基于双隧道式船艉线型的大件运输船轴系设计

任成德

(招商局重工(江苏)有限公司，江苏 海门 226100)

0 引言

船舶轴系的作用是将主机功率传递给螺旋桨，并将螺旋桨旋转产生的推力通过推力轴承或齿轮箱传递给船体，使船舶前进或后退。在过去的案例中，因轴系设计不合理，曾发生多起艉管轴承烧毁、螺旋桨轴断裂、减速齿轮箱损坏等事故，给企业造成了重大损失。

大件运输船采用双机、双桨、双舵、柴油机推进，载货量约为1 800 t，航行于长江水系A、B、C、J1、J2航区(段)，运载钢制桥梁桁架类大件。由于桁架构件具有体积大、单位载荷较轻的特性，船东要求尽可能增大该船货舱舱容系数，以便充分发挥运载能力，提高运营经济效益。

在同等船舶主尺度的情况下，为提高货舱舱容系数，一般采用增大货舱主尺度的办法。增大货舱主尺度，使机舱后移，原有的轴架式轴系设计已不能满足需要。针对此情况，本文提出采用双机双桨船轴系布置的方法。首先在确定推进装置型式的基础上进行轴系布置设计，然后进行轴系计算选取尺寸，最后进行轴系强度校核。

1 推进装置总体设计及机舱布置

大件运输船主要参数为：

总长76.5 m, 垂线间长71.6 m，型宽14.0 m，型深3.8 m，设计吃水3.0 m。

1.1 推进装置型式设计

该船将航行于激流航段，对船舶操纵性要求较高；设计吃水3.0 m，属于浅吃水船舶；结合船东降本增效、便于后续运营维护等要求，经总体设计优化，将轴架式船艉线型设计为双隧道式船艉线型，采用中速柴油机齿轮箱推进装置。

通过船、机、桨匹配计算，分析比较了目前几家国产柴油机的性价比，最后选用推进机组如下：

(1)主机：配备Z6170ZLC/ Z6170ZLCZ各1台柴油机，持续功率300 kW，额定转速1 000 r/min。

(2)齿轮箱：配备2台HC400齿轮箱，减速比为3.42。

(3)配备HGTLX4.5高弹联轴器，随齿轮箱配套供应。

1.2 机舱布置

推进机组型号基本确定后，向厂家索取认可图及安装资料。根据机组外形尺寸和艉部线型情况，在机舱中定位机组。机舱布置如下：

机舱位于Fr10～Fr26肋位之间，纵向长8.0 m；机舱棚位于Fr13～Fr24肋位之间，纵向长5.5 m。

主机组对称布置在Fr12～Fr18肋位左右，分别距舯3 500 mm。机舱布置示意图见图1。

2 轴系布置设计

该船轴系按中国船级社《钢质内河船舶入级与建造规范》(2002)(以下简称《内规》)及《内河船舶法定检验技术规则》(2004)(以下简称《法规》)进行设计。

2.1 轴系材料选用

艉轴、可拆联轴节材料选用35#钢锻造，键、联轴节螺栓材料选用45#钢。

2.2 轴系构成

本船轴系包括螺旋桨、螺旋桨轴、可拆联轴器、中间轴、齿轮箱、高弹联轴器、主机和艉管前后轴承、艉轴密封及其他附件等,不设人字架、中间轴承和推力轴承。

图1 机舱布置图

2.3 轴系布置

大件运输船轴系布置方法如下：

(1)两轴系左右对称，距舯3 500 mm，齿轮箱输出法兰中心纵向位于Fr10+1 280 mm。

(2)为避免主机有效推进功率损失，将轴线设计成与基线水平，且距基线850 mm。

(3)为便于安装，在艉轴与中间轴连接处设有厚度约10 mm的调整垫片。

(4)为避免船舶停泊时水流使螺旋桨带动轴系转动，在中间轴上设有制动装置。

(5)艉轴基本轴径为Φ130 mm，其轴承为油润滑锡青铜轴承，艏、艉密封装置均采用定型产品(船检认可)，艉轴与螺旋桨及联轴器采用键连接。

轴系布置图见图2。

轴系布置设计时主要基于以下几点考虑：

(1)主机或齿轮箱尽量靠机舱后壁布置，以缩短轴系长度。根据具体的主机、齿轮箱工作图，确定齿轮箱输出法兰中心纵向位置，以避免齿轮箱及主机地脚螺栓与基座腹板干涉，为后续齿轮箱、主机地脚螺栓钻孔及铰孔预留空间。

(2)为避免主机有效功率损失，使轴系中心线与船体基线及中纵剖面平行。

(3)艉管后轴承后端面与舵杆中心线的距离：一方面应尽可能使该距离缩短，以增强舵效；另一方面不能影响螺旋桨的拆装空间。

(4)必须控制螺旋桨直径，使叶梢与船壳外板的间距不能太小。

(5)合理布置轴承位置及间距，以均衡整个轴系载荷(静载荷及动载荷)。艉管布置在左右隧道内，艉管前后轴承间距完全受控。另外，中间轴也较短(590 mm)。为减少轴系附加负荷，取消中间轴承设置。

3 轴系计算及尺寸选取

3.1 按《内规》计算后选取尺寸

按《内规》计算后轴系尺寸选取如下：

(1)艉轴基本轴径130 mm，后轴承轴颈直径为140 mm，前轴承轴颈直径为135 mm，中间轴直径120 mm。

(2)螺旋桨键键宽32 mm，键有效长度118 mm，键前端距锥度大端的距离实取30 mm。

(3)联轴器键宽32 mm，键有效长度133 mm，联轴器法兰厚度30 mm，联轴器法兰根部过渡圆半径15 mm。联轴器连接螺栓直径 21.8 mm，紧配螺栓数量4只。中间轴与齿轮箱紧配螺栓数量6只，齿轮箱连接螺栓直径 21.8 mm。艉管后轴承长度500 mm，艉管轴承为油润滑锡青铜轴承。

3.2 根据《船舶设计实用手册》计算后选取尺寸

按照《船舶设计实用手册》计算，得到艉轴与螺旋桨连接锥体长度 310 mm，锥度 1∶15。

4 轴系强度校核

轴系强度校核内容为：

(1)轴承位置及轴承间距。

(2)轴承受力支点的确定。

(3)轴系强度校核。

①危险截面分析：经受力分析，该船轴系布置有三处薄弱环节，即艉轴后轴承前端面、螺旋桨键与键槽挤压面及艉轴可拆联轴器锥度小端面。

②艉轴后轴承前端面强度校核：螺旋桨自重产生的弯曲应力，螺旋桨旋转产生的拉压应力，螺旋桨旋转产生的剪应力，艉轴后轴承前端面合成应力。

③螺旋桨键与键槽挤压面强度校核。

④艉轴可拆联轴器锥度小端面强度校核。

经校核，该船轴系强度符合要求。

5 绘制艉轴艉管总图注意事项

绘制艉轴艉管总图注意事项如下：

(1)根据轴系计算结果，选择艉管前后密封装置型号并绘制成零件图。 (2)轴系计算得到的尺寸，按照1∶1的比例将轴系部件绘制成零件草图。

(3)将所有轴系零件及附件按装配关系模拟安装到轴系相应位置上。

(4)根据装配关系、维修空间需要等，优化、调整上述零件图尺寸。

(5)该船艉管较短，为无缝钢管焊接整体式。

(6)为便于维修，延长艉轴使用寿命，在艉轴前后密封装置处设有外表面镀铬的耐磨套，其长度应伸出密封环一定距离，确保密封可靠；前密封装置轴向预留空间，以便于后续可通过密封环错位的方法进行应急维修，同时避免轴系变形。

6 结语

通过对艉部线型的优化，合理布置机舱，特别是调整主机组的安装，使轴系设计更合理。船舶轴系设计是船舶动力装置设计的一项主要任务，在很大程度上决定了一艘船舶设计的成败。随着船舶的大型化和大功率化，轴系设计越来越重要。轴系设计人员应不断提高自身综合能力，应用先进的轴系设计方法，“多快好省”地完成轴系设计任务。该船投入营运后，船东对轴系运行很满意。