文深华，马 帅

（玉柴船舶动力股份有限公司，珠海 519175）

船舶轴系校中计算的优化

文深华，马 帅

（玉柴船舶动力股份有限公司，珠海 519175）

对船舶轴系校中计算的影响因素进行分析，同时简单介绍EnDyn软件在轴系校中计算过程中的应用，并结合实船案例分析建立轴系计算模型，进行优化校中计算，从而实现合理分布轴承负荷，对轴系设计和安装具有重要的指导意义。

轴系校中计算；轴承间距；偏移值；曲折值

0 引言

船舶推进轴系是用于将柴油机的功率传递到螺旋桨，并将螺旋桨的推力传递到船体，从而使船舶运动，它是船舶动力装置的重要组成部份，其设计的质量好坏，直接影响船舶的机动性、可靠性、经济性。轴系校中计算是将轴作为弹性连续梁进行计算分析各支承受力情况，并用调整支承位置的方法，使全部轴承上的负荷及各轴段内的应力都处在允许的范围内，或具有最佳的数值，从而保证轴持续正常运转。校中计算的目的是在任何状态下，所有支承都需要承受静态负荷，另外在船舶的各种服务状态下，柴油机的所有曲臂档差都应在允许的范围内。此种合理校中方法于 70年代开始应用于轴系设计中，从而更新了轴系设计概念和方法，使轴系运行状态大为改善。现时采用低速柴油机的大型船舶，船级社一般都需要提供其轴系校中计算书。文章将以使用校中计算软件 EnDyn介绍船舶轴系校中计算的影响因素及校中计算与优化的方法。

1 轴系校中的主要影响因素

1.1 船体变形

影响轴系的主要因素是船体变形。船体变形取决于船舶所承受的荷载状态及波浪影响情况，同一种荷载对不同的船型有不同的影响，轴系随着船体的弯曲而弯曲，但又受制于它自身的刚性。对于新建造的船舶，柴油机是在非常浅的吃水状态下进行轴系校中，这要求考虑对由于船体吃水增加而导致的船体弯曲变形提前进行补偿。根据经验，吃水越深，柴油机和轴系的底部船体拱曲变形就越大，这样#2主轴承的一部份负荷和#3主轴承的一小部份负荷会转移到柴油机输出端的#1主轴承上，即是表明：船体变形越大，需事先在#1主轴承设置越少负荷，而#2和#3主轴承上设置越多负荷。

瓦锡兰柴油机对靠近船艉的后三个主轴承的静态负荷一般要求如下：

1.2 轴承间距

优化轴承间距是船舶推进系统成功安装的关键，是轴系正确校中的前提。如果轴承间距太大，将会产生回旋振动的风险，负面影响将增加。如果轴承间距太小，在船体变形过程中轴承负荷变化很大，轴承所承受的负荷很容易超过它的设计上限和下限，甚至出现完全无负荷，从而很可能会出现以下情况：若轴系轴承中出现无负荷的轴承，那么有负荷的轴承间距会变得很大，有可能产生回旋振动的问题；若是柴油机的某个主轴承失去了负荷（通常是MB#2），由于振动，那么有可能损坏没有负荷的轴承或其它主轴承，这样柴油机就会在非设计状态下运行，同时由于此轴承无负荷，它的荷载就会需要被其它的轴承所承担，其它轴承就会出现超负荷现象。

通常校中计算要求的最大允许轴承间距采用以下GL船级社规范的经验公式计算得出：

而瓦锡兰推荐不超过最大间距的 67%～90%，至少不超过最大间距的60%～100%。表1中的数据是用于优化轴承间距的粗略建议，可供参考。

表1 优化的轴承间距

1.3 热态轴承偏移量

在热态下，轴系校中计算需要考虑主轴承受热膨胀影响的偏移量。而轴系轴承的热偏移量也应该考虑，但由于轴系轴承间的距离相当长，其影响通常可以忽略不计。主轴承的热偏移量可根据以下经验公式计算得出：

式（2）中：Δhmb为从冷态到热态主轴承的热态偏移量，mm；hmb为柴油机基座面板至曲轴中心线的距离，mm；hfound为柴油机下部滑油底舱至基座面板的距离，mm；C为修正系数，通常取0.3～0.5，取决于当前船舶的设计下，船厂的经验；teng为柴油机工作温度，℃，通常取55℃；tref为轴系校中时的环境温度，℃。

1.4 螺旋桨水动力

在动态下，轴系校中计算主要考虑螺旋桨水动力产生的轴向推力和弯矩的影响。因为螺旋桨轴向推力Tp与推力轴承反作用力Tp’之间存在一定偏心量etb，这导致在推力轴承处产生弯矩Mtb，如图1所示。此弯矩主要影响柴油机输出端的#1、#2、#3主轴承的静态负荷分布。Mtb弯矩的计算公式为：

式（3）中：Mtb为推力轴承反作用力偏心产生的弯矩，kN；Tp为螺旋桨轴向推力，kN；etb为推力轴承垂直偏移量，m；0.7为修正系数。

图1 螺旋桨推力在轴力轴承处产生的弯矩

2 轴系校中计算的过程

2.1 数学模型的建立

EnDyn校中计算采用3-D有限元曲轴模型，如图2所示。在对整个轴系进行数学建模前，需对坐标系和力的方向进行定义，通常取螺旋桨轴的末端为坐标原点，穿过艉管后轴承和前轴承中心的水平直线为轴系理论中心线Xaxis，向上垂直于理论中心线的Y正向Yaxis，指向右舷为Z正向Zaxis，附加弯矩顺时针方向为正。然后对整个轴系进行数学建模。一般情况下，轴系校中在船舶轻载压载的状态下进行，螺旋桨处于全浸没状态或部份浸没状态，艉管内已注入滑油或水，故计算重量时，需考虑浮力的影响，而Endyn软件采用浮力系数对其进行修正。

图2 3-D有限元曲轴模型

2.2 优化各轴承负荷

通过优化轴系轴承距离或修正轴承相对于理论中心线的偏移量，对轴承的静态负荷进行优化，使各轴承负荷合理布置，且符合船级社规定和文中1.1涉及的瓦锡兰对后三个主轴承的静态负荷要求，并计算出各轴连接法兰的偏移值和开口值。

2.3 计算轴承负载顶升系数

计算轴承负载顶升系数，用于轴承负荷测量时使用。EnDyn软件根据用户定义的顶升位置和柴油机曲轴模型，计算出顶升系数和生成轴承的顶升曲线图（图3）。在浇注环氧树脂前，采用液压千斤顶顶举法测量轴系中各轴承负荷，方法为在轴承附近布置一液压千斤顶，将轴逐步顶起，直至被测轴承完全与轴脱空。将测量的压力值与对应的轴升高量绘制成顶升曲线，求得代替被测轴承的千斤顶负荷，此负荷乘以顶升系数即为被测轴承的计算负荷。并用EnDyn软件计算的顶升曲线与测量绘制的顶升曲线进行核对，检验测量结果。

图3 中间轴承的顶升曲线图

3 校中计算案例分析

3.1 1236TEC MPP集装箱船

该船动力装置设计采用低速机连接定距桨的形式。柴油机选用W6X35，设计功率为5220kW，设计转速为167r/min，轴系由一根直径Φ320mm的中间轴和一根直径Φ360mm的螺旋桨轴，加上前后艉管轴承和一中间轴承组成，这是典型的轴系设计型式。中间轴承的位置距中间轴后端法兰面的距离约为中间轴长度的 1/3。为了便于调整中间轴法兰面的偏移与曲折值，在中间轴前端增加一临时支撑，平稳承托中间轴。通过EnDyn计算，在开轴状态下，确定各轴承位置，调整临时支撑的高低，调节中间轴承前端法兰与曲轴输出端法兰的偏移值，使其为0，则可确定整个轴系的偏移和曲折值。校中计算结果如表1所示。

开轴状态下各连接法兰的偏移与曲折值如图4所示。

表1 轴系校中计算结果（冷态）

3.2 44600DWT散货船

图4 柴油机与轴系连接示意图

此船的动力装置初始设计方案与上类似。柴油机选用W6X40，设计功率为5460kW，设计转速为124r/min，轴系由一根直径Φ360mm的中间轴和一根直径Φ425mm的螺旋桨轴，加上前后艉管轴承和一中间轴承组成，但由于淡水舱较短，艉管后轴承与前轴承的距离仅为最大允许轴承间距 Xmax的36.7%，而中间轴的长度也较短，中间轴承与前艉管轴承的间距也过小,仅为最大允许轴承间距 Xmax的41%，经计算发现中间轴承在运行状态基本不受力（图5）。为了优化轴承负荷，需取消前艉管轴承，并相应将中间轴承向后移动2个肋位的距离，对轴系重新进行校中计算，结果如表2和表3所示。优化计算后可看出，改变了中间轴承无负载状态，利于轴系安全运转。

由于取消了前艉管轴承，故在开轴状态，需在螺旋桨轴艏密封装置前增加一个临时支承，同时在临时支承上方增加3T的下压力，用于校中时定位螺旋桨，并且在中间轴前端也增加一临时支承，用于校中中间轴。在校中计算中通过调整螺旋桨轴临时支承的位移，使螺旋桨轴在艉管前端处上下左右的间隙相等，从而达到让螺旋桨轴与艉管轴承内孔中心同心（图6）。

图5 EnDyn计算中的运行状态轴承负荷

表2 优化前轴系热态校中结果

表3 优化后轴系热态校中结果

图6 无前艉管轴承的螺旋桨轴布置示意图

图7 柴油机与轴系连接示意图

前艉管轴承，前密封装置处轴段在运转时，将不可避免存在一定的跳动，若跳动量过大，将容易导致前密封装置的寿命减少，甚至损坏。跳动量通过计算给出，并且其值限制在密封装置的允许范围内。因此在轴系布置设计时，应尽量保证轴承间距在合理范围内，从而避免出现无前艉管轴承的情况。开轴状态下各连接法兰的偏移与曲折值如图7所示。

4 结论

文章对船舶轴系校中计算的影响因素进行了探讨，阐述了轴系校中计算的基本过程。实船校中计算及优化方案的比较对轴系设计和后续安装具有指导意义，表明了取消前艉管轴承这一非常规设计对船舶轴系的状态改善是可行的，为大型船舶轴系校中受船体变形影响这一复杂问题提供了一种切实可行的简便方法，为后续同类问题提供了解决方案。

[1] 魏颖春, 杨川. 基于有限元法的船舶艉轴轴承负荷优化[J]. 船海工程, 2011(05):62-64.

[2] 中国船舶工业总公司. 船舶设计实用手册:轮机分册[M]. 北京: 国防工业出版社, 1999.

[3] 中国船级社. 钢质海船入级与建造规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2009.

Optimization of Marine Shafting Alignment Calculation

Wen Shen-hua，Ma Shuai
（Yuchai Marine Power Co., LTD., Zhuhai 519175, China）

This paper studies the affecting factors of marine shafting alignment calculation and introduces the application of EnDyn software in the alignment calculation. Combining with actual ships, it sets up calculated model to optimize alignment calculation, to achieve a reasonable load distribution in bearings. It can be a guideline for the design and alignment of shafting.

shafting alignment calculation; bearing distance; sag; gap

U664.2

A

1005-7560(2014)01-0014-04

文深华（1982-），男，工程师，主要研究方向：船舶轴系校中和船用柴油机振动分析。