某散货船轴系安装工艺研究

(中国船级社 武汉分社，武汉 430022)

轴系安装是通过调整轴系各轴之间的相互位置，使各轴承负荷在合理范围内，轴系安装研究主要是以轴承负荷、转矩为主，以提高安装精度与效率[1-2]，对于轴承形式研究主要集中在对斜镗孔形式的研究上[3]。本文从某船厂建造的载重量为57 000 t散货船安装工艺入手，研究轴系在艉管内的布置，通过分析研究艉轴承布置形式对整个轴系安装的影响，探究无首轴承艉管轴系安装要点，以推动该类轴系安装工作的顺利开展。

载重量57 000 t散货船由上海船舶设计院设计。该船为国际航行散货船，主机为6S50MC船用低速柴油机，推进系统通过主机、中间轴、艉轴至固定矩螺旋桨产生推力，中间轴直径420 mm、艉轴直径500 mm，轴系靠艉管艉轴承及中间轴承支撑。艉管为整体式现场环氧浇注安装，艉管及艉轴承在设备厂家加工安装完毕，无首轴承，整个轴系采用滑油润滑，见图1。

1 轴系安装

轴系安装是按一定要求和校中方法，将轴系敷设成某种状态，处于这种状态下的轴系，其全部轴承上的负荷及各轴段内的应力都处在允许范围之内，或具有最佳的数值，从而保证轴系持续正常地运转。

常用轴系校中方式主要有：直线校中、轴承负荷校中及轴系合理校中。

采取合理校中方法，调整过程主要分3个阶段进行。①基准轴线的确定，艉管安装及下水前艉轴的固定；②轴系中各轴的定位问题，各轴之间的连接以及各轴之间用“开口，GAP”和“偏移，SAG”法初步确定主机、轴系位置；③用“顶升试验JACK-UP”法最终验证主机、轴系各轴承负荷，检查其轴系连接的最终有效性。轴系合理校中安装流程见图2。

图2 合理校中流程

2 轴系安装工艺

该船型为艉管整体安装环氧浇注模式安装，艉管艉轴承无偏心及倾斜安装，无艉管首轴承，艉轴承压配在设备厂家安装，艉轴承与艉管同心，艉管首艉同心，见图3。

图3 艉管布置剖面示意

2.1 艉管定位

首先通过激光经纬仪扫出一束水平光线，该线通过船中且距船体基线满足理论轴系设计要求，并在图4的-1#点、16#及31#处设置3个靶架，留下3个靶点，通过此3点拉出的钢丝线即代表初步确定的轴系中心线。

图4 轴系拉线

从-1#和16#靶点拉出的钢丝线调节艉管，使艉管中心线与轴线重合，调整时要考虑钢丝线的下垂：通过计算给出艉管首艉测量点的下垂值。通过对测量点的控制，在去除所拉钢丝下垂量的影响后，艉管中心线较理论轴系中心线的偏差控制在0.1 mm以内。

2.2 艉轴定位

对于艉管内设置有首艉轴承的情况，艉轴进入艉管内，直接放置于轴承上其对艉轴起到支撑作用，若在设计过程中未对首艉轴承进行偏心或斜镗孔等处理的情况下，整个艉轴成水平状布置，反映到艉轴轴承位间隙为：上部为总间隙，左右间隙均匀，下部间隙近似为零。

本船由于艉管内无首轴承，无法直接固定于艉管内，为此需要外加一个临时支撑以保证艉轴的定位。如何确定临时支撑的位置，为此在安装过程中参考了轴系校中计算书：SA-1016-H10B713[4]，其temple support 1，位于艉轴的首部，距离法兰面200 mm，其offset为0 mm，临时支撑以一个对称布置滚轮形式设置，以保证艉轴在临时支撑位置的转动。

整个轴系校中计算过程中，以轴系理论中心线为基础，为此其offset为0的设置也相对于该线确定，因此temple support 1位于轴系中心线上，在实船安装过程中即为艉管中心线。

为了满足temple support1 处为offset为0的要求，将该点换算至艉管前端壁处，上下间隙及左右间隙近似相等，具体测量数据见表1。

表1 艉轴承首艉间隙 mm

以上数据中，艉轴承处测量值为艉轴承处间隙值，由于艉轴左右设置油槽因此测量点为其相应位置上下45°处测量结果。艉管前端测量值为艉管外径至艉轴处距离，反映了艉轴在艉管中的位置。

从数据上分析，艉轴在艉部与艉轴承接触，左右间隙均匀；同时艉管前端反映艉轴位于艉管中心，鉴于艉管中心处为近似与理论轴系中心线重合，艉轴在艉管前端上下左右均匀，判断临时支撑temple support 1 处，位于轴系中心线，offset为0 mm。

2.3 轴系对线及顶升试验

在满足“轴系校中计算书”状态要求下进行轴系校中：所有大型焊接工作均已结束，船舶处于漂浮状态，船舶左右横倾为0°，螺旋桨冷态75%浸没状态下进行[5]。

在该状态下，以艉轴法兰作为整个轴系对线的基础，从后向前调整各支撑位置使艉轴法兰与中间轴法兰、中间轴法兰与主机之间的GAP&SAG，满足校中计算书的要求。同时调整机座的挠度，调整机座扭曲，以满足设备厂家设计要求，在上述调整结束后，用配制的定位销和普通螺栓将轴系临时连接，对轴系进行预顶升。在预顶升检验合格后，对主机、轴系安装固定。最终进行顶升试验，测量艉管前轴承(如果存在的情况下)、中间轴承和主机3道轴承(8#、7#、6#)实施负荷顶升试验，各道轴承负荷满足校中计算书要求，主机各道轴承负荷满足主机厂家要求。并测量主机曲轴拐档差和3道轴承间隙。

3 问题的产生

在实际对线的准备过程中，通过现场人员反馈，按照轴系校中计算书的要求，在艉轴法兰处施加一个30 kN的力，以保证艉轴法兰处校中计算书要求的位置。

现场施工过程中，当作用在法兰上的力仅仅有15 kN时发现艉轴与临时支撑接触。在准备对线过程中现场施工人员认为不用施加30 kN这么大的力就可以满足艉轴定位要求或者是临时支撑位置不对，希望设计部门对该对线工艺和校中计算书内该数据进行核实，并修改工艺便于后续工作的开展。为此各方及时停止后续工作对当前轴系安装状况和计算书要求进行分析。

鉴于该艉管未设置艉管首轴承，但是在距离艉轴法兰200 mm处设置临时支撑，并按照轴系校中计算书的要求在对线过程中保证该点的offset为0 mm。

首先确定该外力由轴系校中计算书理论计算而来，布置位置满足校中计算书要求，设置高度通过艉轴定位确定。同时通过与主机厂家沟通(轴系校中计算书由主机厂家负责计算)，其数据准确，不会存在施工过程中出现的偏差。

其次，核对船舶状态，其浮态、螺旋桨浸没状态、船舶的倾斜状态以及当前船舶的施工状态没有影响对线因素的存在。

最终决定对船台安装过程进行核实。

在所有过程和数据均满足轴系安装工艺及校中计算书要求的情况下，将问题集中于temple support 1的offset为0的设置上。

根据轴系校中计算书的要求，offset是相对理论轴系中心线设置，通过对原有检测数据的判断，在设置首部临时支撑时，其相对于艉管4个方向间隙基本一致。因此判断设置的temple support 1 为艉管中心，也就是理论轴系中心。

通过对传统设置有首艉轴承艉管轴系的分析，在未设置偏心轴承或斜镗孔的情况下，艉轴在艉管内布置时，在未安装螺旋桨的情况下，其完全依靠首艉轴承支撑。如果不考虑艉轴在艉管内的倾斜，将其考虑成一个钢性结构，整个艉轴在艉管内贴近下部轴承固定，艉轴中心线位于轴系理论中心线以下总间隙值的一半。在对线状态下，艉轴法兰前端面一般是作为GAP&SAG对线的基础。虚线部分为艉管中心线，即理论轴系中心线；实线为艉轴中心线。具体布置情况见图5。

图5 艉轴在艉管内的状态

为此对于offset为0的设置提出怀疑，具体安装状态见图6。

图6 4种安装状态下轴系布置示意

通过对比图6设置首艉轴承和未设置首轴承临时支撑offset为0时出现两种理解。

1)在安装过程中应该以实际艉轴的中心线为准来确定变位量offset，其是相对于实际艉轴的中心线而言，因此offset为0点，其位置为相对于理论轴系中心下移轴承总间隙值的一半，与存在首轴承时一致。

2)坚持认为offset就是相对于理论轴系中心线，在实际轴系运转过程中艉轴会腾空，其中心位置就是理论轴系中心，严格按照轴系校中计算书要求进行。

从传统艉管内设置首艉轴承情况下分析，对于存在外力作用时，艉轴对线满足第一种情况，其对线时艉轴中心低于实际轴线中心。在该船的安装过程中，未设置首轴承，为此艉轴前法兰的高度调整范围放大。

以上两种情况要注意的是艉管前后轴承或艉管后轴承与临时支承的高度一定要满足轴系校中计算书的要求，只有这样艉轴前法兰才是真正的排轴基准，静态校中计算必须寻找一套中间轴承和主机轴承的变位——offset，来保证所有轴承的负荷都在制造商许可的范围内。为了得到轴系相关的轴承变位——offset，必须计算法兰脱开时所需要的GAP&SAG。GAP和SAG的数值可以用在规定的校中施工过程里，以决定中间轴承和主机轴承的位置，如果中间轴承不作为临时支承，应该最后用顶举负荷法确定中间轴承位置。

应该明确的是在轴系校中计算中，最终确定的各轴承和临时支承的垂向位移值都是理论值，该值是轴线与轴系理论中心线的相对位移，并没有考虑实际中轴与轴承间隙产生的影响。

由于该轴系未设置艉管前轴承，为此对于offset位置的只有通过艉管后轴承来判断，如果在轴系校中计算中，其offset为-0.45 mm(理论设计间隙为0.90 mm，位于轴系中心线以下)即反映校中计算过程中已经考虑了艉轴紧贴轴承的情况，则可以判断该临时支撑位置offset的设置依据。为此通过对校中计算书的判断，见表2。

表2 冷态下轴承负荷及变位

通过以上数据判断，其在AFT S/T BRG 处offset为0，与临时支撑处offset为0一致，说明两者应该处于同一个高度。鉴于在实际安装过程中，冷态下艉管后轴承处艉轴是紧贴其布置，为此其艉轴中心位于理论轴系中心线以下，总间隙的一半。因此临时支撑的位置也应该相应变位，下移总间隙的一半，与艉管轴承处轴的中心线高度一致。在理论计算中是相对于理论轴系中心线而言，但是在实际对线过程中应该考虑的是整个艉轴在艉管内的布置。通过以上分析，各方基本达成一致，认为temple support 1的设置不满足轴系校中计算书的要求。其真实位置应该是轴系理论中心线以下，与艉轴承所在高度一致。

4 问题的处理

轴系校中总原则是以艉轴法兰为基准，按给定的开口和外圆值调节中间轴和主机，以确定中间轴承和主机的位置，最终的确认以轴承负荷的测量结果(通过顶升试验)为依据，其实际测定的轴承负荷应满足负荷计算书的要求。

针对出现的问题在实际施工过程中提出两种不同解决方案。

1)对临时支撑位置进行调整，以满足轴系校中计算书的要求。

2)按照当前安装情况，重新计算，是否可以通过调整GAP&SAG满足轴承负荷要求。

对于第2种解决方案，从理论上应该是可以满足要求的，因为其最终安装的验收标准以轴承负荷为准，但是鉴于该船舶无艉管首轴承，其艉轴负荷主要分布于艉管轴承和中间轴承，鉴于艉管轴承在实际施工和检测过程中无法测量，艉轴静态情况下的倾斜固定，存在加大艉管艉轴承负荷的可能性，为此设备厂家、船东和船厂均不希望该现象的出现，同时与设备厂家及审批机构进行沟通和联系，重新计算需要一定周期，无法满足船厂施工进度要求，为此各方基本同意按照第1种解决方案进行。

在实施方案1的过程中涉及到如何调整temple support 1的问题，其中也存在两种方案。

1)直接向下施加30 kN，去掉临时支撑，外力作用后的位置作为对线基础。

2)通过对临时支撑位置的检测来控制下移量。

为此现场分析了方案1在不考虑临时支撑直接施加外力作用的影响。

1)直接施加外力作用按照轴系校中计算书理论计算，理想状态在该力作用下的位置应该和临时支撑准确安装时的位置重合；但是该临时支撑位置在船台确定，较直接施外力作用产生位置更加准确。

2)不利于艉轴在实际水流中的定位，鉴于未设置艉管首轴承，对线过程中外部水流或者其它外部力的作用，如果仅仅依靠下压力，艉轴在整个系统中完全依靠艉轴承支撑，形成单悬臂梁，易于受外部作用力的影响。

3)该临时支撑位置是下水后轴系理论中心线惟一有效参照，取消或者丢失该点将失去下水后调整实际轴系与理论轴系中心线相对位置的惟一依据。

该临时支撑有别于传统对线过程中位于中间轴上的临时支撑，该点位于艉轴上是轴系调整的基础，其保证艉轴在艉管内布置形式。为此在实际安装过程中为了达到与下水前安装等同的效果，以offset为0(相对于实际艉轴中心)为依据并结合下压力的作用，确定temple support 1的准确位置。其较艉管中心线底半个艉轴承间隙，按照理论计算该处间隙应为0.95 mm，为此实际下移量取0.47 mm。

在实际安装过程中，考虑力可能产生的作用，在靠近temple support 1 上方安装百分表以检测下压效果，在左右舷各安装一个百分表检测左右偏移。

最终操作方案，以临时支撑调节为基础，附带均匀施加外力的作用下，大概27 kN时，临时支撑下移0.46 mm，左右移动0.1 mm，反映左右均匀移动。并锁定该点作为temple support 1，同时增加外力至30 kN，临时支撑和轴系无移动。以该点为基础完成后续安装工作，最终各项顶升数据和主机安装满足轴系校中计算书要求和主机厂家要求，实际运转过程中轴系及主机较好。

5 结论

原安装过程问题主要出现在offset的设置上，轴系校中计算按照理论轴系计算而来，最终确定的各轴承和临时支承的垂向位移值都是理论值，该值是轴线与轴系理论中心线的相对位移，并没有考虑实际轴与轴承的间隙产生的影响。在该船的施工过程中，最初是按照理论轴系中心线设置临时支撑offset，为此造成安装无法满足校中计算书要求。

轴系安装过程中轴的中心线与理论轴系中心线是有区别的，部分设计单位在轴系安装过程中，为了将轴的中心线与轴系理论中心线重合，艉轴前后轴承设计成下面厚上面薄，故意抬高轴，抬高量为1/2轴承间隙。轴布置成与轴系校中计算书中OPEN SHAFT状态艉轴的布置情况一致。但是大多数厂家是没有选择将轴承故意抬起1/2轴承间隙，为此在实际施工过程中，实际轴系中心线较理论中心线下移了1/2轴承间隙，并以该高度为基础设置临时支撑位置。该状况布置情况与轴系校中计算书一致。

对于无首轴承的轴系安装，有别于设置首轴承，临时支撑位于中间轴上的情况，定位于艉轴上的temple support 1用于支撑艉轴前段的作用，该点的确定是整个轴系安装的基础，其实是下水后整个轴系与理论轴系相对位置的惟一参考。

因此该点应该在下水前准确定位，考虑轴承间隙对整个轴线的影响定位该临时支撑点，其作为艉轴的支撑作用和定位作用，其准确确定对后续考察轴系的实际位置与理论位置差别和对线提供了有效参照。

任何情况下艉轴前后轴承或艉轴后轴承与临时支承的高度一定要满足轴系校中计算书的要求(通常高度相同)，只有这样艉轴前法兰才是真正的排轴基准，然后通过法兰间的GAP和SAG值正确确定主机和中间轴承(中间轴承也作为一个临时支承时)的位置，如果中间轴承不作为临时支承时应该最后用顶举负荷法确定中间轴承位置。最终以实际顶升结果和校中计算书作为最终验收标准。

[1] 赵胜利.20.5万吨散货轮轴系校中调整工艺分析[J].船海工程,2012，41(3):78-81.

[2] 孙树德.船舶轴系校中状态及轴心轨迹的研究[D].大连: 大连海事大学,2010.

[3] 邱晓峰，刘丽飞，甘振海，等.某化学品船轴系校中分析[J].船海工程,2011，40(1):81-83.

[4] GEUMJAE Koo.Calculation of shaft alignment[R].Korea:STX Heavy Industries Co.,Ltd.,2010

[5] 中国船级社.船上振动控制指南[S].北京：人民交通出版社，2001.