抗拉屈服强度（屈服点为产生0.2%永久变形的应力）的。

表1 不同类别快艇桨轴设计系数

计算出螺旋桨轴轴径后，可对应地估算出螺旋桨直径D。一般螺旋桨直径与螺旋桨轴直径d之比不应超过15∶1［1］，对高性能快艇，如赛艇，一般该比值取12∶1，即：D＝12d。

2 快艇螺旋桨轴轴承间距

螺旋桨轴轴承间距是指支撑螺旋桨轴的轴承中心点之间的距离，可按下式计算：

式中：L——最大轴承间距，mm；

D——螺旋桨轴轴径，mm；

ne——螺旋桨轴转速，r／min；

E——螺旋桨轴材料的弹性模数，MPa；

W1——螺旋桨轴材料密度，g／cm3。

图1 轴承间距-曲线

在不影响轴系校中的情况下，最小轴承间距应大于20倍的螺旋桨轴直径。

3 快艇螺旋桨轴的轴承材料

由于快艇螺旋桨和螺旋桨轴的重量相对较轻，轴承上的负荷比较小，因此，从负荷上考虑，所有轴承材料均能满足要求。但从振动、环保等角度考虑，世界各国的快艇多采用水润滑的橡胶轴承，其优点是［2］：

1）吸振性能好。与其它材料（如塑料、铁梨木等）相比，振动可减少50%；

2）不污染水域。橡胶轴承只能用水润滑，对水域不会造成污染；

3）摩擦系数小。在水润滑的条件下，橡胶轴承的摩擦系数大约为0.01左右；

4）抗泥沙磨损。橡胶轴承是目前唯一的一种抗泥沙磨损材料；

5）在高速工况下，工作性能好。橡胶轴承在20m／s的线速度下也能安全地工作。

快艇使用的水润滑橡胶轴承见图2，其标准列于表2中。

图2 橡胶轴承

表2 常用水润滑橡胶轴承技术标准

4 推荐尾管密封装置

快艇用水润滑轴承的密封装置，主要应考虑由振动所带来的轴向窜动和径向跳动。一般，轴向窜动量和径向跳动量分别可达5mm和±3mm。当采用端面密封装置时，径向跳动是可以满足的，但轴向窜动量并非所有密封装置都能满足。选择密封装置的原则是：如果螺旋桨轴的轴向窜动被推力轴承所制约，则5mm是足够补偿；如果螺旋桨轴的轴向窜动没有被推力轴承所限制，如采用ZF15MIV减速箱所组成的主动力系统，就应该用ZF公司的专用密封装置。

图3 STB-A型水润滑尾管密封装置

STB-A型密封装置不磨损螺旋桨轴及轴套，密封环（一个备用）的特殊结构能形成动压润滑，可有效补偿轴向窜动。此外，该装置含有一个应急充气密封圈，可在水上进行检修。经实船证明，该装置密封效果好，工作可靠，寿命长。

STB-B型密封装置结构简单，摩擦静环采用耐磨材料制成，因而可以在多泥沙水域工作；由于

图4 STB-B型水润滑尾管密封装置

推荐两种快艇用端面密封装置见图3、4，供参考使用。波纹管的弹性，可以很好地补偿轴向窜动。目前，这类密封装置在快艇中使用较为广泛。

［1］中国船级社.钢质海船入级规范［S］.北京：人民交通出版社，2006.

［2］张乐天.民用船舶动力装置［M］.北京：人民交通出版社，1980.