38 000 DWT杂货船轴系方案比较分析

(泰州口岸船舶有限公司,江苏 泰州 225321)

船舶推进轴系校中是船舶建造过程中的一个重要环节，轴系校中出现问题有船体变形、轴系振动、支座刚度不够等原因[1]，更重要的原因是轴承间距选取不当，轴系布置不合理。本文以38 000 DWT杂货船推进轴系为研究对象，分析轴系布置方案。

1 船舶及轴系的基本参数

38 000DWT杂货船主要参数如下。总长为179.90 m；垂线间长176.85 m；型深15.20 m；型宽30.00 m；设计吃水9.5 m；结构吃水10.60 m；结构吃水时载重量37 400 t；服务航速14.0 kn；主机型号为WARTSILA 6RT-flex48T-D低速柴油机；SMCR功率/转速为6 120 kW/102 r·min；螺旋桨为4叶定距螺旋桨；直径6 m；质量13 166.4 kg，主机与螺旋桨之间通过一根中间轴和一根艉轴相连接。有艉管前轴承和无艉管前轴承轴系布置方案见图1。

2 轴系校中计算分析

2.1 建立坐标系

以螺旋桨末端为坐标原点O，取轴系的理论中心线为X轴，正向指向船艏；过原点垂直X轴向上作为Y轴正向，按照右手法则垂直X0Y平面指向右舷为Z轴；这样由X轴和Y轴组成XOY平面为竖直平面，由X轴和Z轴组成XOZ平面为水平平面[2]。见图2。

2.2 模型简化

将推进轴系看作为放置在刚性铰支上的连续梁，梁的长度由螺旋桨导流帽的最前端开始，至主机自由端前端面止。在梁上作用有均布载荷、集中载荷和外加力偶等，边界条件为自由端[3]。

根据轴系结构将轴系各轴承支撑点处、轴上集中载荷作用点处、轴截面参数有突变处及其它指定的截面作为计算截面，并从原点处向X轴正方向顺序编号，计算各截面的挠度、转角、弯矩和剪力等状态参数。按照主机厂瓦锡兰WARTSILA轴系校中计算程序分别计算两种方案中冷态、热态、SMCR工况点下的轴承负荷、垂向位移等参数。两种方案的计算模型见图3。

2.3 两种方案校中计算结果比较

1)冷态轴承负荷。冷态轴承负荷见图4。

方案(一)有前轴承时，中间轴承只承载少量负荷32 kN，而艉管前轴承承载了42 kN的负荷，这样会加剧前轴承的磨损，使艉轴前密封工况变得恶劣。

方案(二)无前轴承时，则不会出现这种情况，只是中间轴承负荷增大，但仍在许用负荷范围之内。

2)冷态垂向位移。冷态垂向位移见图5。

由图5可见，方案(一)有前轴承时轴系弯曲变化幅度大，特别是在主机各主轴承处，位移变化呈现前端小末端大的现象。这样主机各缸的拐档差加大，在实际运行过程中会加剧主轴承的磨损。而方案(二)主机主轴承处的垂向位移趋向水平。

3)热态轴承负荷。热态轴承负荷见图6。

由图6可见，同冷态下的工况基本相同，方案(一)有前轴承时中间轴承负荷过小，而艉管前轴承负荷大。

4)SMCR工况点下轴承负荷。

SMCR工况点下轴承负荷见图7。

图3 两种轴系模型对比表

图4 冷态轴承负荷

图5 冷态垂向位移

图6 热态轴承负荷

图8 SMCR工况点下垂向位移

由图7可以明显看出在SMCR工况下，方案(一)有前轴承时中间轴承已经近乎失载。而艉管前轴承负荷高达110 kN。而方案(二)则没有出现这种情况。

5)SMCR工况点下垂向位移。SMCR工况点下垂向位移见图8。

由图8可见，SMCR工况下的垂向位移跟冷态下的情况基本相同，方案(一)主机主轴承的垂向位移变化幅度大，各缸拐档差会变大。

6)开轴垂向位移。开轴垂向位移见图9。

图9 开轴垂向位移

从图9可以看出，方案(一)有前轴承时开轴垂向位移出现跳跃式变化，这样会加大轴系安装校中时的难度；主轴承处垂向位移不一致会增加曲轴拐档变化。

可以看出，在冷态和热态工况点下艉管前轴承和中间轴承的支反力较小，而且负荷分别很不均匀，如在SMCR工况点下艉管前轴承负荷高达110 kN，而中间轴承负荷只有1 kN。另外，在冷态和热态工况点下，艉管前轴承和中间轴承只是承载较小的负荷； 同时主机各主轴承的垂向位移很不均匀，靠近艉部轴承位移大而前端轴承移位小，这样会造成主机各轴承负荷分布不均，给实际校中增加难度。

取消艉管前轴承，艉管后轴承的静态负荷和热态负荷几乎没有增加，只中间轴承负荷约增加30 kN。但是，在SMCR工况点下中间轴承负荷增加到79 kN，明显比有艉管前轴承时轴承负荷分布更均匀。在各种工况下的主机各轴承的垂向位移也更加趋向一致，轴承负荷也更加均匀。

3 结论

1)未取消艉管前轴承时，在冷态和热态工况下艉管前轴承和中间轴承承载较小负荷，而且在SMCR工况点下中间轴承失载，而艉管前轴承负荷较大；这样会加剧轴承磨损使艉轴前密封变得更加恶劣；主机各主轴承的垂向位移很不均匀，主机各轴承负荷分布不均，易造成主机轴承磨损。

2)取消艉管前轴承、调整中间轴承位置后，冷态、热态和SMCR工况点下轴承负荷分配均匀，都在许用的范围之内；而且主机各轴承垂向位移趋向一致，曲轴拐档变化小。

3)对于短轴系船舶，应根据各轴承负荷承载情况，合理设计轴承的数量和位置。取消艉管前轴承后，轴承之间的间距更加合理，各轴承动态负荷更加趋向均匀。而且，取消艉管前轴承后，轴承间距比较大，轴承间距增加提升了轴系柔顺性，有利于降低船体变形对轴承负荷的影响。

[1] 宫国玺.船舶推进轴系校中计算研究[D].大连:大连理工大学,2007.

[2] 中国船舶工业综合技术经济研究院.CB*/Z 338—2005船舶推进轴系校中[S].北京：中国标准出版社，2006.

[3] 温玉奎.57 300 DWT散货船轴系校中研究[D].大连:大连海事大学,2007.