船舶轴系校中原理及应用的探讨

船舶轴系校中原理及方法

1．引言

船舶在航行一定时间后，由于船体变形等因素的存在，必然会造成尾轴与发动机轴（简称两端轴）之间出现较大的偏中。两端轴偏中值的大小对确定轴系修理方案有很大的影响，而修理方案又关系到船舶修理费用的高低及修理周期的长短。可见，正确地确定和处理尾轴与发动机轴的同轴度，对保证轴系校中质量和减少修船费用、缩短修船周期有重要的影响。

2．影响轴系校中质量的诸因素

所谓轴系校中，就是按一定的要求和方法，将轴系敷设成某中状态，处于这种状态下的轴系，其全部轴承上的负荷及各轴段内的应力都处于允许范围之内，或具有最佳的数值，从而可保证轴系持续正常地运转。可见船舶轴系校中质量的优劣，对保障主机的正常运转，以及对减少船体振动有着重要的影响。

影响船舶轴系校中质量优劣的因素主要有：

2．1传动轴的加工精度。传动轴（包括尾轴、中间轴、推力轴）是组成轴系的主要部件，在加工制造时必须按规定的精度要求进行加工。若加工误差过大，传动轴对轴系校中的质量会造成不良的影响。

2．2轴系的安装弯曲。在安装轴系时，为获得良好的校中质量，往往将轴系按一定的弯曲状态敷设，也就是轴系的安装弯曲。但，当轴系存在安装弯曲时，在各支承轴承上就会造成附加负荷，该附加负荷的大小及方向由轴系的弯曲度及方向所决定。

2．3船体变形。船体在安装轴系范围内发生变形则会造成安装在其上的轴系随之发生弯曲。轴系的这种弯曲是附加的，且往往是难以控制的。

2．4轴法兰端的下垂。各轴端因自重或其他载荷的作用而引起轴系的下垂，以至造成主机和基座高度的改变，或重镗尾轴管。

影响轴系校中质量的因素，除上述几种之外，还包括轴系的结构设计，尾轴管轴承中的油膜、海水或润滑油压力的影响，螺旋桨水动力不平衡力矩及推力中心偏心所形成力矩的影响，减速齿轮箱运转时温升的影响等。在研究轴系校中质量时，这些因素均应予以考虑或研讨。

3．轴系校中质量的评定

评定轴系工作可靠性的因素有各种各样，如船体变形程度、轴系振动强度、支承刚度等。但在实际中主要由以下几个方面作为控制和评定轴系校中质量的内容和要求。

3．1轴承负荷的限制

轴系在运转时，各个轴承不仅承受轴自重及外部载荷所施加的正向（向下）垂直负荷外，还受到水平方向、甚至反向（向上）垂直负荷，而且由于轴不适当的弯曲，还将受到“边缘负荷”。此外，为使轴系各个轴承尽可能地均匀磨损，还应使全轴系上诸轴承的负荷得到合理地分配。按上述要求，所以在轴系校中时对轴承负荷的限制，主要有以下几点要求。

（1）所有轴承必须承受正向负荷，不允许反向承荷或不承荷（脱空）；

（2）各轴承水平负荷应均匀分布；

（3）不承受水平负荷或将水平负荷减到最小程度；

（4）各轴承的压强应符合一定的范围。

3．2轴承位移量和轴斜度（转角）的限制

通常情况下，轴承的位移量是以轴系理论中心线（通过尾轴管前、后两轴承中心的直线）为基准线进行计算。任何一轴承的位移必须限制在由它所造成的轴承负荷和轴内应力均不得超过允许的范围，

且轴的斜度（转角）亦不得超过允许的规定。此外还不致引起轴系连接的困难。

3．3轴上弯曲应力的限制

尽管轴系由于超过弯曲应力发生断裂是罕见的，但在船舶修理中必须重视这种破坏因素的存在，所以应对轴上的应力，其中包括轴系因安装弯曲产生的附加弯曲应力和传递扭矩有关的剪切应力加以限制。

轴系校中质量的评定准则，是基于轴系处于正常工况运转条件下提出的，但在实际中，校中的计算结果均来自于码头系泊阶段，所以所有校中计算的结果均必须满足运转中轴系的受力要求（热态要求）。

在船舶修理中，一般将试车时测量轴承上的温度作为评定轴系校中质量的重要依据。

4．两端轴的允许偏中值

尾轴与发动机轴的不同轴度，即偏中值，是指尾轴与发动机轴两轴心线的交叉角α，和发动机轴

的轴心线在弯曲长度终点位置上至尾轴轴心线的距离ｆ，如图1所示[1]。

图1 两端轴的不同轴状态

通常在测量两端轴的同轴度时以b （发动机轴法兰中心至尾轴轴心线的距离）代替ｆ。由图1可见，f=b+αc ，因α和c 值均较小，故取ｆ≈b 。

一般，两端轴线的交叉角α用φ总表示，而偏距b 用δ总表示。

两端轴的不同轴度，目前可采用平轴测量法、按法兰偏中值计算法及光学仪测量法等方法进行确定。

两端轴不同轴时，当连接好中间轴后，在尾轴上则会产生弯矩M 1，在发动机轴上则产生弯矩M 2，

如图2所示[1]。

图2两端轴不同轴连接的弯矩及附加负荷

由于M 1的作用，在尾轴的前轴承上则产生附加负荷R 1，在发动机轴的尾轴上则产生附加负荷R 2。

则可根据下列公式计算出弯矩[2]，即：

M 1 = 弯

L EI 2（弯L f 3－α） M 2 = 弯L EI

2（2α－弯L f 3）

式中：L 弯—轴系弯曲部分的长度

E —轴系材料的弹性模量

I —轴系L w 弯长度内的平均截面惯矩

船舶修理中，如测量所得的两端轴的偏中值较大并超过规定值时，可按上式计算出由于两端轴偏中产生的弯矩M1和M2，并通过M1和M2计算求得轴承上的附加负荷R1和R2，根据R1和R2，考虑在安装中间轴前，可通过移动主机或尾轴（或两者都移动）以修正两端轴之间的偏中。

5．轴系合理校中和校中计算

所谓轴系合理校中，其实质是在遵守规定的轴承负荷、应力、转角等限制条件下，通过校中计算以确定各轴承的合理位置，将轴系安装成规定的曲线状态，以达到使各个轴承上的负荷合理分配。

根据轴系合理校中的实质及轴系校中计算的要求，需对下列内容进行计算。

（1）进行轴系各结构要素的处理、建立轴系计算的物理模型；

（2）计算按直线校中时轴系各支座处的弯矩、反力、挠度及截面转角；

（3）计算能表征轴承负荷与位移关系的轴承负荷影响数（必要时也计算弯矩影响数）；

（4）根据给定的约束条件，用线性规划法或试错法确定轴承的最佳位移或合理位移量；

（5）根据轴承位移及轴承负荷影响数求出轴承上的实际负荷；

（6）根据轴承最佳或合理位移量，计算轴系有关连接法兰上允许的偏移、曲折值；

（7）计算当采用顶举法检验轴承负荷时的轴承负荷顶举系数。

6．船舶修理中轴系合理校中的方法

船舶修理中，校中工作往往是在尾轴与发动机轴不同轴度的状态下进行的，所以应考虑到将两端轴不同轴的偏中值或由于偏中所产生的附加负荷尽可能地均匀地分配给全轴系的各对连接法兰或各个轴承上。在实际修理中，常用的校中方法有，按轴系连接法兰分配偏移、曲折校中法和按轴承分配允许附加负荷法。

6．1按轴系各连接法兰分配δ总、φ总校中法

该校中法就是将由于两端轴不同轴所产生的总偏移δ总及总曲折φ总尽可能地均匀分配到全轴系的各对连接法兰上，即将中间轴承弯曲安装以适应两端轴的不同轴状态。但这时在任何连接法兰上的偏移δ及曲折φ均不得超过偏中值的允许范围。其校中过程如下。

（1）确定两端轴的不同轴的允许范围

轴系两端轴不同轴的实际偏中值可由下列公式[2]计算得出。

L弯2

δ总 = 5.2×10－3

d

L弯

φ总 = 7.8×10－3

d

式中：L弯—轴系弯曲部分的长度

d—轴颈最小尺寸

计算得出的偏中值，与尾轴和发动机轴不同轴允许值的范围进行比较，如不在此范围内则必须进行校核。通过调整两端轴的位置，从而使得两端轴的不同轴允许值在允许范围之内。

（2）按中间轴连接法兰分配及进行校中

校中时，根据连接法兰的数目，将两端轴偏中值δ总及φ总比较均匀地分配到各连接法兰上，但要把保证各连接法兰上的偏中值不得超过允许偏中范围，且轴系与发动机轴连接法兰上的允许偏移和曲折值应符合有关规定的标准。

由于在校中时，将δ总及φ总分配到各连接法兰上，使得校中好的轴系必然存在一定的安装弯曲。而轴系的安装弯曲应是平顺的，不得出现弯曲方向的突变，并且弯曲方向的变化当δ总与φ总的符号相同时只能是一次弯曲（如图3a所示[1]）；当δ总与φ总的符号相反时只能是二次弯曲（如图3b所示[1]），而不应该出现弯曲方向的多次变化（如图3c所示[1]）。