船舶動力裝置軸系設計計算

1、軸系強度計算在推進裝置中，從主機（機組）的輸出法蘭到推進器之間以傳動軸為主的整 套設備稱為軸系。軸系的基本任務是：連接主機（機組）與螺旋槳，將主機發(fā)出 的功率傳遞給螺旋槳，同時又將螺旋槳所產(chǎn)生的推力通過推力軸承傳給船體，以實現(xiàn)推進船舶的使命。當機艙位置確定，主機布置好后，即可考慮軸系設計和布置。4.1 軸系的布置4.1.1 傳動軸的組成和基本軸徑傳動軸一般由螺旋槳軸（尾軸）、中間軸和推力軸，以及將它們相連接的聯(lián)軸 器所組成。本船因其推力軸承已放置在減速齒輪箱中，所以不設推力軸。而且本船螺旋槳軸不分段制造，最后本船傳動軸組成設計成1根中間軸和1根螺 旋槳軸。軸的基本直徑d（mm）應不小于按下式計

2、算的值（考慮到標準化的要求，各軸 軸徑一般取不小于計算值的整數(shù)）d 100<(譚/(4.1)100C3 1470 (608) 170.9 530 176.5=191.88CmmC=1.0 中間軸的直軸部分，d 191.88 mm ,取200 mm作為設計尺寸。C=1.27對于油潤滑的且具有認可型油封裝置的，或裝有連續(xù)軸套（或軸承之間包有適當保護層）的具有鍵的螺旋槳軸d 191.88 1.27=243.69mm ,設計時取 250mm。C=1.05尾尖艙隔艙壁前的尾軸或螺旋槳軸的直徑可按圓錐減小，但在聯(lián)軸器法蘭處的最小直徑應不小于 C=1.05計算所得的值。d 191.88 1.05=20

3、1.47mm ,即螺旋槳軸在聯(lián)軸器法蘭處的最小直徑應不小于201.47mm 。4.1.2 軸系布置的要求傳動軸位于水線以下，工作條件比較惡劣，在其運轉(zhuǎn)時，還將受到螺旋槳所 產(chǎn)生的阻力矩和推力的作用，使傳動軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應力和壓縮應力； 軸系本身重量 使其產(chǎn)生的彎曲應力；軸系的安裝誤差、船體變形、軸系振動以及螺旋槳的水動 力等所產(chǎn)生的附加應力等。上述諸力和力矩，往往還是周期變化的，在某些時候 表現(xiàn)更為突出，例如船舶在緊急停車、顛繁倒車或轉(zhuǎn)彎，或是在大風大浪中受到 劇烈縱搖或橫搖時，使傳動軸所受負荷更大，有時甚至使它產(chǎn)生發(fā)熱或損壞。為了保證傳動軸工作可靠，且有較長的壽命，在設計時必須使其有足夠的強 度

4、、剛度、有合理酌結(jié)構(gòu)尺寸，并盡可能減少其長度和重量，還必須考慮怎樣有 利于制造和管理等問題。4.1.3 軸系的布置本船軸系布置從齒輪箱法蘭開始，至螺旋槳為止，包括：軸承位置及間距 的選擇；各種輔助設備選擇與位置的決定； 滑油與冷卻水管系的布置。具體內(nèi)容 如下。1、軸線的長度、數(shù)量、位置和傾角(1)長度的確定這是軸系設計首先遇到的環(huán)節(jié)。軸線長度是由兩個端點來決定，一個端點為主機 (或齒輪箱)輸出法蘭的中 心；另一個端點為螺旋槳的中心，此二端點間的距離，即為軸線的基本長度。本船軸系長度為11.47 m (傳動軸的實際長度尚應考慮螺旋槳中心后用來裝 螺旋槳的尾軸伸出和螺紋部分)。(2)軸線的傾角一般

5、的，船舶縱向傾角 約在0050之間。有些雙軸系的船舶，容許軸線在 水平投影上離開船舶的中線面向外或向內(nèi)偏斜，偏斜角在0030之間。由于軸系傾斜給主機帶不良的工作狀態(tài)， 降低螺旋槳有效推力，而且軸系重 量也產(chǎn)生軸向分力，該力與推力方向相反，進一步降低了螺旋槳的有效推力， 所 以軸線最好設計成沒有縱向傾角和橫向偏斜角的形式。本船軸系設計成沒有縱向 傾角和橫向偏斜角。(3)軸線的數(shù)量和位置本船是雙軸系拖輪，軸線數(shù)目是 2。軸線位置和主機與螺旋槳的布置位置有關(guān)。螺旋槳的布置位置“2900kW近海拖輪總布置圖”中已經(jīng)確定，距設計水線 1.9m,而主機位置在機艙布置圖中 給出，距設計水線也是1.9m,故軸

6、線位置求出如下：軸高度：1.9m (無縱向傾角)軸橫向位置：距船中縱剖面2.8m,平行分布其兩側(cè)(無橫向偏斜角)軸前后位置：螺旋槳中心線通過3號肋骨。2、軸承的位置、數(shù)目與間距(1)軸承位置的確定方法為了減少船體變形對軸承負荷的影響，一般將中間軸承盡量靠近艙壁布置， 某些小型船舶甚至可以直接將軸承布置在艙壁上。軸線的位置是靠各軸承的布置位置來保證的，對本船來說采用拉線或望光法 找到各檔軸承的中心位置，這樣軸承沿高低及水平方向的位置也就確定了。本船是中型船舶螺旋槳重量不重，沒必要對軸線常采用曲線安裝法。(2)中間軸承的數(shù)目和間距a 、軸承的數(shù)目本船每道軸系設計1根中間軸，采用1個中間軸承。b 、

7、軸承的間距軸承間距的大小，對軸的彎曲變形、柔性和應力均有很大影響。適當減少軸 承的數(shù)量，增加其間距，雖會增加一些由其本身重量所引起的彎矩和軸承負荷， 但由于軸系變形的牽制減少、軸系的柔性增加，軸承的附加負荷也會減少，工作 更為可靠。最小軸承的間距：lmin 24閨d2(4.2)=24.9 3 20"=183.46cm=1.83m式中：dz一軸徑，20cm故在進行軸系布置設計時，應力求使軸承的間距 l>lmin 1.83 m 0一般軸徑的軸承間距參考以下2組經(jīng)驗公式蘇聯(lián)作者尼古拉也夫推薦的公式l 125)5=125 同=559cm=5.59cm(4.3)式中：dz中間軸直徑，cm

8、。西德勞氏船級社推薦的公式l 142/d7=6.35m(4.4)軸承間距也不能取得太大，因為軸系布置設計受工藝與安裝工藝的限制，回 旋振動(包括橫向振動)的限制，而且軸承的間距太大就會使相應軸段的撓度因其 重量的增加有所增大，造成軸承負荷分配的不均勻性。綜合考慮以上各因素以后，本船中間軸長度設計為3.6m。(3)軸的法蘭與軸承的間距在不影響裝卸的前提下，軸承應盡量靠近法蘭布置，并盡可能使軸承中心到 二連接法蘭中心線的距離等于0.2l =0.72m (l為中間軸長度)3、尾軸承的數(shù)目和間距螺旋槳軸一般均用兩道尾軸承支承，本船尾軸很長，每根螺旋槳軸設計 3道 尾軸軸承。在船舶設計中，對尾軸承的間距

9、要求比中間軸承嚴格。通過計算和實船調(diào)查， 軸承間距l(xiāng)和尾軸基本直徑d的比值推薦采用以下數(shù)據(jù)：d = 400650mml/d >12d = 230400mml/d 14 25d = 80 230mml/d 1640本船 d=250,設計成 l. d=16.8, l 16.8d 16.8 0.25 4.2 m4.2 軸系設計計算4.2.1 軸的材料軸一般用優(yōu)質(zhì)碳素鋼或合金鋼鍛造， 民用船舶廣泛采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼，快艇及 小艇需要減輕重量時可用合金鋼。目前國內(nèi)適用于軸系的鋼材牌號是25, 30,35號優(yōu)質(zhì)鋼。根據(jù)本船類型，軸系各種軸都選用優(yōu)質(zhì)碳素。而 35號鋼在同類優(yōu) 質(zhì)鋼中材料性能最好，一般民用

10、船舶軸系材料也都選用 35號優(yōu)質(zhì)鋼，所以本船 軸的材料選用35號優(yōu)質(zhì)鋼。4.2.2 基本軸徑計算前面已經(jīng)計算出，本船選用軸系的基本軸徑：中間軸200mm；螺旋槳軸250mm；本船齒輪箱自帶推力軸，推力軸不需要設計。4.2.3 螺旋槳軸它位于軸系的最后端，末端裝有螺旋槳，首部則與中間軸相連。為了滿足螺 旋槳從船外向內(nèi)安裝的要求，螺旋槳軸首端接可拆聯(lián)軸節(jié)。故螺旋槳軸選用兩端 為錐體形式。1、軸頸軸頸是用來直接與尾軸承相接觸的部分， 它除承擔傳遞動力外，尚有磨耗損 失，軸頸比軸干的直徑大530mm。本船尾軸設計成從外向里進行安裝，為了便 于安裝，將前后的軸頸直徑制成略有 5mm差值（差值取值范圍約2

11、l0mm）,其首 部軸頸直徑略小。為了避免或減少應力集中，在軸于與軸頸的連接處，采用圓弧或斜錐過渡； 為了減輕軸的重量，有時可采用空心軸的結(jié)構(gòu)，不過本船都是實心軸。根據(jù)軸干取值250mm設計軸頸直徑：前軸頸直徑 260mm；中軸頸直徑 265mm；后軸頸直徑 270mm。2、錐體與螺紋部分軸的首、尾端制成錐體，主要為了便于裝、拆和緊固聯(lián)軸器或螺旋槳。在軸 系工作時，錐體部分承受著螺旋槳正倒車推力產(chǎn)生的壓縮應力和拉應力，還承受著傳遞扭矩及某些振動力等。在錐體上的鍵槽及安裝在它里面的鍵則承受著剪切 應力及壓應力；螺紋部分則用來安裝緊固螺旋槳 （聯(lián)軸器）的螺帽，它主要承受拉 應力及某些沖擊載荷。為了

12、滿足強度要求，它們應有一定的結(jié)構(gòu)尺寸。對于首端的結(jié)構(gòu)尺寸可按以 下經(jīng)驗數(shù)據(jù)選定（參見下圖）（尾端裝聯(lián)軸器處的尺寸可按船標有關(guān)數(shù)據(jù)選定 ）；Dk -錐體大端直徑；dK -錐體小端直徑；1k -錐體長；l j -鍵（槽）長；d紋-螺紋直徑;l紋-螺紋長；2 k-錐角；b-鍵（槽）寬。圖4.1尾端的結(jié)構(gòu)尺寸錐形部分計算a、錐度K可用錐體大小兩個橫斷面直徑差值與斷面間距離的比值表示：/ Dk dK -1K 一；2tg k = （4.5）Lk15我國現(xiàn)有船舶軸系的錐度，以采用1: 15最多，依據(jù)這點，本船軸系錐度亦 采用1: 15。b、錐長:Lk (1.63.3)DK=2Dk=2.66 250 =665

13、mm式中：Dk 尾軸直徑，250mm。c、小端直徑:dK Dk KLk=250-1 15 665 =205.67mm根據(jù)鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范”在聯(lián)軸器法蘭處的最小直徑，即螺旋槳軸在 聯(lián)軸器法蘭處的最小直徑應不小于d 191.88 1.05=201.47mm。式中：C=1.05將小端直徑dk與海規(guī)要求最小直徑d作差，dk>d,滿足了條件 d、大端直徑Dk=250mm ,前面計算得。鍵的主要尺寸 a、鍵長LjLj (0.9 0.98)Lk =0.9Lk(4.8)=0.9 665 =598.5mm b、鍵寬b (單鍵)b (0.20.3)DK=0.25Dk(4.9)=0.25 250 =62

14、.5mmc、鍵高hh (0.5 0.6)b=0.5b(4.10)= 0.5 62.5 =31.25mm尾端錐體的鍵槽是引起局部應力集中的原因之一。最危險的部位往往是錐體大直徑附近負載重的軸段，實際上錐體多數(shù)情況的疲勞裂紋是從鍵槽的銳角上開 始，為了減少局部應力，鍵槽的棱角應做成圓角，鍵槽底也應有R=13mm的圓角，首端應制成雪橇形。螺紋部分 a、螺紋直徑d 紋(0.750.90)Dk=0.75Dk(4.11)=0.75 250 =187.5mmb、螺紋長度l 紋 d 紋(4.12)=187.5mm小端直徑dk>d紋，滿足了設計條件。3、軸干的保護層軸套與螺旋槳常由青銅或黃銅制成，銅材與鋼

15、軸在海水中就會形成一對電 極，使螺旋槳軸遭到電化腐蝕；另外，海水對鋼軸也會產(chǎn)生化學腐蝕，故在海中 運行的螺旋槳軸，必須考慮防腐措施。為了防止腐蝕損壞，采用 陰極保護法”和海水隔離的 覆蓋保護法”。前者是把鋅塊焊或用螺栓固緊在被保護的尾軸上，以腐蝕鋅塊而保護尾軸；后者是涂防腐油漆，鍍金屬，用玻璃鋼包覆，軸上包橡膠覆蓋層等方法。4.2.4 中間軸中間軸一般設在尾軸與推力軸之間，中間軸還常被用來安裝制動器、軸帶發(fā) 電機及轉(zhuǎn)速發(fā)訊器等附件。中間軸按其兩端連接件的不同，主要有兩種類型 ：帶整鍛法蘭的中間軸，兩端 為錐體的中間軸。本船采用帶整鍛法蘭的中間軸。中間軸的直徑由計算求得，然后向標準化直徑靠攏；中

16、間軸的長度和數(shù)目以 及軸頸離法蘭的間距等前面已算出。軸頸處或在中間軸通過水密隔艙填料函處的軸段， 都要適當?shù)丶哟郑蛟撎?與相應的軸承要發(fā)生摩擦和磨損的緣故，以供修理時光車之用。一般這些部位比 軸干加粗520mm即可（按不同軸徑選用）。本船中間軸直徑：200 mm軸頸等加粗部位直徑：210mm4.3.5 推力軸本船有減速齒輪箱，其推力軸已放在減速齒輪箱中，所以不設推力軸4.3.6 傳動軸的強度校核1、中間軸的強度計算將軸看成一根自由放置在兩支點上的簡支梁，其所受外力如圖所示。這里不 考慮相鄰跨距影響。取跨距最大一段。其中 G。為法蘭重量，a,b為法蘭離支點距 離。螺旋槳推力估算:(4.13)=

17、1945.2 1470 110% 0.514T1945.2 Pmax oVs(4.14)(4.15)= 95501470 110%775 31470 10%4.53 0.9=112335.3N式中：T 一螺旋槳最大推力，N;Pmax一傳遞的最大功率，kW ,按110%Peb計算;Vs 船舶的航速，kn;o 一螺旋槳效率，拖輪：o =0.30.6,取0.5。(1)由主機轉(zhuǎn)距引起的剪應力：MtWW80150.601570.50=51.03N cm式中：Mt一主機最大功率時的轉(zhuǎn)距，N cm ;Ww 中間軸抗扭截面模數(shù)，cm =80150.60cm2式中：Pmax一主機最大功率，kW ；nmax一主機

18、最大功率時轉(zhuǎn)速，r/min ,根據(jù)最大功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系計算；i 一減速箱的傳動比；g 一減速箱的傳動效率。 W -d(1 m4) oMt 9550 Pmax i gnmax203一 16(1 0)=1570.50cm3式中：dz 中間軸直徑，cm；m中孔系數(shù)，m 也，實心軸m=0;dzd 0 中孑L直徑, cm o(2)由中間軸本身重量所產(chǎn)生的彎曲應力:Wmwd z4、(1 m ) 32(4.17)20332=785.25cm3式中：dz 一中間軸直徑，cm；m中孔系數(shù)，實心軸m=0支反力RA :RabG0T(4.18)24.52360288一 438.88 -360=4761.10N式中：q一

19、軸自重產(chǎn)生的均布負荷，q得最大彎距為Mwi和Mwp為：0.0062 d；=24.5N； cmRA2q(4.19)4761.1022 24.5=462614.51N cm2Mwp ( A G.G°a2q(4.20)2(4761.10 438.88)22 24.5438.88 72=412856.92N cmMwi > Mwp ,故選Mwi計算。MWW(4.21)WMW= 462614.51785.25=589.12N. cm2(3)由螺旋槳推力產(chǎn)生的壓縮應力：(4.22)112335.3102=357.58N. cm2式中：FW中間軸截面積，cm2。(4)由安裝誤差引起的彎曲應力

20、：按經(jīng)驗選取2943 N/cm2。(5)合成應力:1471.5 2943N/cm2 ,軸系強度校核時最好取最壞情況考慮H 1 ( y w w1)3(4.(23)安全系數(shù):= (357.58 589.12 2943)2 3 51.033=3940.61N . cm2(4.(24)274403940.61=6.96> K= (2.55.4)式中：s材料屈服極限，27440N/cm2;h 一傳動軸靜強度計算的合成應力，N/cm2 ; 中間軸強度校核合格。2、螺旋槳軸的強度計算首先要確定槳軸的危險斷面。對于一般船舶，槳軸的危險斷面在E-E截面,不過當槳軸兩軸間距大，槳又較輕，槳軸的最大彎曲應力就可能在兩軸承間的某 個截面K-K。(見圖)。圖4.3螺旋槳軸危險截面示意圖(1)槳與槳自重產(chǎn)生的彎曲應力:EE截面彎距計算:- l1 l1MeeQb(C )Ra 22q(l1 2 c)22(4.25)90=25000 (120)29037287.86 -2_224.5(45 120)2=-2780552.55N式中：Qb一槳及附件的重力，N;q 一軸自重產(chǎn)生的均布負荷，N/cm支點反作用力Ra 哼 Qb 一2 l24.5 420=250002120 420420(4.26)=37287.86 NK-K截