船舶轴系和舵系安装过程受力分析与安全控制

船舶轴系和舵系安装过程受力分析与安

全控制

摘要：轴、舵系安装是船舶工业设计和制造的重要组成部分,直接关系到整

个船舶设计和建造的质量和效果。定位是轴安装中不可缺少的一部分,影响轴安

装的效果。因此,有必要加强对轴、舵系安装设计工作的研究,明确轴、舵系的安

装要求、安装方法和安装点,以保证轴、舵系安装的准确性和质量,提高船舶机械

设备制造的整体水平。基于此，本文章对船舶轴系和舵系安装过程受力分析与安

全控制进行探讨，以供参考。

关键词：船舶轴系；舵系；安装过程；受力分析；安全控制

引言

船舶轴、舵在设计和建造过程中，其安装状态直接影响船舶的安全和可靠性，而在安装前，需要经过机械的精加工处理和检验，因此需要进行强有力的精度控制。船舶轴系的基本任务是将主机的功率传给螺旋桨，同时又将螺旋桨旋转产生

的轴向推力传给船体，以推动船舶运动。船舶舵系的基本任务是将舵机的扭矩传

给舵叶，同时又将舵叶摆动产生的水流偏移推力传给船体，以推动船舶转向。

一、船舶轴系设计研究概述

船舶轴系装置是船舶动力中的主要组成部分。轴系的工作优劣，将直接影响

船舶的推进特性和正常航行，并对船舶主机的正常运转有着直接的影响。所以，

轴系的设计、加工制造、安装及调试均需有较严格的技术要求，并且应符合有关

船舶技术标准和船舶规范。

为满足现代船舶的要求，保证轴系能在各种航行工况和恶劣环境下可靠工作，轴系应具有：1）足够的小、强度和刚度，对船体变形适应性强； 2）传动损失；

3）工作中避免发生横向、纵向和扭转的共振； 4）良好的密封、润滑和冷却；管理维护方便。

由于船的任务和要求不同，使得船体型线和动力装置型式不同，轴系所包括的具体组成部件也不完全一样。一般情况下，从主机曲轴法兰起，到螺旋桨止，主要包括：弹性联轴节、减速齿轮箱、推力轴、推力轴承、中间轴、中间轴承、联轴节、艉轴和艉轴管等，另外还有离合器和隔舱填料函等总称为轴系（参见图1示意图）。

图1船舶主推进系统--轴系示意图

1-导流罩 2-液压螺母 3-螺旋桨 4防渔网割刀 5-防渔网环 6-防护罩 7-艉管后密封 8-艉管9-螺旋桨轴

10-艉管前密封 11-液压联轴节 12-液压紧配螺栓 13-中间轴承 14-中间轴15-液压紧配螺栓

二、船舶舵系设计研究概述

船舶舵系装置是船舶航向中的主要组成部分。舵系的工作优劣，将直接影响船舶的推进特性和正常航行，并对船舶航线的正常运营有着直接的影响。

舵作为附体，产生阻力，当船舶操纵舵机回转时，舵产生回转阻尼力矩。船舶操纵性是船舶保持或者改变航向的能力，在小舵角下的航向保持性；中等舵角的航向改变性；大舵角的船舶回转性；这就是舵的作用。

图2舵系系统结构--示意图

舵系设备由舵装置和操舵装置两大部分组成（如图2）。舵装置是指舵叶、及其支撑、限位部件。操舵装置包括操舵系统、舵机、转舵装置和反馈系统、自动舵。

舵系设计的步骤：1、确定面积、舵的外形和剖面形状；2、求出作用在舵叶上的水动力和力矩；3、校核舵装置的强度，确定舵装置各部件的尺度；4、确定舵机功率，选择合适的舵机。在舵设计时满足船舶对操纵性的要求（前提）下，应考虑的因素包括：质量轻，功率小，工作稳定，便于制作和维修并减少产生的不利影响。

三、船舶轴系和舵系安装过程受力分析与安全控制

（一）轴系布置及受力分析

1.1轴系的布置及设计条件

根据船舶类型、用途、吨位、航速；再按船舶主机的功率、转速的输出，确定轴系的配置，再以轴的长度来决定中间轴承的位置、数量和间距等，绘制轴系布置图；根据规范计算确定螺旋桨轴、中间轴的基本轴径，确定其冷却方式后，进行轴系的强度校核。船舶轴系必需进行扭振计算，且轴径大于250mm时需要合理的校中计算。

1.2轴系的工作条件

轴系工作的区域比较复杂，一部分在水线以下，有一部分伸出船体外壳，长

期带着螺旋桨浸泡在水中，在运转中产生的负荷和应力十分复杂，螺旋桨在水中

旋转的扭应力，推进中的正倒车产生的拉、压应力；还有轴系自重产生的弯曲应力，轴系安装误差、船体变形、轴系振动以及螺旋桨的水动力等产生的附加应力；

1.3中间轴承布置及定位的要求

轴系中间轴承的布置间距大小，对轴的弯曲变形、柔性和应力均有影响，未

减少负荷，安装时对轴承的间距应有所限制。

中间轴承最小间距：Lmin=24.9d2/3(cm)

式中：d—轴径，cm

轴承的安装位置，一般应安装在船体结构较强、变形相对较小的部位。中间

轴承多安装在靠近法兰处，并尽量可能使轴承中心到二连接法兰中心线的距离等

于0.2L(L为中间轴长度)

1.4轴系负荷的测量

船舶轴承载荷测量被认为是检查轴安装的主要手段之一，其关键在于载荷测

量是否真正反映轴安装状态。船舶轴系校中校核，是对船舶轴系负荷进行实际测量，依据船级社规范进行检验并验证轴系计算书。

迄今为止，国内船舶装配中常用的负荷测量方法包括:第一，精确读取压力表，以及在手动泵操作过程中难以精确控制测量点；第二，实地工作环境复杂，

人为的读数错误更加频繁，往往需要采取多种措施；第三，手动绘制线的方法可

能会产生负荷差异，数据处理过程相对复杂。因此，有必要明智地改进现有测量

方法，以便有效地提高载荷测量的准确性和便利性。

根据千斤顶升压和降压过程中记录的油压和位移作顶举曲线，延长顶举曲线

的升压与降压曲线的直线段交横坐标轴于 Pu 与 Pd。

轴承负荷测量计算公式

R——被测轴承的负荷

Pd——降压曲线的直线段延线与横轴的交点（油压）KN/mm2

Pu——升压曲线的直线段延线与横轴的交点（油压）KN/mm2

C ——被测轴承的负荷修正系数（轴系计算数据）

A ——油压千斤顶柱塞面积 mm 2（液压千斤顶上数据）

图3轴承负荷测量示意图和顶升曲线

1.5轴套的结构：

轴套是套在艉轴轴颈上的金属圆筒，主要用来防止轴颈的擦伤和腐蚀。轴套经常制成一个整体，但当轴套过长时，由于加工制造困难可采用分段结构，对其接缝处用电焊填充，焊条的材料应与轴套的材料基本相同，完成焊接后应做油压试验。为防止腐蚀，轴颈、轴套的两端应有良好的水密性。轴套与玻璃钢包覆层的连接，应将轴套外圆面车成倒向锯齿形，使得二者黏结更加紧密。轴套一般采用热套法装配于轴上，并且轴套和轴颈之间留有适当的过盈量。由于轴套装配于轴上后其应力的分布是不均匀的，在其两端的应力会急剧的增大，这样会严重影响轴的强度。因此一般在轴套两端部开有减压槽，以降低该处的应力集中现象。

1.6轴的防腐和防机械损伤：

螺旋桨和轴套一般都是用青铜材料制成，而艉轴材料一般由碳钢制成，这两者在海水中就形成一对电极，存在一定的电位差，这会使艉轴遭到强烈的电化学腐蚀。另外，海水对轴也会发生直接的腐蚀作用，导致轴的疲劳破坏。为防止艉轴遭到这种破坏，必须采取可靠的防腐和防机械损坏的措施。轴的防腐措施，一