某实船轴系负荷校中分析

侯淑芳 葛志祥

（南通航运职业技术学院，江苏南通 226010）

船舶轴系是连接主柴油机和螺旋桨的传动部分，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，实现船舶航行。轴系的作用重大，将轴系校中至可接受的标准，才能让主动力系统正常运行，才能让船舶安全航行，否则，容易产生轴承故障等问题，因此轴系校中是一项艰难的任务。

1 轴系介绍

某实体船的轴系由一段中间轴、螺旋桨轴和螺旋桨组成，分别由中间轴承和艉管轴承支撑。艉轴管首尾密封都采用油密封。中间轴为整体锻造合金钢，轴两端自带法兰；螺旋桨轴与中间轴承由联轴节连接，由优质碳钢锻造而成，与螺旋桨采用油压无键套合连接。具体组成和尺寸如图1。

图1 该船轴系的组成和尺寸

2 轴系负荷校中

2.1 校中计算

在轴系详细设计阶段，根据船舶所有装载和冷热情况下进行轴系的校中计算。通过校中计算，应确保各轴承的最小负荷不低于该轴承支撑的轴重的20%，各轴承的最大负荷不超过其允许极限值；轴系具有合理的轴弯曲应力和轴承反力，并且受船体变形或轴承高度的影响降到最低。

在进行轴系对中计算时，首先要建立轴系模型，然后进行受力分析，得到轴截面的弯矩或弯曲应力、剪力、两轴间连接法兰的偏移和曲折值、轴承负荷和轴承负荷影响系数等。

2.2 轴系安装

通常，由于船体变形等因素的影响，按直线校中是不合理的，轴系无法保证无弯曲的运转，以前采用直线校中的轴系出现了严重的问题如主机轴承损伤等。从上世纪后期开始，各个国家都致力于轴系校中研究，考虑机舱双层底的变形，重点检查轴承受力情况，重心逐步向关注轴承负荷转移。为了保证轴承负荷在正常范围内，将轴承上的允许负荷换算成连接法兰上的偏移、曲折允许值，从而可用调整法兰上允许偏移、曲折值来限制轴承上的负荷，实现按轴承上允许负荷校中轴系。

根据轴系校中计算的结果，采用连接法兰的偏移值和曲折值方法来校中轴系，对轴系进行安装调整，从而保证轴承负荷在允许的范围之内。相邻轴两连接法兰的轴心线不同轴但平行的现象称为偏移，偏移的数值称偏移值，用SAG 表示；相邻轴两连接法兰的轴心线相交的现象称为曲折，相交角度的大小称为曲折值，用GAP 表示。大量的实践证明，连接法兰的允许偏移值和曲折值不是越小越好，目前都有将允许值适当放宽的趋势。安装顺序是从船尾向船首逐根定位，先定位螺旋桨轴（螺旋桨轴），以螺旋桨轴前法兰为基准，再定位中间轴，最后对主机。

轴系安装过程中，螺旋桨轴和中间轴，首先彼此分开，然后将螺旋桨轴放置在支撑上，并调整其高度，之后放中间轴，根据需要设置临时支撑，如图2所示，以螺旋桨轴法兰作为调整依据，调整每一个支撑包括临时支撑和中间轴承的位置高度，以保证螺旋桨轴和中间轴连接法兰达到的预先计算出的偏移值和曲折值范围，如图3所示。放置好中间轴之后，以中间轴的前端法兰来定位主机。安装的时候，在螺旋桨轴的前法兰端还需千斤顶提供一定的外力，来进行固定，再合理地分析处理连接法兰的偏移和曲折，如图4所示。

图2 临时支撑的设置

图3 基于偏移和曲折的轴系校中

安装过程中，采用塞尺来测量连接法兰上的曲折值（如图5所示），采用千分尺或直尺-塞尺来测量偏移值（如图6所示），测量时取垂直面和水平面，即上、下、左、右4个位置，如图7所示。

图4 千斤顶外加负载

图5 采用塞尺测法兰的曲折值

图6 采用千分尺来测法兰的偏移值

图7 偏移值和曲折值的测量方法

偏移值测量时，用测深千分尺在法兰的外圆面的上、下、左、右4 个位置上测量，分别用Z上、Z下、Z左、Z右4个数值来表示。

在垂直平面内相邻轴连接法兰上的偏移值SAG⊥为：

SAG⊥=（Z上+Z下）／2

在水平平面内相邻轴连接法兰上的偏移值SAG＿为：

SAG＿=（Z左+Z右）／2

曲折值测量时，用塞尺分别在相邻轴连接法兰的上、下、左、右4个位置测量两法兰端面之间的间隙，分别用Y上、Y下、Y左、Y右4 个数值来表示。

在垂直平面内相邻轴连接法兰的曲折值GAP⊥为

GAP⊥=（Y上-Y下）／D mm／m

在水平平面内相邻轴连接法兰的曲折值GAP＿为

GAP＿=（Y左-Y右）／D mm／m

式中，D——法兰直径，mm。

测量时记录并计算相关数据，该船轴系连接法兰的偏移值和曲折值如表1所示。

表1 该船轴系连接法兰的偏移值和曲折值（单位：mm）

2.3 轴承负荷曲线的分析

在顶举法测量轴承负荷时，采用的测量设备为液压千斤顶和百分表，由带压力表的油泵提供压力油。首先在待测轴承就近的轴下位置安装放置千斤顶的支座，轴上对应点安放百分表，保证千斤顶的顶举点和百分表量杆的触点在同一轴颈界面上的最低点和最高点位置。测量时，用千斤顶将轴慢慢顶起，直到轴与轴承完全脱开，此时轴承上部间隙几乎为零，可隔10-50bar的压力测取一次读数，记录相应的压力值和顶起距离，注意压力值不是预定压力而是压力表的实际读数。之后，千斤顶慢慢卸油，使该轴缓慢下降，同样做记录。在读数据时，一定要注意，必须在油泵压力稳定时，以及百分表数据稳定时，再读数值。

用顶举法分别测量艉管前轴承和中间轴承负荷时，分别得到了如图8和图9所示的曲线。

2.3.1 尾管前轴承的顶升曲线及分析

图8表明，其上升曲线和下降曲线由于千斤顶、百分表和轴的内阻，并不重合，而是下降曲线滞后于上升曲线。并且，理论上，轴与轴承脱离后，继续上升和下降应为直线段，反应千斤顶处的轴位移和其负荷呈线性关系，但是实际过程中，由于液压千斤顶阻力和液压油存在内部漏泄等的影响，直线段部分呈波动状态。

根据轴承的间隙顶举时不能超过1mm，通常取大于0.20mm为数据分析段。0.20mm 以内，由于轴与轴承的实际接触点不断变化，使得千斤顶与轴承支点间的距离一直变化，对轴承负荷具有很大影响，可不进行分析。

尾管前轴承实际负荷Rs=A×k×（Ra+Rb） ／2 = 54.24 cm2× 1.00 ×（78bar+94bar）／2 =4664.64 ×1／100 =46.65KN，小于其最大的允许负荷值54KN，符合负荷要求。

式中A—液压千斤顶活塞面积cm2；k—修正系数1.00；Ra—顶起负荷bar；Rb—顶降负荷bar Rs—尾管前轴承实际负荷KN。

图8 艉管前轴承顶举曲线

2.3.2 中间轴承的顶升曲线及分析

图9的分析数据同样取大于0.20mm 的数据段，依上述公式Ri=A×k×（Ra+Rb）／2=50.24 cm2×1.000×（110bar+154bar）=6631.68×1／100=66.32（KN），符合其58±12KN的要求。

图9 中间轴承顶举曲线

3 结 语

随着船舶大型化和高输出功率的发展，轴系校中过程中稍有差池都会导致各种风险，因此轴系对中是一项非常关键的程序，要严格的按照轴系计算书，进行安装、测量、调整，是不断的预对中-测量-调整-测量，要确保轴系的校中质量，确保在船舶全负荷状态下，船体变形等因素引起的轴承反力不超出允许范围，提高主动力装置的运行可靠性。

1 Class NK.Guidelines on shafting alignment.2006.06.

2 V.M.Kozousek，P.G.Davies.Lloyd’s Register.Analysis and survey procedures of propulsion systems：shaft alignment.2000.

3 CCS.钢制海船入籍规范，2006.

4 张金香.船舶轴系安装与校中［J］.机电技术，2005.

5 满一新.船机维修技术［M］.大连海事大学出版社，1999.