船舶動力裝置軸系設(shè)計(jì)計(jì)算

1、軸系強(qiáng)度計(jì)算在推進(jìn)裝置中，從主機(jī)（機(jī)組）的輸出法蘭到推進(jìn)器之間以傳動軸為主的整套設(shè)備稱為軸系。軸系的基本任務(wù)是：連接主機(jī)（機(jī)組）與螺旋槳，將主機(jī)發(fā)出的功率傳遞給螺旋槳，同時(shí)又將螺旋槳所產(chǎn)生的推力通過推力軸承傳給船體，以實(shí)現(xiàn)推進(jìn)船舶的使命。當(dāng)機(jī)艙位置確定，主機(jī)布置好后，即可考慮軸系設(shè)計(jì)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(shè)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(shè)計(jì)成1根中間軸和1根螺旋槳軸。軸的基本直徑d(mm)應(yīng)不小于按下式計(jì)算的值（

2、考慮到標(biāo)準(zhǔn)化的要求，各軸軸徑一般取不小于計(jì)算值的整數(shù)） (4.1) =191.88CC=1.0中間軸的直軸部分， ，取200作為設(shè)計(jì)尺寸。C=1.27對于油潤滑的且具有認(rèn)可型油封裝置的，或裝有連續(xù)軸套（或軸承之間包有適當(dāng)保護(hù)層）的具有鍵的螺旋槳軸 =243.69，設(shè)計(jì)時(shí)取250。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(yīng)不小于C=1.05計(jì)算所得的值。 =201.47，即螺旋槳軸在聯(lián)軸器法蘭處的最小直徑應(yīng)不小于201.47。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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，還將受到螺旋槳所產(chǎn)生的阻力矩和推力的作用，使傳動

3、軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和壓縮應(yīng)力；軸系本身重量使其產(chǎn)生的彎曲應(yīng)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(yīng)力等。上述諸力和力矩，往往還是周期變化的，在某些時(shí)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(fēng)大浪中受到劇烈縱搖或橫搖時(shí)，使傳動軸所受負(fù)荷更大，有時(shí)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(shè)計(jì)時(shí)必須使其有足夠的強(qiáng)度、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(shè)備選擇與位置的決定；

4、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(shè)計(jì)首先遇到的環(huán)節(jié)。軸線長度是由兩個(gè)端點(diǎn)來決定，一個(gè)端點(diǎn)為主機(jī)(或齒輪箱)輸出法蘭的中心；另一個(gè)端點(diǎn)為螺旋槳的中心，此二端點(diǎn)間的距離，即為軸線的基本長度。本船軸系長度為11.47m（傳動軸的實(shí)際長度尚應(yīng)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）軸線的傾角一般的，船舶縱向傾角約在之間。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，偏斜角在之間。 由于軸系傾斜給主機(jī)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(jìn)一步降低了螺

5、旋槳的有效推力，所以軸線最好設(shè)計(jì)成沒有縱向傾角和橫向偏斜角的形式。本船軸系設(shè)計(jì)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(jī)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(shè)計(jì)水線1.9m，而主機(jī)位置在機(jī)艙布置圖中給出，距設(shè)計(jì)水線也是1.9m，故軸線位置求出如下：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(fù)荷的影響，一般將中間軸承盡量靠近

6、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(shè)計(jì)1根中間軸，采用1個(gè)中間軸承。 b、軸承的間距軸承間距的大小，對軸的彎曲變形、柔性和應(yīng)力均有很大影響。適當(dāng)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(fù)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(fù)荷也會減少，工作更為可靠。最小軸承的間距： （4.2） =

7、=183.46 =1.83式中： 軸徑，20故在進(jìn)行軸系布置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)力求使軸承的間距。 一般軸徑的軸承間距 參考以下2組經(jīng)驗(yàn)公式蘇聯(lián)作者尼古拉也夫推薦的公式 =559=5.59 （4.3）式中：中間軸直徑，。西德勞氏船級社推薦的公式 =6.35 （4.4） 軸承間距也不能取得太大，因?yàn)檩S系布置設(shè)計(jì)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(yīng)軸段的撓度因其重量的增加有所增大，造成軸承負(fù)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(shè)計(jì)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(yīng)盡量靠近法蘭布置，并盡可能使軸承中心到二連接法

8、蘭中心線的距離等于=0.72m（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(shè)計(jì)3道尾軸軸承。在船舶設(shè)計(jì)中，對尾軸承的間距要求比中間軸承嚴(yán)格。通過計(jì)算和實(shí)船調(diào)查，軸承間距和尾軸基本直徑d的比值推薦采用以下數(shù)據(jù)：d400650 12d230400 14 25d80 230 1640本船d=250，設(shè)計(jì)成=16.8，4.2軸系設(shè)計(jì)計(jì)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(shí)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

9、號鋼在同類優(yōu)質(zhì)鋼中材料性能最好，一般民用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(jì)算前面已經(jīng)計(jì)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(shè)計(jì)。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按觸的部分，它除承擔(dān)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(shè)計(jì)成從外向里進(jìn)行安裝，為了便于安裝，將前后的軸頸直徑

10、制成略有5mm差值(差值取值范圍約2l0mm)，其首部軸頸直徑略小。為了避免或減少應(yīng)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(shí)可采用空心軸的結(jié)構(gòu)，不過本船都是實(shí)心軸。根據(jù)軸干取值250mm設(shè)計(jì)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(shí)，錐體部分承受著螺旋槳正倒車推力產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力和拉應(yīng)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(yīng)力及壓應(yīng)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

11、拉應(yīng)力及某些沖擊載荷。為了滿足強(qiáng)度要求，它們應(yīng)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(yàn)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(biāo)有關(guān)數(shù)據(jù)選定)；-錐體大端直徑；-錐體小端直徑；-錐體長；-鍵(槽)長；-螺紋直徑；-螺紋長；-錐角；-鍵(槽)寬。圖4.1 尾端的結(jié)構(gòu)尺寸錐形部分計(jì)算a、錐度K 可用錐體大小兩個(gè)橫斷面直徑差值與斷面間距離的比值表示： = （4.5） 我國現(xiàn)有船舶軸系的錐度，以采用1：15最多，依據(jù)這點(diǎn)，本船軸系錐度亦采用1：15。b、錐長： =2 （4.6） =2.66 =665式中：尾軸直徑，250mm。c、小端直徑： （4.7） =250-665 =205.6

12、7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(yīng)不小于 =201.47。式中：C=1.05將小端直徑與海規(guī)要求最小直徑d 作差，>d，滿足了條件。d、大端直徑 =250，前面計(jì)算得。鍵的主要尺寸 a、鍵長 =0.9 （4.8） =0.9 =598.5b、鍵寬b（單鍵） =0.25 （4.9） =0.25 =62.5c、鍵高 =0.5b (4.10) = =31.25尾端錐體的鍵槽是引起局部應(yīng)力集中的原因之一。最危險(xiǎn)的部位往往是錐體大直徑附近負(fù)載重的軸段，實(shí)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(yīng)力，鍵槽的棱角應(yīng)做成圓角，

13、鍵槽底也應(yīng)有R13mm的圓角，首端應(yīng)制成雪橇形。螺紋部分a、螺紋直徑 =0.75 (4.11) =0.75250 =187.5b、螺紋長度 (4.12) =187.5小端直徑>，滿足了設(shè)計(jì)條件。3、軸干的保護(hù)層軸套與螺旋槳常由青銅或黃銅制成，銅材與鋼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(xué)腐蝕，故在海中運(yùn)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(hù)法”和海水隔離的“覆蓋保護(hù)法”。前者是把鋅塊焊或用螺栓固緊在被保護(hù)的尾軸上，以腐蝕鋅塊而保護(hù)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

14、間軸一般設(shè)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(jī)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(jì)算求得，然后向標(biāo)準(zhǔn)化直徑靠攏；中間軸的長度和數(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(dāng)?shù)丶哟郑蛟撎幣c相應(yīng)的軸承要發(fā)生摩擦和磨損的緣故，以供修理時(shí)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軸頸等加粗部位直徑： 2104.3.5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(shè)推

15、力軸。4.3.6傳動軸的強(qiáng)度校核1、中間軸的強(qiáng)度計(jì)算將軸看成一根自由放置在兩支點(diǎn)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。其中為法蘭重量，a,b為法蘭離支點(diǎn)距離。 圖4.2 中間軸受力示意圖螺旋槳推力估算： (4.13) =1945.2 =112335.3N式中： 螺旋槳最大推力，N； 傳遞的最大功率，按110%計(jì)算； 船舶的航速，kn; 螺旋槳效率，拖輪：=0.30.6，取0.5。（1）由主機(jī)轉(zhuǎn)距引起的剪應(yīng)力： (4.14) =51.03式中：主機(jī)最大功率時(shí)的轉(zhuǎn)距，； 中間軸抗扭截面模數(shù)，。 (4.15) = =80150.60式中：主機(jī)最大功率，； 主機(jī)最大功

16、率時(shí)轉(zhuǎn)速，根據(jù)最大功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系計(jì)算； 減速箱的傳動比； 減速箱的傳動效率。 (4.16) = =1570.50式中：中間軸直徑，； 中孔系數(shù)，實(shí)心軸=0； 中孔直徑，。（2）由中間軸本身重量所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力： (4.17) = =785.25式中：中間軸直徑，； 中孔系數(shù)，實(shí)心軸=0支反力： (4.18) = =4761.10N式中：軸自重產(chǎn)生的均布負(fù)荷，=24.5。得最大彎距為和為： (4.19) = =462614.51 (4.20) = =412856.92，故選計(jì)算。 (4.21) = =589.12（3）由螺旋槳推力產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力： (4.22) = =357.58式中：中間軸截面

17、積，。（4）由安裝誤差引起的彎曲應(yīng)力：按經(jīng)驗(yàn)選取，軸系強(qiáng)度校核時(shí)最好取最壞情況考慮。（5）合成應(yīng)力： （4.23） = =3940.61安全系數(shù)： （4.24） = =6.96K=（2.55.4）式中：材料屈服極限， 27440； 傳動軸靜強(qiáng)度計(jì)算的合成應(yīng)力，；中間軸強(qiáng)度校核合格。2、螺旋槳軸的強(qiáng)度計(jì)算首先要確定槳軸的危險(xiǎn)斷面。對于一般船舶，槳軸的危險(xiǎn)斷面在E-E截面，不過當(dāng)槳軸兩軸間距大，槳又較輕，槳軸的最大彎曲應(yīng)力就可能在兩軸承間的某個(gè)截面K-K。（見圖）。K-KEE 圖4.3 螺旋槳軸危險(xiǎn)截面示意圖（1）槳與槳自重產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力：EE截面彎距計(jì)算： (4.25) = =-2780552.55N式中：槳及附件的重力，N； 軸自重產(chǎn)生的均布負(fù)荷，支點(diǎn)反作用力= (4.26) = =37287.86 NK-K截面的彎距計(jì)算： (4.27) =120 =-81459.25N 比較，所以槳軸的危險(xiǎn)斷面在E-E處，槳與槳自重產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力按E-E處計(jì)算。槳及軸自重引起的彎曲應(yīng)力 WKWMWs-=E-E （4.28） = =1813.56式中： 軸的抗彎截面模數(shù)，。 （4.29） = =1533.2式中：槳軸直徑，； 中孔