力学在船舶推进轴系设计和安装中的应用

0 引 言

随着船舶逐渐朝大型化和超大型化方向发展，船舶轴系、刚度与船体柔度之间的矛盾日益突出，推进轴系的设计和安装显得更加重要。国内外各大船厂基本上都遇到过轴系设计或安装问题，影响着船舶的按期交付或安全航行。导致船舶轴系设计和安装出现问题的原因有很多，包括：校中计算模型考虑的因素不全面，如未考虑船体的变形、螺旋桨的水动力和弯矩、轴承的油膜特性、轴承支座的刚度及轴系的振动等；船舶建造施工过程中的精度控制不到位，如艉轴管前后轴孔同轴度不良、艉管轴承加工错误等。这些问题基本上都可归结到力学范畴，以往关注较多的是大型结构件吊装、焊接变形和精度控制等方面的力学问题，本文分析力学在船舶推进轴系设计和安装中的应用，将关注点放在轮机工程上。

1 轴承负荷校中

从20世纪70年代初开始，船舶推进轴系合理校中技术逐渐在国内外各大船厂应用，并逐步实现与轴系结构设计的紧密结合。轴系的合理校中就是按照轴承容许载荷、限定应力和允许转角等限制条件决定满意的轴承位置，将轴线布置成预设的曲线形状，使各轴段内的应力和各轴承上的负荷得到合理分布，以保证轴系和与其相连接的机械（如主机曲轴、齿轮箱等）持续正常运转。

合理校中技术的发展主要表现在以下2个方面：

1) 计算方法的发展，如三弯矩法、传递矩阵法及有限元法等；

2) 从静态的校中发展到动态的校中。

1.1 规范规则的要求和研究情况

1.1.1 船级社规范

对于轴系的动态校中，国外各大船级社、主机专利商和造船厂已开展很多研究工作。美国船级社（American Bureau of Shipping，ABS）在轴系校中计算过程中考虑船体变形对轴承负荷的影响，并开发轴系状态监测系统，对轴系的运行状态进行实时监测。法国船级社（Bureau Veritas，BV）提出轴系弹性校中理论，分别考虑船体弹性、螺旋桨水动力、轴承支座热膨胀和油膜特性对轴承负荷的影响。挪威船级社（Det Norske Veritas，DNV）在轴系校中计算过程中考虑轴承支座的热膨胀、螺旋桨的水动力和油膜特性对轴系校中的影响。英国劳氏船级社（Lloyd's Register of Shipping，LR）在轴系校中计算过程中考虑船体变形、轴承支座的热膨胀、螺旋桨的水动力和弯矩等因素对轴承载荷的影响，并要求在试航期间验证艉尖舱空舱和艉尖舱满舱这2种压载状态对轴系校中的影响。日本船级社（Nippon Kaiji Kyokai，N.K.）研究船体变形的影响。主机专利商MAN Diesel& Turbo和W?rtsil? Switerland针对轴承支座热膨胀对轴系校中的影响提出相关要求，并针对船体变形的影响采取相应的补偿措施。日本川崎重工和三井重工针对螺旋桨水动力对轴系校中的影响开展相关研究。

对于轴系校中的实施过程，国内外各大船级社和造船厂也结合轴系故障高发的实际问题做了许多理论研究与实践工作，并采取了积极的纠正措施和预防措施。LR对轴系校中过程进行特别的指导，并成立专门的技术团队对轴系故障问题进行调查和研究。ABS要求对艉管的同轴度和艉管轴承的实际变位进行测量，并对艉管轴承过盈安装和轴承间隙进行跟踪验证；同时，针对轴系校中比较敏感的船型（如油船、散货船和双轴系船等），要求在试航期间采取适当的艉管轴承磨合程序。DNV要求评估轴承油膜形成所需的最低轴系转速，以确保轴系在低速状态下安全运行。

1.1.2 国内研究情况

国内一些高校、科研机构和造船厂研究分析了艉管后轴承支点、船体变形和轴承负荷影响系数等因素对轴系校中的影响，并尝试对轴系的运行状态进行实时监测，取得一定成果。上海沪东中华造船（集团）有限公司联合ABS在某液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）船上进行轴系状态监测系统的实船安装与应用，并在试航过程中通过对轴系的运动状态进行实时监测，顺利完成了轴系运转初期的磨合过程，有效规避了轴系运行的风险。上海江南造船（集团）有限责任公司通过建立艉管后轴承单点支承和多点支承的校中模型，研究支承位置的改变和支承数量的差异对轴系校中的影响。

国内各大船厂积极开展艉管镗孔、艉管轴承加工和同轴度测量技术方面的研究与应用，并采取许多积极的过程控制措施。大连船舶重工对比分析拉线法、照光法和激光法等3种艉管同轴度测量方法，并对不同测量方法的应用场合提出建议。

文章来源：《力学学报》 网址: http://www.lxxbzz.cn/qikandaodu/2021/0128/469.html