5 600 DWT油船的推进轴系设计及强度分析

吕家将　程凭杰

摘    要：轴系是船舶动力装置的重要组成部分，軸系工作状态欠佳将引起主机油耗增加、工况恶化，甚至会导致船舶振动，影响船舶的正常航行。本文针对某5600DWT成品油船推进轴系，提出了可靠的设计方案，并对设计轴系进行了中间轴和螺旋桨轴的强度计算以及轴系的校中计算，计算结果满足规范的要求。提出的设计方案不但能确保轴系良好的工作状态，并一定程度上可提高主机的运行效率，降低船舶主机的故障发生率，提高船舶营运的经济性。

关键词：船舶;轴系;强度;设计

中图分类号：U664.21                              文献标识码：A

Design and Strength Analysis of Propulsion Shafting

Based on 5 600 DWT Oil Tanker

LV Jiajiang Cheng Pingjie

（ 1.CCS Industry Corp. Qingdao Branch， Qingdao 266000， 2. CCS Qingdao Branch， Qingdao 266034 ）

Abstract： Shafting is one of the important parts of ship power plant， the poor working condition of shafting will increase the fuel consumption of main engine， deteriorate the working condition， even lead to ship vibration and affect the normal navigation of the ship. A comprehensive and reliable shafting design scheme is put forward for the shafting system of 5 600 DWT product oil tanker， the strength calculation of intermediate shaft and propeller shaft as well as the alignment calculation of shafting are carried out. The calculation and check results meet the requirements of the ship construction rules. The design scheme not only ensures the good working condition of the ship shafting， but also improves the operation efficiency of the main engine and reduces the failure rate of the main engine to a certain extent， and thus improve the economic benefits of the ship operation.

Key words： Ship;  Shafting;  Strength;  Design

1     前言

船舶推进轴系通常由以下部件组成：推力轴（包括推力轴、中间轴和螺旋桨轴）;传动装置（主要包括齿轮箱和联轴节）;支承部件（包括各种轴承）;尾轴的密封装置以及其它各种附件。

轴系设计的主要内容，通常包括整个轴系的布置和设计，以及整个轴系的合理较中设计。船舶推进轴系的工作环境恶劣，整个轴系的尾端部分伸出船壳并长期浸泡于海水中，整个轴系受力复杂多变。例如：轴系旋转过程中要受到扭应力;主机正车和倒车换向过程中产生的拉、压应力;轴系自重引起的弯曲应力;轴系安装误差以及轴系振动引起的各种附加应力等。因此，船舶轴系设计的核心任务就是更好地解决以上不利因素，减少船舶动力装置故障发生率，延长船舶正常营运时间。

2     推进轴系设计

2.1   轴系布置

对于单轴系的船舶轴线，通常在船舶的纵舯剖面上进行合理有效布置;对于双轴系的轴线，往往采用两弦对称布置的方式;对于三轴系的轴线，通常在船舶的纵舯剖面上布置一根，余下两根两弦对称布置。轴线设计通常为从主机伸向船舶的尾部，个别为了靠离码头方便，除了具有尾部轴线外还可能也布置有首部轴线。

本船为单机、单桨、尾机舱型船舶，主机为一台中速柴油机，轴线布置在船舶的纵舯剖面上。其设计原理图如图1所示，相关的数如表1所示。

2.2   轴系长度

轴系的长度和安装位置，主要由螺旋桨的中心及主机输出轴的法兰中心所确定，对应的长度需要考虑内、外部的尺寸大小。其中：外部尺寸是指由船体线型确定的尾柱轴毂的位置，需满足桨叶与船体之间具有合适的间隙，以便于螺旋桨的进水，从而增加螺旋桨在船舶航行时的推进效率;内部尺寸是指满足船体线型前提下，齿轮箱的箱座和主机的机座应适当朝尾部靠拢，目的在于减小轴系的长度，降低成本，有利于机舱的布置。

根据本船尾部线型图和机舱的布置，计算出尾轴的长度为6611 mm;中间轴长度为889 mm;对应轴线（齿轮箱输出端至螺旋桨的距离）总长度为7500 mm。轴系设计详图，如图2所示。

对于整个轴系而言，处于尾轴端的螺旋桨自身的重量比较大，船舶航行時主机轴系拖动螺旋桨旋转，悬臂处于动载荷状态，由此决定了尾轴承的间距不能过大。本船尾轴的基本直径D=300 mm，其中轴承间距L与尾轴基本直径D的比值，推荐如表2所列。

表2  轴承间距L与尾轴直径D比值推荐表

对传统的尾机型货轮或油轮，由于受船舶机舱空间大小的限制，轴承间距L与尾轴基本直径D的比值仅有8～9甚至更小，所以尾轴前轴承长度Li1通常取0.8～1.5倍尾轴基本直径D。根据规范要求，结合本船实际情况，本船Li1取450 mm;，根据规范要求，靠近螺旋桨的最后一道轴承长度Li2应大于2倍直径D，本船Li2取为900 mm;尾轴承采用白合金轴承。

2.3   螺旋桨轴长度与锥度

螺旋桨轴的尾部主要用于安装螺旋桨，在船舶航行时起到承受和传递负荷的作用;尾端的锥形部分，主要用来承受主机处于正车状态时的推力，而固定螺母主要用来承受主机处于倒车状态时的推力。

进行轴系设计时，通常按照以下经验数值和公式进行估算：

（1）锥度值K与小端直径dxz以及大端直径dtz之间的关系式如下：

3     轴系强度校核

船舶轴系所承受的负荷复杂，如：主机的扭矩、轴与螺旋桨的自身重力、螺旋桨的推力以及各个轴承的反作用力等。所有负荷分为静负荷和动负荷两种，目前对轴系的强度校核方法较多，通常是按经验公式进行估算。

本文采用经验公式估算各种应力，其计算结果合理，可靠性高，实用性强。

3.1   中间轴

3.1.1 螺旋桨推力计算

在计算轴系强度时，应先按下式估算螺旋桨的推力，

3.1.2中间轴强度计算

（1）由主机扭矩引起的剪应力

3.1.3中间轴弯曲应力计算

中间轴本身具有一定的质量，对应的弯曲应力按下式计算：

3.1.4中间轴压缩应力计算

3.1.5中间轴合成应力计算

3.2  螺旋桨轴

螺旋桨轴浸入海水中受到相应的浮力，在船舶航行时受到悬臂动载荷作用，其受力情况比较复杂，对螺旋桨轴的强度计算采用了传统的弯曲应力影响系数的方法进行估算。

3.2.1尾轴剪切应力

3.2.2尾轴压缩应力

3.2.3尾轴合成应力

3.2.4尾轴强度校核

4     轴系校中计算

轴系校中，就是在船舶轴系设计计算过程中，合理确定每一个中间轴承和对应尾管轴承的间隔距离以及垂直高度位置，从而保证每一个轴承所承载的负荷均能在允许范围内满足均匀分布的要求。轴系校中的目的，在于合理分配每一个轴承上的负荷、合理分配轴系上的弯矩，确保整个轴系正常运行时不会在允许的偏中情况下受到较大的影响，确保主机运行时整个轴系工作的可靠性。

4.1   弯矩计算

进行轴系校中计算时，采用COMPASS软件对本船设计的轴系选取了9个截面位置进行计算，共有10个支座。现把第i个支座的左右两跨梁脱离体作为本船设计的研究对象，如图3所示。

4.3轴承反力

5     结束语

本文对5 600 DWT成品油轮的轴系系统进行了轴系强度校核和校中计算，计算结果满足建造规范要求，说明本文采取的设计方案正确、合理。

参考文献

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