内河船舶艉轴安装工艺探讨

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摘要：船舶艉轴的功能是将发动机发出的功率传给螺旋桨并将螺旋桨产生的推力给船体，使船航行。

艉轴系统的安装是完成主机到螺旋桨的整个轴系中的尾管及尾管轴承，螺旋桨与桨轴的安装，中间轴及中间轴承，推力轴及推力轴承等部件的安装任务，同时还涉及到主机的安装过程。

内河船舶艉轴安装工艺的先进与否，直接影响到船舶航行推进效率的提高，也是保证航行安全和航行速度的重要因素。

前言

首先，对艉轴工作条件的分析。艉轴在传递主机功率的过程中，除受到推力、压力、拉力、扭力、弯力的作用外，还受到以下负荷的作用。

1、装螺旋桨的一端是悬臂梁（指有人字架），使之承受交变数值较大的应力，容易使轴疲劳破坏；

2、螺旋桨的应力和机械的不平衡力（指螺旋桨推进中产生的回力），使轴承或轴套受周期性变化的负荷；

3、轴承的不均匀磨损使轴承间隙过大或轴与轴套的磨损增大，轴线沉陷，形成轴线不正，导致弯曲应力增加；

4、在风暴中航行时，螺旋桨会空转和深沉，使艉轴产生附加的动力负荷；

5、螺旋桨产生的绞缆，撞击水下杂物时会产生很大的冲击负荷；

6、船舶急转弯、增大离心力和艉轴的转速变化对艉轴所引起的附加动力增大负荷；

7、由于水的腐蚀疲劳的相互作用，则会产生“腐蚀疲劳”。使艉轴的持久极限在一定的工作周期后会降得很低甚至为零（指尾轴江海水冷的时候）。

因此，艉轴必须具有足够的强度储备，良好的耐磨性，可靠的防腐措施以及合理的工艺结构。如何合理改善艉轴的工艺结构和与冷却，，使得船舶向着安全、节能、高效方向发展呢？

一、艉轴的传统安装工艺

内河船舶艉轴的安装工艺，一开始的时候，采用的是硬木轴套支承艉轴运转方式，后因硬木容易腐烂，便改用橡胶轴套支承；但橡胶轴套容易卡死，水效果差，便又改用塑胶王合金钢套；塑胶王合金钢套容易磨损并漏油，又改用青铜合金圆珠滚动轴承。一般前轴承长度约为250 mm，后轴承长度约为450mm，轴承内开有一条S型油槽，以供艉轴冷却。经使用该轴承的效果是艉轴磨擦力较大，轴承磨损较快并且磨损不均匀导致艉轴高速运转时发生晃动现象，缩短了艉轴的使用周期寿命，还容易出现漏油漏水现象，造成河道污染。

以上几种艉轴安装工艺都不同程度存在艉轴的使用安全隐患，通过对艉轴高速运转时晃动产生的危险断面情况分析，可以有效地避免艉轴断裂的危险和延长艉轴的使用寿命，提高推进效率及安装安全系数。由于艉轴各截面在推进中的扭应力和倒车的拉应力都相同，故弯曲应力最大处即为其危险断面。计算时，把艉轴看成等直径的圆轴，不考虑轴套（指轴承与轴套支力点），保护层及邻近轴段对艉轴的影响。这样简化后，艉轴便成为自由支承两个轴承上的简支梁，且一端有悬臂，作用看一个集中载荷——螺旋桨。在剪力弯矩图上可以看出最大弯矩发生在后托架轴承处，考虑到托架轴承属均布载荷，故艉轴的危险断面通常在后托架轴承的边缘附近的轴颈发生过渡的区域，即E—E截面。且其弯矩值：

其中：QP———螺旋桨及附件的重量（KN）

C——螺旋桨至后托架轴承中心的距离（m）

RA———后托架轴承的支承反力

L1——后托架轴承长度（m）；两轴承的跨距（m）

轴自重产生的均布载荷

DW——艉轴径（m），r：艉轴密度（KN）

二、艉轴安装新工艺的特点

我们在多年的工作中不断尝试使用圆珠滚动和条珠滚动组合轴承作为螺旋桨轴的轴承，前轴承青铜合金，长度约为150mm的滑动轴承，加两个万向滚动轴承，后轴承是长度约为200mm青铜合金轴承加3个滚动轴承，密封装置为前3个后5个的橡胶弹簧式O型密封圈。经过实船对比，滚动和滑动组合轴承与单纯的滑动轴承相比具有艉轴冷却效果好，输出动力足，传动效率高，使用寿命长，不磨损轴颈和价格低廉。艉轴及轴承容易形成系列化，更容易相互更换等优点，且取得了比较好的航速和节油效果。

1、发明艉轴新工艺的背景

现在建造的船舶基本上使用的都是滑动轴承与滚动轴承组合的艉轴承。滚动轴承虽然在一些内河船舶使用效果良好，仍然缺少船舶规范的技术支撑。现行船舶建造规范对船舶推进系统主推进轴及其传动装置的轴承选择没有作出明确要求。只是规定了如果选用滑动轴承时其轴承温度不应高于700C，选用滚动轴承时其轴承温度不应高于800C。但规范对滑动轴承的材质、布置及其艉轴管轴承的长度选择却做了比较详细具体的规定，而对滚动轴承的类型选取及安装却没有论述。因此，船舶设计部门在艉轴管轴承的选取上，一般都会选取滑动轴承，这样比较方便而且更容易满足规范的要求。但是，随着航道条件的改善和技术的进步，艉轴加工和密封技术的不断提高，我们认为，使用新的铜套与钢珠内套循环油冷系统组成复合内套的内河船舶艉轴工艺作为内河船舶艉轴轴承的条件更有利于船舶推进系统的先进性，应予以推广。

这是因为铜套与钢珠内套循环油冷系统组成复合内套的内河船舶艉轴工艺与旧式单纯使用滑动轴承相比有以下优点：

（1）新铜套与钢珠内套循环油冷系统组成复合内套结构和工作原理保证了它的运动摩擦系数较低，所受摩擦力较小，有较好的机械效率，在机械设备运转过程中能保持较低的功率消耗，且起动性能好。

（2）新铜套与钢珠内套循环油冷系统组成复合内套有很好的精度和转速，能满足多种机械设备的运转要求。滚动轴承在设备运行中受到的摩擦小，磨损低，使用寿命较长。

（3）铜套与钢珠内套循环油冷系统组成复合内套的结构紧凑、体积小，重量轻，安装拆卸方便。滚动轴承的各个部件实现了尺寸的标准化，更利于滚动轴承部件的互换，使其更易于维修和保养。

（4）滚动轴承多数使用轴承钢作为主要材质，加上标准化，系列化的部件设计和生产，质量有稳定保证。

（5）艉轴与滚动轴承内圈没有相对转动，不磨损艉轴轴颈。

由此可见，船舶艉轴承使用铜套与钢珠内套循环油冷系统组成复合内套，不但有利于提高艉轴的机械效率和转动性能，更有利于保护艉轴不受磨损，而且也有利于艉轴加工形成系列化、标准化，提高艉轴、轴承的做工效率和互换性，是艉轴工艺改良发展的必然趋势。

2、新工艺技术计算探讨

前面已经叙述了内河船舶艉轴旧工艺的缺点和新工艺的优点以及新工艺取代旧工艺的必然趋势。那么，新工艺技术计算上是否都可以满足内河船舶的航行需要呢？

（1）艉轴直径计算

艉轴直径的选择根据选定主机的标定功率和转速以及齿轮箱的减速比，按照《内河钢质船舶建造规范》有关轴的直径公式，可以很直接计算得出不同标定功率、转速及减速比的船舶艉轴直径。

（2）轴承负荷计算

由于滚动轴承的选取是根据轴承承受负荷为条件结合滚动轴承性能表的额定负荷进行比较选择。因此，使用滚动轴承作为艉轴轴承时也应按《内河船舶设计手册》（1995）的要求进行静动负荷校核。

（3）轴承静负荷计算

艉轴承的静负荷计算时一般考虑螺旋浆、联轴器法兰和传动轴本身的重量；内河船舶的轴承一般为双支承，双支承的艉轴承负荷可按双支简梁计算，其轴承所承受之总压力如下：

四、后轴承所承受之总压力：

前轴承所承受之总压力：

式中：qc―本身重量产生的均布负荷

QB―螺旋浆及附件的总重量，kg。

G0―可拆法兰重量，kg。

（4）轴承动负荷计算

由于现在广西建造的内河钢质货船一般只有螺旋浆、无中间轴，其主机及减速装置及艉轴额定转速普遍关系如下：（r/min）

根据《内河船舶设计手册》对于转速N>10r/min的滚动轴承，可按基本额定动负荷计算值选择轴承，然后校核其额定静负荷是否满足要求。由上表可见，广西内河船舶艉轴额定转速一般都大于300r/min，对于轴承的额定静负荷基本可以忽略不计，只需校核基本额定动负荷。

基本额定动负荷C可按以下公式计算：

式中：C―基本额定动负荷计算值，N；

fh―寿命系数，船用轴承按100000h计算；

滚动轴承取4.90；球轴承取5.85；

fN―速度系数，按表2选取；

fM―力矩负荷系数，船用轴承取2；

fd―冲击负荷系数，船用轴承取1.2―1.5；

Cr―轴承尺寸及性能表中所列基本额定动负荷，N；

P―当量动负荷，N；

轴承在大多数应用场合，常常同时承受径向负荷（支点反力）和轴向负荷（螺旋桨推力），因此，在进行轴承计算时，必须把两种负荷转换成当量动负荷。其一般计算公式为：

P=XF+YF

F―径向负荷，N；即轴承支点反力。

F=IL（或R） F―轴向负荷，N；

其中：P―主机最大功率，KW；

V―船舶航速；

Kn―螺旋桨效率，客船和货船-qP0.6―0.8

X―径向系数，在轴承性能表中给出，查轴承性能表；

Y―轴向系数，在轴承性能表中给出，查轴承性能表。

（5）根据机械设计原理和手册，滚动轴承选择基本原则

①根据负荷大小、方向和性质，相同尺寸的滚子轴承的承载能力 比球轴承较大，承受冲击载荷的能力也较强；当只承受径向载荷或轴向载荷时，应选用 向心轴承或推力轴承；当同时承受径向和轴向载荷作用时，应根据轴的载荷情况，选择向心推力或推力向心轴承，但船舶艉轴径向载荷一般很小，可以忽略不计，因此，船舶艉轴承一般选择推力轴承就已满足要求。

②根据艉轴转速选取：由于各种原因，广西内河船舶使用的主机标定功率一般在220KW以下，经过计算艉轴的基本直径在100mm附近，轴承位置直径一般为110ram或120mm，艉轴直径一般没有大于200mm的，其轴颈圆周速度一般小于5m/s，其转速较大，一般宜选用滚子轴承。

③根据机械对调心性能的要求，艉轴由于安装的需要和周边材料的机械性能，一般具有倾斜性和挠曲，考虑到船体的变形会引起轴系不对中偏差，按照滚动轴承性能一般应选用调心轴承，并且前后轴承必须同时选用调心轴承，这样可容许有轴向自由移动，不致产生负荷不均匀。

经过上述基本额定动负荷计算结果，结合艉轴轴颈尺寸，通过查找轴承性能表，就可以选定符合要求的双列向心球面滚子轴承或调心球轴承的型号，从而确定该艉轴管轴承。

五、结论

通过实船使用对比，滚动轴承比滑动轴承具有传动效率高，使用时间长，不磨损轴颈和价格低廉等优点。在艉轴密封装置效果良好，艉轴管内保持充油并防止江水或污泥沙进入艉轴管的情况下，推广使用滚动轴承作为船舶艉轴承，不但可以提高船舶航速，减少油耗，不磨损轴颈；同时可以方便艉轴承的更换；提高艉轴、艉轴管系统的系列化、提高船舶标准化进程，更加符合绿色交通和船型标准化、船舶艉轴装置系列化的需要，从而提高船舶的营运和维修效率。

总的来说，内河船舶艉轴安装新工艺的试验成功，填补了我国内河造船业的空白，为国内船舶工业的科技创新开创了新路子，为研发及提高内河船舶生产先进技术作出一定的贡献。它的优点：提高航速；节约能源；延长艉轴使用寿命；清洁环保，即废油废水不排放到江河中去。

参考文献：

[1]长江船舶设计院，内河船舶设计手册（动力部分）人民交通出版社出版1989；

[2]朱珉虎，内河船舶设计手册，1995；

[3]钢质内河船舶建造规范中国船级社，2009。

作者简介：

李建华，男，广西桂平市桂平镇，华中科技大学船舶专业在读学生，本科，研究方向：船舶制造，桂平市大众船舶修造厂

吴航宇，男，广西桂平市桂平镇，桂平市大众船舶修造厂总经理，本科，研究方向：船舶制造业，桂平市大众船舶修造厂