船舶动力装置轴系设计计算

轴系强度计算

在推进装置中，从主机（机组）的输出法兰到推进器之间以传动轴为主的整套设备称为轴系。轴系的基本任务是：连接主机（机组）与螺旋桨，将主机发出的功率传递给螺旋桨，同时又将螺旋桨所产生的推力通过推力轴承传给船体，以实现推进船舶的使命。

当机舱位置确定，主机布置好后，即可考虑轴系设计和布置。

轴系的布置

传动轴的组成和基本轴径

传动轴一般由螺旋桨轴(尾轴)、中间轴和推力轴，以及将它们相连接的联轴器所组成。本船因其推力轴承已放置在减速齿轮箱中，所以不设推力轴。

而且本船螺旋桨轴不分段制造，最后本船传动轴组成设计成1根中间轴和1根螺旋桨轴。

轴的基本直径d(mm)应不小于按下式计算的值（考虑到标准化的要求，各轴轴径一般取不小于计算值的整数）

d=

100

=

100

=mm

C=——中间轴的直轴部分，

d=mm，取200mm作为设计尺寸。

191.88

C=——对于油润滑的且具有认可型油封装置的，或装有连续轴套（或轴承之间包有适当保护层）的具有键的螺旋桨轴

d=⨯=mm，设计时取250mm。

191.88 1.27

C=——尾尖舱隔舱壁前的尾轴或螺旋桨轴的直径可按圆锥减小，但在联轴器法兰处的最小直径应不小于C=计算所得的值。

d=⨯=mm，即螺旋桨轴在联轴器法兰处的最小直径应不小于191.88 1.05

mm。

轴系布置的要求

传动轴位于水线以下，工作条件比较恶劣，在其运转时，还将受到螺旋桨所产生的阻力矩和推力的作用，使传动轴产生扭转应力和压缩应力；轴系本身重量使其产生的弯曲应力；轴系的安装误差、船体变形、轴系振动以及螺旋桨的水动力等所产生的附加应力等。上述诸力和力矩，往往还是周期变化的，在某些时候表现更为突出，例如船舶在紧急停车、颠繁倒车或转弯，或是在大风大浪中受到剧烈纵摇或横摇时，使传动轴所受负荷更大，有时甚至使它产生发热或损坏。

为了保证传动轴工作可靠，且有较长的寿命，在设计时必须使其有足够的强度、刚度、有合理酌结构尺寸，并尽可能减少其长度和重量，还必须考虑怎样有利于制造和管理等问题。

轴系的布置

本船轴系布置从齿轮箱法兰开始，至螺旋桨为止，包括：轴承位置及间距的选择；各种辅助设备选择与位置的决定；滑油与冷却水管系的布置。具体内容如下。

1、轴线的长度、数量、位置和倾角

（1）长度的确定

这是轴系设计首先遇到的环节。

轴线长度是由两个端点来决定，一个端点为主机(或齿轮箱)输出法兰的中心；另一个端点为螺旋桨的中心，此二端点间的距离，即为轴线的基本长度。

本船轴系长度为（传动轴的实际长度尚应考虑螺旋桨中心后用来装螺旋桨的尾轴伸出和螺纹部分）。

（2）轴线的倾角

0~5之间。有些双轴系的船舶，容许轴线在水平投影上离开船一般的，船舶纵向倾角α约在00

0~3之间。

舶的中线面向外或向内偏斜，偏斜角β在00

由于轴系倾斜给主机带不良的工作状态，降低螺旋桨有效推力，而且轴系重量也产生轴向分力，该力与推力方向相反，进一步降低了螺旋桨的有效推力，所以轴线最好设计成没有纵向倾角和横向偏斜角的形式。本船轴系设计成没有纵向倾角和横向偏斜角。

（3）轴线的数量和位置

本船是双轴系拖轮，轴线数目是2。

轴线位置和主机与螺旋桨的布置位置有关。螺旋桨的布置位置“2900kW近海拖轮总布置图”中已经确定，距设计水线，而主机位置在机舱布置图中给出，距设计水线也是，故轴线位置求出如下：

轴高度：（无纵向倾角）

轴横向位置：距船中纵剖面，平行分布其两侧（无横向偏斜角）

轴前后位置：螺旋桨中心线通过3号肋骨。

2、轴承的位置、数目与间距

（1）轴承位置的确定方法

为了减少船体变形对轴承负荷的影响，一般将中间轴承尽量靠近舱壁布置，某些小型船舶甚至可以直接将轴承布置在舱壁上。

轴线的位置是靠各轴承的布置位置来保证的，对本船来说采用拉线或望光法找到各档轴承的中心位置，这样轴承沿高低及水平方向的位置也就确定了。

本船是中型船舶螺旋桨重量不重，没必要对轴线常采用曲线安装法。

（2）中间轴承的数目和间距

a、轴承的数目

本船每道轴系设计1根中间轴，采用1个中间轴承。

b、轴承的间距

轴承间距的大小，对轴的弯曲变形、柔性和应力均有很大影响。适当减少轴承的数量，增加其间距，虽会增加一些由其本身重量所引起的弯矩和轴承负荷，但由于轴系变形的牵制减少、轴系的柔性增加，轴承的附加负荷也会减少，工作更为可靠。

最小轴承的间距：

l=（）

min

=24.9

=cm

=m

式中：

z d —轴径，20cm

故在进行轴系布置设计时，应力求使轴承的间距l ＞min 1.83l =m 。

一般轴径的轴承间距 参考以下2组经验公式

苏联作者尼古拉也夫推荐的公式

l ≤cm =cm （）

式中： z d ——中间轴直径，cm 。

西德劳氏船级社推荐的公式

l ≤m （）

轴承间距也不能取得太大，因为轴系布置设计受工艺与安装工艺的限制，回旋振动(包括横向振动)的限制，而且轴承的间距太大就会使相应轴段的挠度因其重量的增加有所增大，造成轴承负荷分配的不均匀性。

综合考虑以上各因素以后，本船中间轴长度设计为。

（3）轴的法兰与轴承的间距

在不影响装卸的前提下，轴承应尽量靠近法兰布置，并尽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）

3、尾轴承的数目和间距

螺旋桨轴一般均用两道尾轴承支承,本船尾轴很长，每根螺旋桨轴设计3道尾轴轴承。

在船舶设计中，对尾轴承的间距要求比中间轴承严格。通过计算和实船调查，轴承间距l 和尾轴基本直径d 的比值推荐采用以下数据：

d ＝400~650mm l d ＞12

d ＝230~400mm l d ≈14~ 25

d ＝80~ 230mm l d ≈16~40

本船d=250，设计成l d =，16.816.80.25 4.2l d ==⨯=m

轴系设计计算

轴的材料

轴一般用优质碳素钢或合金钢锻造，民用船舶广泛采用优质碳素钢，快艇及小艇需要减轻重量时可用合金钢。目前国内适用于轴系的钢材牌号是25，30，35号优质钢。根据本船类型，轴系各种轴都选用优质碳素。而35号钢在同类优质钢中材料性能最好，一般民用船舶轴系材料也都选用35号优质钢，所以本船轴的材料选用35号优质钢。

基本轴径计算

前面已经计算出，本船选用轴系的基本轴径：

中间轴 200mm ；