船舶轴系对中的目标和负荷分配

船舶轴系对中的目标和负荷分配

1轴系和螺旋船舶动力的安装是一项复杂的系统工程。为了确保船舶在不同的海况和条件下安全航行，船舶级协会对船舶动力的安装有特殊要求。船舶动力装置包括主机、轴系、螺旋桨。轴系位于主机和螺旋桨之间,担负着把主机的扭矩传给螺旋桨,同时又把螺旋桨旋转产生的推力通过轴系中的推力轴承传递给船体,从而达到船舶航行的目的。如果轴系在运行中出现了问题,船舶轻则靠码头修理,重则需进干船坞把艉轴抽出并更换艉管轴承,甚至会酿成航行事故,造成重大经济损失,所以船舶轴系安装一定要保证质量,而船舶轴系对中结果直接影响到船舶轴系的安装质量,本文在此对船舶轴系对中作简要探讨。2轴系反力和弯曲力船舶轴系对中的目标是使轴系的轴承负荷达到最佳状态分布,在船舶所有装载和冷热情况下,均具有合理的轴系反力和弯曲力矩。只有满足船舶轴系对中目标,船舶轴系对中才算成功。2.1载荷和相对位置轴系对中的基本目标是对连接的轴系提供支撑,并确保在所有运行状态下整个轴系轴承负荷有满意的轴承负荷分配,在轴颈和轴承表面不会有过度的角度不中,齿轮箱或主机负荷在厂家规定静态负荷范围。低速柴油机还规定了在对接法兰处的剪切力和弯矩,以及曲轴曲臂差范围。船舶运行时,设备会产生热变形,由于不同压载和装载状态形成的吃水变化也会导致船体发生变形,这些都将导致轴承相对位置发生变化。在轴系设计的初始阶段系统的刚性就要设定到最小以使轴承位置允许这些变化。2.2轴间设计角度不前船级社要求有总体和特定情况的标准。例如,推荐在后艉管轴承和轴间设计角度不中度,静态情况下在支撑点不超过3x10-4角度(0.30mm/m);并且船级社规定了艉管和中间轴承的负荷范围,在轴系的设计、安装过程和试航阶段要进行校验。3轴承偏移及分析为达到轴系对中目标,需对轴系进行对中计算。在进行轴系对中计算时,轴系要建模,简化为连续梁,考虑静态和动态,由合适的计算机程序对模型进行受力分析,以得到理论上合理分配的轴承负荷数值和两轴间相邻法兰轴向和径向位置差,作为实际对中的控制标准;同时通过计算确保后艉管轴承与轴间不中度满足船级社要求。轴系对中计算需考虑以下几点:(1)轴承偏移。如果轴径低于300mm,轴承对中使用直线方式通常就足够获得满意的轴承负荷分配。随着轴系直径增加,系统刚性随着直径的立方增加,并且轴承直线方式对中不能获得优化的负荷分配。因此,使一些轴承从直线位置上下偏移。轴承间相对位置将指示系统轴承负荷的分配。轴承从直线偏移的数据要在船厂提交船级社认可的计算中规定。(2)船体变形。在船由建造船坞移到水上和压载状态更改可引起船体变形,支撑轴系的轴承支撑是一个弹性结构,船体变形将影响轴承偏移位置的相对变化。因此在轴系设计的初始阶段,系统的刚性就要设定到最小以使轴承位置允许这些变化。(3)优化设计。使用轴承运行分析程序计算出可接受的轴承负荷,对滚动轴承可参考厂家允许的轴承负荷数据,最终实测的轴承负荷通常要向厂家咨询并由其认可。对艉管后轴承,轴和轴承中心线可接受的不中度一定要计算,这关系到艉管后轴承是否超负荷。如果经过程序计算发现数值太大,可以通过轴承斜孔使其减小以达到优化目的。后艉管轴承有时要做成斜度以与由于螺旋桨外悬挂的重量而倾斜的螺旋桨轴相配。轴承和静态轴颈位置的不中度要求小于3x10-4角度(每米轴承长度允许偏移0.30mm),见图1。轴承所需要偏移量可由简单的三角法计算,根据轴的倾斜(由对中计算软件给出);轴承长度;在轴承长度范围内的支撑点。在设计阶段,倾向于在后轴承得到一个优化斜度不中1.5x10-4角度(是0到3x10-4(角度的一半),这样正值或负值建造偏差都在公差范围内。(4)船级社规范要求。对后艉管轴承处轴径低于300mm,考虑轴系是足够弹性的,轴系对中计算因此不需要提交认可,然而,船厂有义务进行系统分析;当后艉管轴承轴径为大于等于300mm且有以下条件时,轴系对中计算要提交给船级社认可:有装齿轮箱;安装一个中间轴承,或至少有前艉管轴承;主机或中间轴承弹性安装。所有轴系对中计算要提交船级社检阅,以满足船级社轴系设计和安装标准要求。4测量的测量过程根据轴系对中计算结果,对轴系逐步进行对中,包括在建造过程中进行一系列测量。轴系安装过程分成两个不同的阶段:在船坞/船台进行或下水后进行,因此,对中顺序也分为两步,即确定轴线和确定轴法兰位置差及轴承负荷,如下所述:4.1对定位的测量和修正这种顺序从后往前进行,在参考线上设定初始光靶参考点为将来镗排中线,也是参考线。参考线通过艉管,通过前后轴封轴径中心处,同时,往前到主机和齿轮箱位置。轴承偏移通过和参考线相对位置来测量,在整个照光过程要保持一致。当艉毂镗孔结束,要进行第二次照光确认中线。如果艉毂位置正确,装艉管轴承到艉毂中,进行最终的照光。如果出现偏差,可以通过对轴承内径和外径偏移所需尺寸进行加工来进行修正。最终照光是检查艉管轴承安装,同时对前面的参考线上的主机和中间轴承位置定位。然后主机齿轮箱装上调整螺栓,安装中间轴(法兰不要连接)。如果艉管后轴承斜孔,轴系对中设计经常要求对后艉管轴承进行偏移。通常是通过偏移镗排,使轴承座倾斜或偏移加工轴承座。或者安装倾斜的不中加工的艉管轴承,或使用环氧浇铸使艉管偏心地装在艉毂上。4.2污水后轴系的中心序列下水后轴系对中顺序—确定轴法兰位置差及轴承负荷4.2.1位置差的影响下水后,螺旋桨、艉轴都已装好,这时开始安装齿轮箱,总的来说,要严格遵循厂家指导。当船下水后,通过测量两相邻法兰轴向和径向位置差,也就是曲折(GAP)和偏移(GAP)来定位,见图2。在曲折和偏移调整结束,轴系连接在一起,轴承负荷通过千斤顶升试验进行。当轴法兰螺栓连接在一起,轴承负荷已测量,且负荷在初步接受标准内时,对中过程进入一个新阶段。如果测量的轴承负荷在设计范围外,调整中间轴承或齿轮箱位置,在调整后,再次测量轴承负荷。当测量的轴承负荷在接受标准内,齿轮箱调整结束并浇铸塑料垫块。4.2.2创建内轴后部分轴系主机直接驱动的对中程序与齿轮箱相似。主机尽可能低的达到对中位置,用调整螺栓或液压千斤顶支撑,主机通过横向和垂直方向调整以达到对中偏移。最初在主机、中间轴,螺旋桨轴间进行轴系对中,通过曲折(GAP)和偏移(GAP)方法进行。由于曲轴相对齿轮箱外伸轴长度增加,推进轴系对中(螺旋桨和中间轴)仅实际影响主机曲轴后部分。根据实际情况发现外部推进轴系对中将仅显著影响后面三道主轴承负荷。主机直接驱动的轴系安装要满足以下三个总的对中标准:后三道主轴承负荷在最大和最小范围内;曲轴曲臂差在范围内;曲轴输出端法兰剪切力和弯曲力矩在范围内。实际在建造中通常要求测量轴承负荷和曲轴曲臂差,需做千斤顶负荷试验的轴承包括:艉管前轴承;中间轴承;后三道主轴承。曲轴轴承负荷分配可进一步通过曲臂差测量来检查。该测量将指示是否有满意的应力分配,如果不对中,轴颈处会有高应力。5安装工艺5.1轴系中心轴系法测量是出现误差的原因之一,主要表现为确定轴系中心线有拉线法,光学照光法,激光对中法三种方法。拉线法是确定轴系理论中心线最普通最简单的方法。这种方法是在工作区域的艏、艉两端竖立两个拉线架,其上有拉线工具,从而建立所需轴系中心线。但是由于钢丝自重下垂造成测量误差,且钢丝在空间测量较困难,所以应用范围受到很大局限。光学照光法是解决拉线法精度不高的改进工艺,依靠光在均匀介质中直线传播的原理确定点、线、面。激光对中法是以艏、艉两端轴系理论基准点为基准,精确定出轴系各临时拉线架与理论基线的交点,从而定出轴系理论中心线。目前常采用先拉线后激光对中法的方法,照光应在机舱结构到上甲板结构完整后进行。在对中测量时要特别考虑天气影响。白天太阳对左舷或右舷船体表面加热,船体会有不相等的变形,这会显著影响照光测量结果,特别是艉管。为避免这种情况发生,推荐在半夜和阴天进行测量。5.2铣排近加工孔表面的加工在镗艉毂前,结构的钢结构垂直方向直到上甲板,水平方向到机舱前舱壁要全部完成。镗排要选用合适尺寸以阻止在镗刀受力时变形,和水平重力导致的下垂。工具支撑要强壮并支撑镗排靠近加工孔表面,这样使工具变形和工具受力振动减到最小。后轴承有时要斜孔以和外挂螺旋桨重量导致的螺旋桨轴斜度相配。轴承和静态轴颈位置的不中度要求要求小于3x10-4角度(每米轴承长度允许偏移0.30mm)。设计斜度通过使镗排偏置加到艉管轴承座上。通常后轴承座前后端先粗加工,然后重置镗排到设计的偏移和斜度进行精加工。当用百分表调整镗排时,后端同心,前端中心偏移。轴承座前后端面要划参考圆,这样在加工过程中和精加工结束后可以检查。或者,在镗孔加工过程中通过同时偏移前后端获得斜度或偏移。5.3安装压力式把艉管轴承安装到轴承座有三种方法:(1)在常温下压力式安装;(2)用干冰或液氮冷却收缩式安装;(3)浇铸环氧树脂安装,见图3。5.4千斤顶顶升法轴系轴承负荷的分配是关系到轴承使用寿命的关键,通常采用轴承负荷顶升试验进行测量。它是利用轴的升高与顶升力之间线性关系,用千斤顶顶升法,记录轴的升高与顶升力之间关系曲线求得顶升部位的负荷,将此负荷乘以修正系数,即可得出被告测轴承实际负荷,见图4。测量时,千斤顶尽量靠近所测轴承,并且位于轴中心线正下方。轴承负荷可接受的公差范围是±20%。初次轴承负荷往往与理论数值不一致,因为艉管轴承无法调整位置,这时调整主机、齿轮箱或中间轴承位置高低,使各轴系轴承在负荷范围内。5.5制作方法的确定在轴系对中安装后,对主机、齿轮箱按法兰曲折偏移法使机座定位并安装固定。现代造船要求使用建造方法即高效又节约成本,在这种要求下固定垫块使用环氧树脂垫块比用钢垫块好。钢垫块安装程序需要工人有熟练技巧同时劳动强度大,所需人员多,耗时长,当使用环氧树脂时很简单并且节省时间。当环氧树脂固化,所有试验结果合格后,可安装和锁紧主机、齿轮箱地脚螺栓。6推进功能测试轴系对中的最终认可阶段是在试航时,轴系已全部安装好,并有推进功能。在试航中和试航后提交参数记录。在一些试航特定阶段,象满负荷右舵,要特别注意对轴承温度的监控。6.1千斤顶负荷试验在通常情况下,静态轴承负荷通过千斤顶负荷试验确认,试验结果与设计对中要求相比较。轴承负荷在多种船舶状态下进行确认,以使系统在以下情况有效:机器热膨胀(主机机座或齿轮箱结构);由于吃水和压载变化使船体变形。为获得这种确认,要在轴系安装好后和试航时不同的状态进行千斤顶负荷试验。最初的测量将在主机冷态(在机舱常温状态),船靠在码头,处于轴系安装的最终阶段。当船舶试航时,主机或齿轮箱机座区域温度达到40℃,在试航中或试航后进行热态测量。由于轴系