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)應不小于按下式計算的值（

2、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)） (4.1) =191.88CC=1.0中間軸的直軸部分， ，取200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 =243.69，設計時取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不小于C=1.05計算所得的值。 =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，在其運轉時，還將受到螺旋槳所產生的阻力矩和推力的作用，使傳動

3、軸產生扭轉應力和壓縮應力；軸系本身重量使其產生的彎曲應力；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、剛度、有合理酌結構尺寸，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；

4、滑油與冷卻水管系的布置。具體內容如下。 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11.47m（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偏斜，偏斜角在之間。 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，而且軸系重量也產生軸向分力，該力與推力方向相反，進一步降低了螺

5、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。螺旋槳的布置位置“2900kW近海拖輪總布置圖”中已經確定，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（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

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)目本船每道軸系設計1根中間軸，采用1個中間軸承。 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： （4.2） =

7、=183.46 =1.83式中： 軸徑，20故在進行軸系布置設計時，應力求使軸承的間距。 一般軸徑的軸承間距 參考以下2組經驗公式蘇聯(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

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，每根螺旋槳軸設計3道尾軸軸承。在船舶設計中，對尾軸承的間距要求比中間軸承嚴格。通過計算和實船調查，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，設計成=16.8，4.2軸系設計計算4.2.1 軸的材料軸一般用優(yōu)質碳素鋼或合金鋼鍛造，民用船舶廣泛采用優(yōu)質碳素鋼，快艇及小艇需要減輕重量時可用合金鋼。目前國內適用于軸系的鋼材牌號是25，30，35號優(yōu)質鋼。根據(jù)本船類型，軸系各種軸都選用優(yōu)質碳素。而35

9、號鋼在同類優(yōu)質鋼中材料性能最好，一般民用船舶軸系材料也都選用35號優(yōu)質鋼，所以本船軸的材料選用35號優(yōu)質鋼。4.2.2 基本軸徑計算前面已經計算出，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

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構，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

11、拉應力及某些沖擊載荷。為了滿足強度要求，它們應有一定的結構尺寸。對于首端的結構尺寸可按以下經驗數(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 尾端的結構尺寸錐形部分計算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： = （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，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 =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，

13、鍵槽底也應有R13mm的圓角，首端應制成雪橇形。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

14、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?，因該處與相應的軸承要發(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，所以不設推

15、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。其中為法蘭重量，a,b為法蘭離支點距離。 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%計算； 船舶的航速，kn; 螺旋槳效率，拖輪：=0.30.6，取0.5。（1）由主機轉距引起的剪應力： (4.14) =51.03式中：主機最大功率時的轉距，； 中間軸抗扭截面模數(shù)，。 (4.15) = =80150.60式中：主機最大功率，； 主機最大功

16、率時轉速，根據(jù)最大功率與轉速關系計算； 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)，實心軸=0； 中孔直徑，。（2）由中間軸本身重量所產生的彎曲應力： (4.17) = =785.25式中：中間軸直徑，； 中孔系數(shù)，實心軸=0支反力： (4.18) = =4761.10N式中：軸自重產生的均布負荷，=24.5。得最大彎距為和為： (4.19) = =462614.51 (4.20) = =412856.92，故選計算。 (4.21) = =589.12（3）由螺旋槳推力產生的壓縮應力： (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力：按經驗選取，軸系強度校核時最好取最壞情況考慮。（5）合成應力： （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； 傳動軸靜強度計算的合成應力，；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）。K-KEE 圖4.3 螺旋槳軸危險截面示意圖（1）槳與槳自重產生的彎曲應力：EE截面彎距計算： (4.25) = =-2780552.55N式中：槳及附件的重力，N； 軸自重產生的均布負荷，支點反作用力= (4.26) = =37287.86 NK-K截面的彎距計算： (4.27) =120 =-81459.25N 比較，所以槳軸的危險斷面在E-E處，槳與槳自重產生的彎曲應力按E-E處計算。槳及軸自重引起的彎曲應力 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