船舶主机安装工艺以及其设计改进探讨

船舶主机为船舶推进系统的动力源，主机定位安装的质量好坏关系到主机功率的正常运行和航行性能。船舶主机一般通过轴系将其动力传给螺旋桨,所以主机安装时应与轴系安装工艺要求一起考虑,本文从主机安装过程中遇到的问题，进行一些分析，提出一些观点供大家一起探讨。一、主机平整度对于散装机来说，是先按轴系中心线对准机座和曲轴，并检查连接法兰之间的平行度和同心度。先在船上调，后校。一般来说逐步控制能够很好地了解机座质量和控制主机的平整度。对于整机来说，主机本身作为类似起吊梁的两点吊点的大型设备，在调运和吊入机舱的过程中受到自身重量分布的弯距和扭距，当然会产生一定的变形，如只是一些可恢复的弹性变形，我们可以忽略；如是一些永久变形，我们需要在船上测量，在专业人员的指导下加一调整和修复。在船坞内测量记录主机吊入前后的船体主机基座的艏、中、艉的6个点绝对高度的两组数据，由数据得知船体基座的变形情况，根据其基座的变形情况，适当调节变形位置处的底角螺栓来平衡船体基座变形情况(反变形)。在此基础上进行下面的检验:1、机座的扭曲测量（1）机座本身的扭曲测量在很多船厂被忽略。主要是船体结构的变形控制问题,一旦船体结构变形能够控制住,船坞校中也是不远的问题。（2）机座的扭曲度（水平度）测量方法，在船坞整机状态，拆开主轴承上的润滑油管，在最艏和最艉的上轴承盖的油口位置放置两个专用水平仪。（建议可调式气泡水平仪，其精度和分辨率高于0.1毫米/米）机座扭曲度的测量结果应符合主机厂家的要求，即第一个轴承盖和倒数第二个轴承均在水平偏差的0.1mm/1000mm内）。如超出要求,可以调节地脚螺栓来首先满足扭曲度的要求。从而避免主机相对船体基座呈单V字型。当然主机的扭曲度调好后，需要在主机机座底部与船体基座四个角烧焊四个测量销以直观形象表征主机的扭曲，在后面的调节其他主机安装质量指标的参照，即主机平行升高，对称调节。以免乱了套。船舶主机安装质量的好坏表征首先是保证柴油机本身的扭曲度,即不仅保证曲轴和轴系理论线在一条线,而且保证主机的机座面与线是平行,并与船体舯线垂直。二、曲臂差曲轴为带有曲柄的轴,它是柴油机的最重要部件之一,基本上可以说,曲轴出了问题,整个柴油机都有问题。曲轴报废,整个柴油机就报废。究其原因首先从其功用上讲:将柴油机各缸的往复功汇总起来,并以回转运动的形式传递出去，曲轴本身还同步带动其附属设备的运转。曲轴在运转过程中的受力情况非常复杂,其兼受弯曲,扭转和压缩等多种交变周期负荷,如主机安装出现小细节未注意,将加速曲轴的扭转和弯曲变形,甚至产生裂纹和折断。因此为保护好曲轴,需要做好以下调整。★

1、在主机平整度控制好的情况下，测量曲臂差在允许的范围内。曲轴臂距差(开档差,甩档差,拐档差)测量法是检验曲轴轴心线状况的一种重要方法。通过测量只能表示在测量状态下曲轴的挠曲情况。在轴系三线校中后连接轴系螺栓后,调整合理分配轴承的静态负荷均是以曲轴的轴心线作为调整依据的。另一方面曲轴臂距差反映了曲轴挠曲而产生附加应力的大小,所以除了材料本身的性能考虑之外,曲轴臂距差的数值大小直接关系到曲轴的寿命。★

2、连接曲轴和中间轴后，测量最末端汽缸单元的曲轴甩档量，并与允许的范围数据相比较。如有必要，应抬高或放低柴油机前端（可能还有后端），在船舶的横向上移动柴油机前端，直到曲轴甩档量达到目标值，抬高或放低中间轴轴承也可能使对中达到最佳状态。★

3、在主机环氧浇注前(主机安装后复测)，最后检查一下所有汽缸单元的曲轴甩动量，应符合主机厂家的要求。如果在曲轴前端安装有较重的调频轮或减振器，对后端汽缸单元，允许有较大的极限值。★

4、对于最末端汽缸单元，在船舶压载时，为了平衡船体变形，对中采用特殊的目标值。参考MANB&W质量规范0742841-4理论上曲轴臂距差只能反映曲轴弹性弯曲状况,不能反映其永久弯曲状况,对于是否有永久跳动量,需要把曲轴放在车床或专用设备上进行跳动量测量才能定夺。考虑到船舶的实际情况,这种测量有点不现实。目前影响柴油机曲臂差的因素有很多,但主要有以下几方面:(1)各主轴承中心不同(2)基座的高度误差使机座产生变形(3)机架贯穿螺栓预紧力的影响(4)校中及主机输出轴与中间轴连接误差(5)主机运行时最大燃烧压力的差异(6)船体变形引起机座的变形在安装阶段，造成曲轴臂距差，主要是轴系和垫片的高度误差，因此在主机安装过程中，要反复测量，反复调整，保证曲轴臂距差在允许的范围内。船舶主机安装质量的好坏表征其次是曲轴拐档在合理范围内,曲轴本身也是经过多次试验论证。保护曲轴,在热态下通过一些检测控制来动态跟随保持曲轴中心与轴系理论线接近。除材料的一些表面处理,使表面具有一定的刚度,其更多考虑受轴系影响的最末端的汽缸单元,在考虑本身有限元强度的同时，也进行一些热态综合模拟论证,保证其曲轴甩档应尽可能接近一个值。三、轴承间隙主机轴承间隙测量,传统用窄塞尺,除测量误差外,窄塞尺还受测量位置限制(盘车才能测量到的位置,曲轴的弯曲)。深度分厘卡来代替塞尺,使测量简化并提高测量精度。它是利用静态下曲轴轴承正上方中心位置的润滑油孔来测量下沉量。曲轴在曲臂位于不同角度，冷静态下由活塞和连杆重力作用的扭距不一样，主轴承上的负荷也不一样，总的来说间隙越小，该轴承的负荷越大。曲轴在连续工作下，作用在曲臂上不仅包含活塞和连杆的重力作用，还包括活塞做功，汽缸爆压产生的激振力。这些交变力作用在轴承上。为了保证轴承能够承受这些力，需要一些模拟，一般白合金的最大比压为0.8MPa,最好的可以做到2.0MPa,比压越大，轴承的成本越大，因此在一种机型，在设备安全运行的要求下控制轴承的成本，一般为增大轴承面积，同时伴随的曲轴增长的成本，所以综合考虑，在有限空间和成本下，通过轴承与轴间的间隙设计，通过在主机运行的过程油膜将曲轴抬高到靠近理想轴系理论线的位置。其主要原则是所有轴承中心在柴油机运行时在一条直线上。曲轴本身是复杂的机构，在设计本身需要考虑在运行时轴承位置油膜的升力。间隙过小，虽然可以形成局部油膜，但不足将轴抬起,就会产生局部发生干摩擦，减少轴承寿命的同时也增加了轴的”磨合”。过大就会使冷态启动时，由于负荷分配不均产生振动。下面是ABS船级社对柴油机的单边负荷摩损的情况照片。因此根据理论的分析和模拟试验，有必要在轴承位置设置斜轴承，一是平衡冷态下的负荷分配，避免启动主机产生负荷分配的波动;二是动态运行情况下，足够的油在轴承的支撑处形成一定的油膜，大型主机的每个主轴承的轴承盖上都有自己的润滑管路，能够保证其供给量，较平轴承，斜轴承更有利与流向的稳定，均匀并更好的冷却轴和轴承。当然以上是主机厂家需要考虑的问题，作为船厂无可厚非地需要更好质量的主机，故有向主机厂家提出愿望。船厂能做的还有：轴承间隙应在轴系螺栓连接后测量,其结果应符合主机厂家的要求。船舶主机安装质量的好坏表征接着是轴系间隙调到合适位置,通过对轴承的检测B-WACS,控制各个轴承上的润滑油供给量.在间隙处形成稳定的油膜,此油膜相当于减振器,有效缓冲曲轴产生的振动。四、轴承负荷曲轴是柴油机最重要的部件之一，它的功用是将柴油机各缸的往复功汇总起来，并以回转运动的形式传递出去。曲轴还带动保证柴油机正常运转的各种附件，如定时凸轮轴，机带泵。同时曲轴是一个形状复杂，刚性较差的重要零件，当它安装在多个不同的主轴承上（汽缸件的）时，其轴心由于受质心的分布，静止状态下呈现波浪状态，在运转时其兼受弯曲，扭转和压缩等多种周期性的负荷的作用。因此保护曲轴，更多的是从轴承负荷尽量合理分配。在做主机飞轮负荷顶举时，需要将盘车机齿轮与主机飞轮脱开以保证所测负荷不包含齿轮与飞轮的啮合力。主机内部有多道轴承，一般对于6S50MC-C来说，需要测量第8，7，6道轴承。基于主机本身的发火顺序，第6缸和第5缸的从艉向船艏看，曲臂不可能在同一个位置，或呈180度的关系，而曲臂在不同位置，由汽缸重量在曲臂产生的力也不一样，换句话说，曲轴每转一个角度，在轴系轴承负荷的波动是变化的。在主机轴承负荷时，测哪一个轴承，需要将哪一缸的曲轴调到水平状态，取平均力。依据国外（瑞典）的研究，在测主机内部间隔号轴承，需要盘车调到该缸的曲臂（从艉看）调到水平状态。测量该轴承的平均负荷。而对于主机外部的轴承负荷，如中间轴承，他们要求第一次测量后，盘车180度后再测量一次取平均值。根据MANB&W的文件，在船舶艏、艉吃水差比较大，轴系弯曲比较厉害的情况下，主机的最后一道轴承负荷可以为零，但是不能为负值，即必须保证下轴承与轴不能脱空，更不能顶住上轴承。为避免船舶在航行时，在风浪中拐弯引起的偏心推力。船舶主机安装质量的好坏表征最后是主机轴承负荷分配合理。高负荷位置用好轴承,同时又动态检测轴承。在控制轴系振动(第2阶激振力)引起的轴承负荷偏大方面,如有限的措施不能达到这个目的,会在主机曲轴末端设置内置减振器或电子式减振器。瓦锡兰对船舶主机相对研究的比较透彻。五、顶部支撑主机顶部支撑有两种方式：机械方式和液压方式。机械方式相对成本比较低，直观，调节比较方便，船东和船厂普遍采用。最近有不少船厂持续不断接到关于侧向支撑拉裂的保修单。除去钢材本身的质量问题，还有一些安装细节需要注意:船舶柴油机不象汽车，航空业的柴油机在翻转180度还能正常工作。一是船舶本身最大横倾和纵倾的限制，二是船舶柴油机体积大，支撑点单一（底部支撑，和侧向支撑）。船舶类的轴承均是以下方间隙小，而中部间隙大的方式。因此，如前面的几方面出现一点小问题，直观的保单是反应在主机的侧向支撑的问题上。测量调节主机扭曲度，避免主机重心偏离船舶中纵线，在主机运行时，单向偏移过大，局部摇动引起的侧向支撑拉裂。甚至把船体结构拉裂。用侧向支撑板对位，实船安装时用木板（除厚度为5mm外,其他与船体侧固定板相同）作为测量校对工具。在木板上部划出椭圆孔的位置，确定船体侧的固定板的宽度，开焊接刨口。保证螺栓位于椭圆孔的正中心对称位置。MAN推荐的椭圆孔的膨胀空间15mm，允许主机左右在此范围内膨胀，避免过大的膨胀导致地脚螺栓松动，引起主机内部零件的破坏。主机定位后,标出支撑位置才能焊接船体加强筋,加强筋要支撑在顶部支撑的中心线上。连续间断焊将船体侧固定板和加强板焊在船体结构上。主机上顶部侧向支撑的摩擦片工作区域的油漆务必用柴油清洁干净，必要时打磨光滑。船体侧的固定板上同时需要保证没有油漆和光滑。摩擦垫片用AB胶粘在侧向支撑板上，主机低负荷下的热膨胀由摩擦片吸收，高负荷下摩擦片与侧向支撑板成为一个整体在光滑面上移动，避免摩擦片出现积裂和拉裂。国内不少船厂接到顶部支撑拉裂的保单，大家都是按照MAN的推荐来做。出现问题，我们有的改进的探讨意见是将上图的侧向支撑板（眼板）穿过船体结构后，与反面的加强结构对接焊，从而增加焊角，从反面加强，类似给门安装牢固的把手。当然这种意见，我们已经发给主机厂家，由他们转交给Man认可。船舶主机安装质量的好坏直观体现为主