典型商船轴系布置与结构设计Word文件下载.docx
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5.2轴线及轴线的长度的确定..........................16
5.3轴线的布置......................................16
六、传动轴、轴承的布置...............................18
6.1传动轴系概述....................................18
6.2中间轴及中间轴承................................19
6.3推力轴和推力轴承................................20
6.4螺旋桨轴、尾轴及尾轴装置........................21
6.5螺旋桨的布置要求................................23
6.6尾轴密封装置....................................23
6.7尾轴管的润滑和冷却..............................25
七、轴系合理校中设计..................................25
7.1计算轴的基本直径................................26
八、船舶轴系安装.....................................26
8.1确定轴系理论中线................................27
8.2精确拉线........................................27
8.3船台镗孔定位....................................27
8.4安装尾轴管装置、尾轴和螺旋桨....................28
8.5尾轴的安装......................................30
8.6防止轴的腐蚀....................................31
九、结束语............................................32
致谢..................................................32
参考档案..............................................33
前言
在人类文明发展的历史长河中,船舶始终伴随着人类,并且为人类的文明和进步服务。
今天,海洋运输是国际间商品交换中最重要的运输方式之一,据统计国际贸易的85%以上仍然依赖船舶。
由此可见,船舶对我们人类发展的重要性。
但是由于船舶长时间在恶劣的海洋环境中,对船舶的正常使用能力有了限制。
轴系是船舶的动力传输系统,在海洋环境中所受的影响更为重要,同时还受到船体变形、载重等影响。
如果轴系设计布置或安装不当,往往会导致轴系摩擦部位发热和剧烈的磨损,甚至发生轴断事故,一旦轴系发生故障,就会迫使船舶停航或进坞检修而影响经济效益,因此在进行轴系设计时必须严格要求。
特此我们展开了对典型商业船舶轴系的研究。
一、概述
船舶轴系是船舶动力装置中重要组成成分,连接主机与螺旋桨,将主机发出的功率传递给螺旋桨,同时又将螺旋桨所产生的推力通过推力轴承传给船体,以实现推进船舶的使命。
船舶轴系是由推力轴、中间轴、艉轴、推力轴承、滑动轴承、联轴节、螺旋桨等组成的复杂系统,对于间接传动的推进系统,除了上述传动轴及轴承以外,还有离合器、弹性联轴器和减速齿轮箱等部件。
二、轴系的任务、组成与设计要求
2.1轴系的基本任务
船舶轴系是船舶动力装置中的重要组成部分,承担着将主机发出的功率传递给螺旋桨。
再将螺旋桨产生的轴向推力传递给船体实现推船航行的目的。
船舶轴系的结构较为简单。
但作用十分重大,维护管理好轴系,对保证船舶的安全航行至关重要。
2.2轴系的组成
轴系的组成主要包括传动轴(中间轴、推力轴、尾轴或螺旋桨轴等)、轴承(中间轴承、推力轴承及尾轴承等)以及轴系附件(刚性连轴节、轴系制动器、隔舱填料函等)三个部分。
图2—1轴系组成
1主机;
2推力轴;
3推力轴承;
4中间轴;
5隔舱壁填料函;
6中间轴承;
7尾轴;
8尾轴毂;
9尾轴管;
10人字架;
11螺旋桨;
12进油管;
13尾轴润滑油泵;
14回油泵;
15尾轴油柜
推力轴2它的前端法兰与主机(或齿轮箱)的输出法兰相连,后端法兰则与中间轴法兰相连。
推力轴和推力环形成一个组合部件。
推力轴承3推力轴承牢固固定在船体结构上。
它承受螺旋桨通过推
理环传递来的轴向推力,并把推力传递给船体。
中间轴4用以连接推力轴和尾轴(桨轴)。
中间轴的数目和长度是根据船舶的大小、机舱的位置,以及机床的加工能力等条件决定。
隔壁填料函5用以保证轴系通过水密隔壁时不影响隔壁的水密性。
中间轴承6承受中间轴的径向负荷和重量,以减小传动轴产生的挠度。
尾轴(或称螺旋桨轴)7一端与中间轴相连接,另一端与螺旋桨轴(或螺旋桨)相连接。
一般中小型船舶的尾轴即为螺旋桨轴。
尾轴承8用以支撑尾管。
尾轴管9支撑于尾轴承并承受尾轴作回转运动时所产的激振力。
在尾管前后端,设置密封元件,用以封油和封水。
人字架10固定在船体上,用来支承伸出在船体外的尾轴和尾管的重量。
2.3轴系的要求
由于轴系位于水线以下,一部分轴系长期浸泡在水中,工作条件恶劣,受力复杂:
同时受到船体变形、装载等影响。
要求包括以下几个方面:
1、工作可靠且有较长的使用寿命。
2、尽量采用标准化结构。
3、传动损失小,以提高推进效率。
4、良好的抗振性能。
5、对船体变形的敏感性小。
6、良好的密封性。
7、质量、尺寸要小,提高船舶运行的经济性。
三、轴系的种类和工作条件
3.1轴系的种类
3.1.1单轴系
单轴系轴线布置于船体的中纵剖面上,并平行于船体基线。
单轴系的长度主要由中间轴数目来定,而中间轴的数目则取决于机舱位置。
中机舱的中间轴数量多,轴系长。
凡具有两节或两节以上中间轴的轴系称为长轴系;
尾机舱的中间轴数量少,甚至没有中间轴,轴系较短。
凡具有一节中间轴或无中间轴的轴系称为短轴系。
轴系短不仅便于船舱布置、节省船舶建造费用,而且便于维护管理。
所以日前造船趋势都是采用尾机舱或近尾机舱的船舶结构。
单轴系的特点是:
直接传动、结构简单可靠、传动损失小,便于操纵。
单轴系多用于大型海船、拖轮及内河中小型船舶,如油船、集装箱船及散货船等。
图3-1单轴系
1.机舱后隔舱填料函2.中间轴3.中间轴承4.尾轴5.尾隔舱填料函6.尾轴管
3.1.2双轴系
两个轴系分别平行对称布置在船体中纵剖面的两侧,相对体船基线略有倾斜,以保证螺旋桨充分没入水中。
由于船体结构的限制,螺旋桨至尾轴管距离较远,尾轴较长,需在船体外部设置人字架托住悬伸于船外的尾轴。
为了便于拆装将尾轴分为两段制造,中间用联轴器连接。
在船体尾轴管内的轴段仍称为尾轴;
悬伸在船外的轴段与螺旋桨连接,并由人字架支承,这段轴称为螺旋桨轴。
双轴系船舶具有高速、机动性好和生命力强的特点。
但双轴系结构复杂、配套设备多,如双轴系为双机双桨,建造和修理工作量大,费用高。
一般多用于客船和军用舰船。
图3—2双轴系
1.中间轴;
2.机舱后隔舱填料函;
3.滚动式中间轴承;
4.液压联轴节;
5.尾轴;
6.尾轴管
3.2轴系的工作条件
船舶轴系的主要零件----中间轴,艉轴等虽然结构简单,但尺寸大,重量大,一般轴长无与轴径D之比超过10,所以是扰性轴,容易产生变形。
轴系位于船体水线以下部位,运转时不仅受到主机传动的扭矩作用,轴系自重引起的弯曲变形,而且还受到螺旋桨产生的阻力矩和推理作用。
此外,还受到轴系校中,安装,船体变形,船舶振动及螺旋浆水动力等引起的附加应力的周期作用。
船舶的紧急停车,频繁的动操车,或者在台风大浪中剧烈摇摆时,上述情况就更加严重,并使轴承负荷加重。
传动轴工作表面与轴承的相对运动还会产生过度磨损,在海水和滑油介质中受到腐蚀。
所以,船舶轴系在运转中会产生声音异常,振动,轴承温度过高,传动轴磨损加剧,密封装置泄漏等损坏,严重对甚至产生断轴事故。
四、轴系的布置
4.1轴系布置的设计流程
首先确定轴线及轴段的配置;
再决定轴承位置和间距等,绘制相关草图,再根据规范计算确定了基本轴径,且轴的主要尺寸初步确定的前提下,即可进行轴系的强度校核。
有鞋船舶轴系还要进行必要的震动计算和合理校中计算。
然后进行轴系部件结构设计及选型。
最后绘制轴系布置图。
艉轴尾管总图及有关部件图纸。
4.2轴系布置设计前提及内容
4.2.1轴系布置设计的前提
船舶总体设计,包括船舶主尺度、线型、总布置及结构设计完成之后,机舱位置、主机和螺旋桨选型已初步确定。
图4—1远洋万吨级货船单轴系布置图
1.尾管装置;
2.尾轴;
3.4.5.螺栓、螺母、开口销;
6.10.11.15.中间轴;
7.8.9.螺栓、螺母、开口销;
12.栏杆支柱;
13.中间轴承;
14.隔舱填料函;
16.备用尾轴
4.2.2轴系布置设计内容
轴线数目、长度、位置及布置确定、轴承的设置、轴段配置、轴承的布置。
主机(或推进机组)输出法兰中心与螺旋桨中心的连线称为轴线,也称轴系理论中心线
4.3主机布置原则
对称布置:
考虑到设备重量的平衡以及布置和操作的便利。
1、单轴系的轴线一般布置在船舶的纵中剖面上;
2、双轴系的轴线一般对称布置于船舶纵中剖面两侧,即对称布置在船舶两舷;
3、三根轴系的船舶,一根布置在船舶的纵中剖面上,其余两根对称布置在左右两舷。
多轴系的间距由船舶总体设计确定。
五、轴线的数目、长度、位置及布置
主机(或推进机组)输出法兰中心与螺旋桨中心的连线称为轴线,也称轴系理论中心线。
5.1轴线的数目
轴线的数目取决于船型、航行性能、生命力、主机型式和数量、经济性、可靠性等因素。
轴线的数目早在总体初步设计阶段已决定。
例如:
1、大型货船、油船多采用单轴线;
2、对于要求航速高、操纵灵活、机动性好、工作可靠,而吃水受到一定限制的客船、拖船、集装箱船及其他有特殊要求的船舶,多采用两根轴线;
3、军船为了提高生命力、航速和机动性,多采用三根,甚至四根轴线。
5.2轴线及轴线的长度的确定
轴线是一根线段,它的长度与位置决定于两个端点。
前端点为主机(或推进机组)的输出法兰中心,后端点为螺旋桨的桨毂中心。
在轴线总长度确定之后,统筹考虑船体尾部线型和结构、隔舱壁位置、各轴承负荷情况、工厂的加工能力以及轴系在机舱内的装拆要求等因素,决定螺旋桨轴、中间轴等传动轴的配置及各轴段长度。
5.3轴线的布置
传动轴系通常由位于同一直线上的轴联接起来,这种位于同一直线上的轴中心线称为轴线。
商船轴线的数目一般不超过3根;
远洋货船往往用1根,一些船速较快、经常进出港口的客船或集装箱船往往用2根。
单桨船的轴线布置在纵中剖面上,双桨船的轴线常对称布置在两舷。
由于机舱位置的不同,轴线的长度差别很大,尾部机舱的轴线较短,有的不用中间轴,而使推力轴直接和尾轴相连。
船中机舱的中间轴段数目较多,轴线往往很长,这时在机舱和尾尖舱必须围成水密的走廊,以使轴系与货舱隔开。
此水密走廊称为轴隧或地轴弄。
轴隧用水密门与机舱相通,水密门的开关应能两面操作并在机舱以外进行远距离操作。
隧顶一般高2M以上,隧宽应能保证人行和检修。
隧道的尾部一般设有逃生洞(孔)、此孔通过钢梯直通船尾甲板,航行中逃生孔在尾甲板的水密门不应上锁,以便应急时使用。
同时轴隧的尾部常留有较大空间,供存放备用尾轴及其专用工具和附件。
如图1-4
图5—1轴线的倾角α和偏角β
在主机位置和螺旋桨的位置确定后,轴线位置和长度便可决定。
轴线首尾两个端点中,前面一个是主机功率输出端法兰中心,后面一个是螺旋桨中心。
理想轴线位置最好与船体的龙骨线(基线)平行,而在多轴线时,轴线还应保持与船纵中剖面相对称。
但是理想的轴线难于实现,通常为保证螺旋桨有一定的沉深,不得不使轴线向尾部倾斜一定的角度,即单轴系:
轴线与龙骨线不平行,一般倾斜角α=0-5°
;
而双轴系船为保证双桨工作时不造成干扰,允许轴线在水平投影面上离开纵中剖面偏斜一个角度,即双轴系:
除倾斜角外,双轴线本身也不平行,一般偏斜角β=0-3°
。
当轴线出现倾斜和偏斜时,螺旋桨输出的推力将受到损失,这一方面是由于螺旋桨推力与船舶运动方向不一致,另一方面轴线倾斜使轴系重量产生方向朝后的轴向分力而抵消了一部分推力。
六、传动轴、轴承的布置
6.1传动轴系概述
此水密走廊称为轴隧或地轴。
从曲轴动力输出端法兰到螺旋桨间的轴及其轴承统称为传动轴系,简称轴系。
轴系的组成组要包括:
中间轴及中间轴承、及推力轴及推力轴承、尾轴或螺旋桨轴及尾管内的尾轴承
将主机曲轴的动力矩传给螺旋桨,以克服螺旋桨在水中转动的阻力矩;
同时又把螺旋桨产生的推力传给推力轴承,以克服船舶航行中阻力。
1扭矩M=60/2·
P/n·
10³
=9.55P/n·
(N·
m)(公式4-1)
式中:
P——轴传递的功率,kw;
n——轴的转速,rpm。
2推力T=1.852x2/60Pp·
ηp/V(公式4-2)
=1.94Pp·
ηp/V(KN)
式中:
Pp——螺旋桨吸收的功率,kw;
V——船舶的航速,kn;
ηp——螺旋桨的效率。
ηp=TxVp/Mx(2πn)
3工作条件:
(1)轴承承受很大的扭矩和推力,扭矩产生扭应力,推力产生压应力(当正航时);
(2)自重产生弯曲应力;
(3)附加应力,包括安装误差、船体变形、轴系扭振及纵横振动、螺旋桨不均匀水动力产生;
(4)附加弯曲应力:
风浪天中螺旋桨上下运动引起的;
(5)轴与轴承摩擦造成磨损;
(6)尾轴管轴承用海水润滑时还受到海水腐蚀。
对轴系的要求:
足够的刚度和强度;
传动损失少;
对船体变形适应性好;
工作中不产生扭振,纵横振;
良好的密封、润滑和冷却;
维护管理方便。
6.2中间轴及中间轴承
6.2.1中间轴及中间轴承作用
图6—1中间轴及中间轴承
作用:
连接推力轴和尾轴,传递扭矩及推力,承受中间轴重量,轴线定位。
中间轴承底座通过螺栓与船体刚性连接,船体因受水压、装载等因素影响而产生变形(尤其垂向),轴承随之变位,从而产生附加负荷。
R=K·
EL·
△/L3(公式4-3)
当变位量△一定时,轴承间距愈小,当轴承变位时,它对轴线的牵制作用愈大,其附加负荷也愈大,故轴承的间距太小是不利的,应对它有所限制。
6.2.2中间轴的强度校核;
(1)由主机扭矩引起的扭应力;
(2)由螺旋桨推力所产生的压缩推力;
(3)由中间轴重量所产生的弯曲应力;
(4)由安装误差引起的附加弯矩应力;
(5)合成应力;
(6)安全系数:
许用安全系数一般由经验确定,可以考虑以下几个方面:
a.轴的负载情况;
b.材料的性质及加工和装配质量;
c.军用船舶轴系的工作条件比商船有利,计算轴径按最大负载计算依据的。
6.3推力轴与推力轴承
在船舶轴系中,推力轴的一端与发动机或齿轮相连接。
它的轴颈略大于中间轴,长度通常较短,只要能与推力轴承匹配就足够了。
推力轴的两端的结构有整锻法兰式和可拆联轴节式两种,除了用滚动式推力轴承的的推力轴外,一般使用滑动式的推理轴均为整锻法兰型式,并设有推力环。
在推理换的两侧有推力块与其配合,用来承受和传递螺旋桨的推力。
1、作用:
将螺旋桨产生的推(拉)力通过尾轴、中间轴和推力轴作用到推力轴承上,并通过推力轴承传给船体,即传递推拉力;
同时为轴系轴向定位;
在曲轴和推力轴直接连接时也给曲轴轴向定位。
为减少轴系挠度而设置的支撑点,承受中间轴的重量以及轴系变形和各种形式的运动造成的附加径向负荷。
2、分类:
(1)、按轴承形式分为:
滑动式与滚动式(常用双列向心滚子轴承,用于小型船);
(2)、按润滑方式分为:
单油环式(小型船)、双油环式与油盘式(用于中大型船舶)。
油环式通常无上轴瓦,过去双油环滑动式中间轴承为多见;
油盘式中间轴承一般有上瓦,油盘紧固在轴上,装在后部,目前则多采用固定油盘式中间轴承。
下图为整锻法兰式推力轴:
图6—2整锻法兰式推力轴
1-连接法兰;
2-轴干;
3-甩油环;
4-轴颈:
5-推力环系轴向定位
3、工作原理(推力传递过程,图4-3-3):
螺旋桨的推力→推力环→推力块→调整圈→轴承座(船体);
推力轴承工作中是在液体动力润滑条件下,靠轴的回转所建立的动力油压来传递推力的。
螺旋桨→推力环→油膜→推力块→推力轴承座→船体
6.4螺旋桨轴、尾轴及尾轴装置
6.4.1尾轴
尾轴(图6-3)是穿过尾轴管伸出船尾的轴。
在单轴系船上它是轴系中最末一段轴,其首端与最后一个中间轴法兰相连,尾端安装螺旋桨,也称螺旋桨轴。
尾轴管装置布置在船体尾部,其任务一是支撑螺旋桨轴,二是保持船体的水密,防止弦外水的大量漏入或润滑油的外泄。
图6-3尾轴
按图结构分别又:
法兰A(或可拆联轴器时带锥度前端有螺纹)、轴干B和D、轴颈C(最后一道中间轴承)、轴颈E(尾轴管总成、包括尾轴管本体、尾轴承、首尾密封)、锥形轴F(装螺旋桨的轴段,有键槽)、螺柱G组成。
材料:
优质碳钢
法兰连接螺栓:
紧配螺栓
水润滑尾轴管有防腐铜套:
用于防止海水腐蚀和减少轴与轴承磨损。
分段组成,接缝处搭叠,红套后滚压辗平,防止海水漏入配合间隙,使轴遭受腐蚀。
尾轴轴干裸露在海水中的部分,一般涂有玻璃钢保护层。
6.4.2螺旋桨与尾轴
联接方式:
(1)机械联接:
锥面配合键连接,后螺母紧固,螺柱螺纹方向与螺旋桨正转方向相反,正车时自动锁紧,倒车时靠螺母外侧所设的防松片来防止松动。
螺母外边设导流罩(水密),以减少螺旋桨水动力损失及防止螺纹锈蚀,用螺栓固定在桨毂上。
(2)液压无键联接:
螺旋桨装在轴上,用油泵将压力
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