76 000 t散货船轴系安装及校中

徐东洋 刘 皓

（1.上海海事大学 商船学院 上海201306；2.江南造船集团有限责任公司 上海201913）

引 言

船舶轴系是指从主机飞轮端到螺旋桨之间的轴及轴承等附件的统称，承担着将主机发出的功率传递给螺旋桨，以克服螺旋桨在水中转动的阻力矩，同时又把螺旋桨产生的推力再传递给船体，实现船舶的前进或后退。轴系工作的好坏将直接影响船舶的正常航行，并对主机的运转有直接关系，所以轴系在制造和安装过程中都有较高的技术要求。［1］本文根据相关工艺并结合实际生产经验对76 000吨级散货船轴系的安装及校中流程和方法进行阐述。

1 船型相关参数

该型船主机型号为MAN B &W 5S60MC-MK6，轴系主要由中间轴、螺旋桨轴、中间轴承和螺旋桨等组成，主机和轴系以及轴系之间采用固定法兰连接，构成直接传动型式。动力装置的安装沿用传统的安装工艺，先安装轴系再安装主机。传动轴系的主要参数：中间轴长度7 390 mm，直径450 mm，螺旋桨轴长度6 100 mm，基本直径530 mm。

2 轴系理论中心线

2.1 确定轴系理论中心线的条件

由于轴系安装质量对于船舶正常航行具有巨大的影响，所以在船舶建造过程中，轴系的安装需要严格按照相关的流程和工艺进行，确定轴系理论中心线工作对船体建造进度和施工环境都有严格的要求。对于船体方面，要求机舱前壁之后和主甲板以下的船体结构主要焊接和矫正工作全部结束，机舱内舱柜的密性试验完成，轴系区域内主要设备的基座焊接安装完成，设备就位。对于周围环境方面，为了减小温度变化引起船体变形的影响，施工需安排在晚上或阴天进行并停止周围发出严重噪声和振动的作业。［2］

2.2 拉线法确定轴系中心线

轴系理论中心线是根据船上的艏、艉基准点来定位的，如图1所示。该船的艉基准点在FR0号肋位处，艏基准点在FR33号肋位处，两基准点位于船体中纵剖面内，距离基线3 872 mm。在FR33号肋位船底板上和FR0号肋位之后分别设置拉线架，保证艏拉线架可靠固定，在艉拉线架处施力保持钢丝张紧，调整钢丝使其通过艏、艉基准点，此时保证了轴系中心线前后两点距基线均为3 872 mm。由于钢丝自重产生一定的挠度，为了保持钢丝的直线性，可以按下式计算挠度修正值：

式中：Y为挠度修正值，m；

g为钢丝线单位长度质量，kg/m；

L为钢丝两端点间的距离，m；

X为所求挠度位置到端点的距离，m；

G为吊重物，kg。

检查轴系中心线与舵系中心线的相交度和垂直度，相交度δ≤3 mm，垂直度每米不大于1 mm；测量中间轴承D处和主机在E、F、G处的高度来估计环氧垫片的厚度；用十字线在尾管端面A、C上画出钢丝中心，同时注意保护好艏基准点G点，供照光使用。根据拉线的结果，决定艉轴管A、C端面的镗切量及主机的实际安装位置。［3］

图1 轴系拉线照光图

2.3 轴系照光

轴系照光是在拉线的基础上，提高并复核轴系中心线的精度及艉轴管的镗孔中心。在艉基点B处之后放置光学照光仪，并以B、G点作为基准校准光学仪，使光学仪的中心线与B、G连线重合。在C端面上焊接校准螺钉并放上活动十字光靶，然后调整十字光靶，使十字线中心与轴系中心线重合，然后分别在A、C端面上画出加工圆、检查圆以及打样冲眼。

3 艉轴管镗孔

在安装镗削工具前，校准螺钉以及镗孔机械的临时支撑都已安装完毕。根据艉轴管A、C端面上的检查圆或加工圆对镗孔机械进行校中，镗削工具与轴系中心线的同轴度公差不大于0.02 mm，安装完成后按照图纸尺寸开始对艉轴管进行粗镗、精镗。在镗孔过程中，粗加工后必须对镗孔机械再进行一次校中，才可以进行精镗，以确保镗孔中心符合要求。精镗的切削余量不宜太多，各档孔径的最后尺寸应一次镗出，不允许接刀，然后才开始加工前后端面。全部加工完毕后，复照光检查镗孔中心，保证孔中心线与轴系中心线的偏差小于0.08 mm，前后端面与中心线的垂直度每米不大于0.1 mm，最后测量艉轴管各孔径尺寸并制作样棒。［4］

4 艉轴管装置、艉轴及螺旋桨安装

4.1 艉轴管安装

艉轴管轴承外径加工需按照上述测量的尺寸和制作的样棒进行，同时结合图纸的工艺要求。该船轴承内孔采用巴氏合金材料，轴承与艉轴管为过盈配合，轴承安装采用液压拉伸器将轴承压入艉轴管孔内，其压入方法如图2所示。

图2 艉轴承压装图

轴承安装前，应确保艉轴管内清洁干净，检查液压拉伸器的安全可靠性，在同温度下复查轴承及艉轴管的尺寸是否符合要求。从轴承压入开始，每压入50 mm长度是否都要测量记录压入压力，随着压入面积的增加，压入油压力也随之上升，直到全部压入到位，其最终压力应符合设计要求。压装结束后，要测量检查轴承内径变化情况。按图纸要求钻眼攻丝，配上制动螺丝并安装温度传感器和密封油管等附件。

4.2 艉轴及中间轴吊装

该船艉轴前端为固定法兰，必须将轴吊入船内向外安装，在艉轴吊装前先对艉轴表面和艉轴管内进行清洁并涂抹滑油，在吊装时要时刻关注艉轴进入艉轴管的情况，避免艉轴与艉轴承白合金轴瓦碰撞。艉轴安装到位后，在艉轴前端法兰后设置一个临时支撑，以固定艉轴，防止艉轴发生过大的偏转和窜动。安装到位后，用塞尺测量检查艉轴管前后轴承端面上的上下左右四个位置的间隙，要求数据符合技术要求。吊装中间轴，并临时安装中间轴承，在中间轴前段设置临时支撑将其固定。

4.3 尾密封装置安装

该船艉轴管密封装置由前密封和后密封两个装置组成。前密封装置套在艉轴上随艉轴一起安装，后密封装置在艉轴对中安装完成后，从后部套入艉轴并安装。密封装置安装紧固后，连接安装滑油管、冷却管及阀件等，然后可以进行泵油试验。检查时在重力油柜中注满滑油，以油箱内油的静压力进行密性试验，24小时内油位应无明显变化。后密封装置有3道密封圈，需要对每一道密封进行压油试验，每道密封密性试验应在4小时以上，且无漏油现象。

4.4 螺旋桨安装

该船螺旋桨和艉轴采用液压连接方式，先将螺旋桨吊装到位，跟艉轴一起放置2小时左右，使螺旋桨和艉轴温度基本均衡，然后旋上液压螺母。按图3所示连接油泵、安装千分表等，先对轴向加压5 MPa（1号油泵）后，将2只千分表重新归零，然后同时加轴向和径向压力（轴向压力略大于径向压力），每压入0.5 mm记录一次压力。当螺旋桨压入到位后，先释放径向压力，保压30 min，观察千分表无变化后逐步释放轴向压力，确认螺旋桨无滑动时即用扳手旋紧液压螺母，再用锤使螺母向旋紧方向再旋紧10°～15°。安装液压螺母止动块、桨帽及锁紧丝，并向桨帽注入防锈油脂并在其外表面涂抹环氧水泥。［5］

图3 螺旋桨安装图

5 轴系校中及轴承负荷测量

5.1 轴系校中

轴系校中是轴系安装工作中的重要部分，校中质量的好坏对轴系运行具有重大影响［6］。本船在下水之后开始轴系校中工作，校中前先调节船舶状态，分别向艏、艉压载舱加水，使得艏吃水为1 m、艉吃水为4 m，使艉轴处于自由状态，螺旋桨半浸状态。采用图4所示轴系模型校中，在螺旋桨轴法兰上施加50 kN的力，调整临时支撑T.S1、T.S2和主机，使螺旋桨轴和中间轴的法兰与主机和中间轴的法兰的开口（GAP）、偏移（SAG）满足图中要求。检查中间轴承负荷、主机甩档符合设计要求。轴系校中完成后，采用低温冷装法将螺旋桨轴和中间轴的法兰，以及中间轴法兰和主机飞轮端用螺栓连接并紧固。

图4 轴系校中模型

图5 轴承负荷顶升图

5.2 轴承负荷测量

用顶举法测量轴承负荷，首先脱开轴系临时支撑，松开中间轴承盖以及主机盘车机，然后分别用液压千斤顶顶升图5所示L1、L2、主机飞轮端以及第5缸曲柄中心位置，千分表放置于各个顶升位置上方。注意顶升量不能超过轴承间隙，记录顶升量与顶升压力。顶升和下降过程中按照图6画出压力-顶升曲线，并求出P1和P2数值，同时按公式计算轴承负荷，式中：C为修正系数，A为油缸活塞面积。对中间轴承和主机进行调节，使轴承的实际负荷与主机厂家推荐值在20%之间，检查主机甩档及各主轴承负荷是否满足设计要求。测量中间轴承垫片高度，进行拂配、钻孔及安装工作。［7］

图6 压力-顶升曲线

6 轴承负荷调整及分析

根据MAN B &W公司的安装工艺要求，该船的各档轴承负荷范围要求见表1所示。

表1 轴承负荷范围

6.1 艉管前轴承负荷

按照前面图5所示安放千斤顶和测量的千分表，在顶升过程中，油压每升高20 bar（2 MPa）记录一次顶升位移，达到180 bar后，慢慢泄放油压。同样20 bar记录一次数据，其绘制的曲线如图7所示。根据上述公式计算可得艉管前轴承负荷为28.6 kN，数据较为理想。同时观察曲线可以看出，上升和下降的曲线并不像其他轴承曲线一样平滑均匀，有些点的数据出现波动。进一步分析可得：由于该档轴承特殊性，在顶升过程中，尾轴管内油压变化、前后尾轴承的影响导致了数据波动。另外，螺旋桨浮力以及波浪对螺旋桨冲击的影响也是导致数据波动的原因。

图7 艉管前轴承顶升曲线

6.2 中间轴承负荷

中间轴承顶升过程中，压力同样按照20 bar为间隔进行记录，描绘的曲线如图8所示，计算求得中间轴承负荷为66.3 kN，符合要求。分析曲线可得：在负荷慢慢转移到千斤顶上时，轴被抬起的高度变化不大，这与一般常识相符。随着负荷转移到千斤顶上后，顶升位移量随着压力的升高迅速变化，这个“拐点”一般出现在0.05 mm左右。中间轴承的负荷可以通过调整中间轴承高度和升降主机首尾来实现。在一般情况下，中间轴承升高0.1 mm，其负荷增加15～20 kN；主机首部上升0.5 mm或者主机尾部下降0.1 mm，导致负荷增加15 kN左右，上述情况反之亦然。

图8 中间轴承顶升曲线

6.3 主机轴承负荷

按照工艺要求，需要调整主机最后两道轴承的负荷，这两道轴承在顶升过程中，以40 bar为间隔记录位移变化。对于这两道轴承，一般调整主机首尾高度，可以迅速使其负荷变化。最后一道轴承后面为主机飞轮，由于飞轮的质量较大，主机运行过程中，飞轮旋转会给最后一道轴承带来较大的负荷，所以该道轴承负荷不宜太大，而最后第二道轴承负荷可以大一点。具体测量结果如图9、图10所示，计算后轴承负荷分别为23.8 kN和190.5 kN。另外，

图9 主机最后档轴承顶升曲线

7 结 论

从整个轴系安装程序可以看出，这是由轴系安装精度决定的较复杂的安装过程。在安装过程中要合理分析主机和轴系的状态，同时也要综合考虑温度、波浪、船体振动、变形以及船舶吃水等环境因素的影响。对于轴承负荷的调整，既需要掌握一定的理论基础，又要有足够的生产经验，才可以从艉管前轴承逐步向主机方向调整，调整过程中要缓慢升降中间轴承或主机首尾位置，同时，对于顶升曲线中出现的波动也要进行合理的分析处理。而由于外部环境不同，每次轴承负荷的测量数据也会因时因地发生变化。在主机未连接轴系前，曲轴会由于自身重力而紧贴下轴瓦，此时可测得主机最后一道轴承的轴瓦间隙，并在轴系安装后测量此处间隙，从而初步推断最后一道轴承负荷。

［1］ 许乐平，詹玉龙.船舶动力装置技术管理［M］.大连：大连海事大学出版社，2006.

［2］ CB/T 4000-2005，中国造船质量标准［S］．2005.

［3］ 丁彰雄，田野.船舶机械修理工艺学［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2013.

［4］ 郑波，董三国，唐华庚，等.轴系安装新工艺的探讨［J］.上海造船，2007（2）：15-17.

［5］ 刘永兴.53 500吨散货船轴系安装及校中［J］.造船技术，2010（3）：15-18.

［6］ 施晴，张富明.27 000 t散货船轴系校中问题处理［J］.船舶，2004（5）：40-45.

［7］ ［德］汉斯海因里希，迈尔·彼特，弗兰克·伯恩哈德.船舶工程技术手册［M］.陈刚，宋新新译.上海：上海交通大学出版社，2009.