不同尾管后轴承模型在轴系校中计算中的比较

罗朝杰 郑 忠 杨红军

（1.沪东重机有限公司，上海200129；2.新世纪造船有限公司，江苏泰州215504；3.上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

船舶推进轴系承担着传递主机功率的作用，是船舶的重要组成部分。在船舶修造过程中，世界各大船厂因轴系校中不良，导致主机拐挡差超标、尾管后轴承高温报警或振动过大等问题。船舶轴系校中质量的优劣受多种因素的影响，主要因素有：推进轴系的校中设计、轴系制造加工精度、轴系安装精度等。为避免后期出现轴系校中质量问题，必须先行进行轴系校中计算。在进行轴系校中计算时，需对实际的轴系根据一定的原则，简化为校中计算模型。中间轴承、主轴承和尾管前轴承，一般都可以简化成单支点模型，且支撑点可以放在轴瓦的中心处。但尾管后轴承因受螺旋桨悬臂作用，作用力中心后移，且轴颈中心存在挠曲变形，其建模相对复杂，有多种建模方法。针对尾管后轴承，本文分别建立了单点支撑模型、双点支撑模型、多点支撑模型，以分析不同尾管后轴承模型对校中计算的影响［1-3］。

1 轴系校中的原理和方法

船舶轴系校中计算，可以认为是轴系设计的一部分或轴系校中设计。这是按一定的要求和方法，将轴系铺设成某种状态，使所有轴承上的负荷及各轴段内的应力均处于允许的范围之内，或具有最佳的数值，从而确保轴系能够持续正常的运转。

船舶主推进轴系校中按照轴系校中原理，目前可分为3种：轴系直线校中、轴系轴承负荷校中、轴系合理校中。超大型民用船舶推进轴系一般采用合理校中。轴系合理校中是把轴承负荷、螺旋桨轴在尾管后轴承处的相对倾角、轴弯曲应力作为限制条件，同时满足主机厂家的要求，通过理论计算，以确定轴承的理论高度，并使得轴承在运行工况下都有合理的负荷。其采用的计算方法有三弯矩法、传递矩阵法和有限元法等［4-5］。

对于以两冲程柴油机为主机的船舶推进轴系而言，轴系校中的目标为：

1）所有轴系轴承和主轴承都有负荷，且在合理范围内（所有轴承不可以脱空）。

2）对尾管后轴承的倾斜安装或尾管的斜镗孔给出指导意见。

3）柴油机所有气缸的拐挡差满足专利公司的要求。

2 不同尾管后轴承模型对轴系校中计算结果的比较

2.1 算例

以某113000 DWT油轮推进轴系为例，使用WinGD 6×62主机直接驱动螺旋桨，额定功率11199 kW，额定转速84.5 r/min。轴系中设置有尾管后轴承、尾管前轴承、中间轴承。该船轴系布置图如图1所示。

图1 113000 DWT油轮轴系布置图

对实际的推进轴系进行简化，并考虑以下边界条件：

1）对螺旋桨轴末端点至尾密封处之间的轴段统一考虑海水浮力的影响；

2）对尾密封处至尾管前轴承之间的轴段统一考虑滑油浮力的影响；

3）主机曲轴的校中模型按照WinGD推荐；

4）所有主轴承的径向刚度、间隙、承载面积、最大允许压力保持一致。

本文使用EnDyn软件建立轴系校中计算模型。它是一款基于有限元法并搭建3D轴系模型以进行船舶推进轴系轴向振动计算、回旋振动计算和轴系校中计算的专业软件。该软件内置有WinGD两冲程柴油机的曲轴模型，如果主机不是WinGD的两冲程机，则用户需要自行定义曲轴模型。在进行轴系振动及校中计算时，飞轮、调频轮、扭振减振器、中间轴、螺旋桨轴和螺旋桨的参数需要用户自行定义。建立的轴系校中计算模型如图2所示。

图2 适用于各计算方案的通用计算模型

为了比较不同尾管后轴承的校中模型对校中计算结果的影响，针对尾管后轴承，采用不同的模型进行校中计算（如表1所示），分别将其简化为单支点、双支点和多支点模型，并对各计算方案的计算结果进行对比分析。所谓尾管后轴承的单支点模型，就是将尾管后轴承简化为一个支点。其支点位置，一般为距离尾管后轴承后端1/7～1/3的轴承有效长度；尾管后轴承的双支点模型就是将尾管后轴承简化为两个支点，分别位于尾管后轴承的最前端和最后端；尾管后轴承的多支点模型就是将尾管后轴承简化为多个支点。

表1 计算方案

方案1中所有主轴承和轴系轴承的偏移量都设定为0，方案2、3、4中所有主轴承和轴系轴承的偏移量设定值保持一致。

2.2 计算结果对比分析

轴系校中通常要计算冷态、热态和运行状态这三种工况进行校中计算。冷态是指螺旋桨安装完成，轴系连接完成，主机未运行；热态是指螺旋桨安装完成，轴系连接完成，主机运行一段时间后刚刚停止；运行状态是指整个推进轴系处于工作状态。通常情况根据热态下尾管后轴承和螺旋桨轴之间的相对倾角来决定尾管后轴承中心倾斜安装的具体数值，因此以热态的计算结果作对比分析。4种方案在热态工况下各轴承负荷和尾管后轴承节点处点斜度及轴承斜度计算结果对比分别如表2和表3所示。所谓轴承斜度，就是尾管后轴承前后端中心点连线的斜率。双支点模型和多支点模型在建模时，将轴承中心线倾斜值体现为支点高度的差异，作为校中计算的输入条件。

分析表2、表3，可以得出如下结论：

1）4种方案计算结果之间的差异主要体现在尾管前后轴承、中间轴承和靠近输出端三道主轴承上，对其余主轴承的影响很小；

2）方案3、4之间的差异主要体现在尾管前后轴承上，对中间轴承和主轴承的影响很小；

3）方案1计算的尾管前轴承的负载为0，也就是前轴承脱空，说明本项目直线校中是不合理的；

表2 四种方案在热态工况下各轴承负荷计算结果对比 kN

表3 4种方案在热态工况下尾管后轴承斜度计算对比

4）CCS规定，在尾管后轴承支点处，螺旋桨轴与尾管后轴承的相对倾角，在静态条件下不超过0.35 mrad。不同的尾管后轴承的校中计算模型可能会有不同的轴承中心倾斜值的推荐。

3 结语

通过分析热态下的轴系校中计算结果有如下发现：

1）合理校中计算方法可以避免轴承脱空的情况，明显优于直线校中计算方法；

2）在合理校中计算中，不同尾管后轴承校中计算模型，只对尾管前后轴承负荷有影响，而对主机轴承负荷几乎无影响；

3）不同尾管后轴承校中计算模型对尾管后轴承倾斜设置的具体数值甚至是否做倾斜设置有一定影响。