大型集装箱船轴系研究探讨

质检总局、国家标准委于 2016 年 3 月初印发 《关于培育和发展团体标准的指导意见》（以下简称 《指导意见》）。
《指导意见》指出，培育发展团体标准，是发挥 市场在标准化资源配置中的决定性作用、加快构建 国家新型标准体系的重要举措。要按照党中央、国 务院决策部署，以服务创新驱动发展和满足市场需 求为出发点，以“放、管、服”为主线，激发社会 团体制定标准、运用标准的活力，规范团体标准化 工作，增加标准有效供给，推动大众创业、万众创 新，支撑经济社会可持续发展。
的负荷均在最大许用负荷以下，而且负荷也得到了
合理的分配，从理论上保证轴系后续能够安全运行。
2.2 艉管后轴承油膜分析
因为螺旋桨的重量，艉轴是悬臂梁结构，在艉
管后轴承的后部会形成局部边缘负荷（见图 4）。这
样会使艉管轴承容易产生高温，加剧轴承的磨损，
甚至会出现轴承和艉轴的破坏，船舶动力装置无法
正常工作，而轴与轴承间的油膜不仅可以起到润滑
应考虑船体变形， 考核热态静态和 动态工况
要
2 求 关于轴系最低稳 定转速要求
无要求
无要求
无 要 求， 但 需 进 主要考虑油膜的 行油膜状况计算 建立
1）所有轴承的水平偏心需尽量小，
施
并不得超过相邻轴承的间隙；
3
工 要 求
关于艉管带轴承 复光的要求
2）倾斜度需检查，与理论偏差不得 超过 ±0.1×10-3[rad]，同时需满足
3.2 码头轴承负荷测量记录 在码头阶段，根据船级社要求进行环氧前 / 后
两次轴承负荷测量，这些测量数据与轴系校中计算
书的吻合度很好（见图 7），说明实际轴系状态满足 轴系校中计算的要求，成功完成大型集装箱船的轴 系校中。
[kN] 700 600 500 400
300
200
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为应对轴系失效故障的不利情况，各大船级社
纷纷加大了对轴系的理论研究，并在规范中对轴系 的安装和校中增加了很多新的过程控制要求，尤其 以 ABS、DNV 和 BV（船级符号为 ESA，即弹性轴 ，文中将 主要针对 BV(ESA) 船级社规范新要求进行解读以及 提出其应对方法。
40 2016 年第 2 期
吴正辉 樊德 王闻嘉· 大型集装箱船轴系研究探讨
表 1 主要船级社规范新要求解读
序类 号别
重点事项
各船级社要求
ABS
LR
BV(ESA)
DNV
1
设 计
关于船体变形的 要求
应考虑船体变形，考核压载 热态、静态工况
/
满载、
应考虑船体变形， 考核热态、静态 / 动态工况
应考虑船体变形， 考 核 压 载 / 满 载、 热态、静态 / 动态
1.500 1.000 0.500 0.000 -0.000
-1.000 -1.500
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0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000
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图 6 艉管轴承内孔实船测量数据（竖直方向和水平方向）
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吴正辉 樊德 王闻嘉· 大型集装箱船轴系研究探讨
线性弹性支承模型将支承轴承看作线性弹簧，且轴 承与轴径刚性直接接触，忽略支承油膜的作用，适 用于轴系的静止校中计算。而轴系在实际运转过程 中，轴径是被具有一定承载能力的油膜支承着，而
油膜支承是非线性的。所以要真实反映轴系运转时，
应该要考虑油膜的作用。 根据船级社新规范的要求，该船在进行轴系校
中计算时，对艉管后轴承处的油膜进行分析，分别 计算船舶在压载和满载时，轴系在低转速和满负荷 下的油膜厚度分布（见图 5）。
机舱中部产生非常明显的上拱，主机区域产生非常
大的变形，同时由于螺旋桨的浮力影响，其轴系区
域变形比安装阶段有所减少；在压载工况，机舱中
部稍微有上拱，轴系区域变形在三种工况下是最小，
主机区域变形介于其他两种工况之间。
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图 5 压载和满载时艉管后轴承处的油膜分布
轴系在运转过程中，油膜的厚度会随着转速、 温度等因素的改变而发生变化，在加上主机启动、 换向和停车时轴与轴承不同轴，会增大轴与轴承的 水平方向的负荷。为了保证各工况下轴承可靠的润 滑和冷却，必须确保最小油膜厚度。一般可以通过 减少轴承负荷以及轴与轴承内孔相对转角等方式进 行优化，使得在整个轴承长度上均能有效建立润滑 油膜，从而保证轴承能稳定工作。 2.3 艉管带轴承复光检查
该大型集装箱船在艉管轴承装配完后，以前、 后轴承司必克中心连线为基准线，测量轴承内孔测 量点处的中心与基准线的偏差（包括竖直和水平方 向），对比校中计算中的艉管轴承内孔偏差值，要求 不大于 0.05 mm。 3 实船安装和校中的部分测量结果 3.1 艉管轴承压装后复光检查
针对本文所分析的大型集装箱船，在其艉管轴承 压装完后，使用精密的光学仪器检测艉管轴承内孔中 心尺寸，与校中计算书中理论值对比（见图 6），均满 足偏差在 ±0.05mm 范围以内的船级社要求，说明艉 管轴承实际安装后基本和校中计算书中的位置一致。
~52 300
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图 1 轴系布置图
2 船级社规范新要求的解读以及应对 近年来，随着主机装船功率的不断增大，以及
船体结构高强度钢的大量使用，导致轴系刚度和船 体柔度之间的矛盾愈发明显，船体结构的柔度越大， 轴承负荷的改变就越大。各大船厂新船试航过程中 发生轴系失效故障的案例也逐渐增多。
根据船级社新规范的要求，在进行轴系校中计 算时对船体结构进行了有限元建模（见图 2），计算 船舶在安装阶段、压载 / 满载工况下各轴承因船体 变形后相对高度变化，进而模拟计算各个工况下轴 承的负荷情况。
图 2 船体结构有限元建模 从各装载工况下轴承变形数据（见图 3）来看， 在安装阶段，由于螺旋桨的悬臂作用，轴系中部会 明显上拱，但主机基本保持水平状态；在满载工况，
（国标委网站）
双月刊 / 总第 263 期 43
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图 7 环氧前 / 后轴承负荷实船测量数据
4 结束语 通过对船级社新规范进行全面的研究，对该大
型集装箱船的轴系采取了相应的应对措施，包括从 轴系设计、计算以及工艺上进行优化。实践验证， 该船的轴系安装和码头校中过程以及结果均得到船 东和船检的认可，并且在试航中和目前的营运过程
中，轴系运行状况反馈良好。
参考文献
[1]Elastic Shaft Alignment Analysis [M]. Tecnitas Far East,2014.7. [2] 周继良，邹鸿钧 . 船舶轴系校中原理及应用 [M]. 人民交通出
版社，1985.6.
· 消息·
质检总局、国家标准委印发《关于培育和发展团体标准的指导意见》
4.00E-03
2.00E-03
0.00E-03 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
-2.00E-03
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图 3 各装载工况下轴承处的相对船体变形数据
该船的轴系校中计算总共考虑 11 种工况，基本
包含船级社所要求全部工况，从计算结果来看，通
过优化各个轴系轴承和主机的高度，使得各个轴承
关键词：轴系安装 集装箱 船级社规范
引言 船舶轴系是船舶动力装置的重要组成部分。轴
系的主要功能是将船舶主机发出的功率传递给螺旋 桨，同时又将螺旋桨在水中旋转时产生的轴向反推 力传给船体，以推动船舶航行。
近期，随着轴系运行的安全问题越来越受到重 视，各大船级社从轴系的设计、计算以及安装等方 面都提出更高的要求。船厂方为了使轴系的设计和 实船安装能满足相关要求，使图纸和工艺能顺利得
到船级社和船东的认可，也在跟进对新规范的研究， 以便采取相应的改进措施。 1 某大型集装箱船轴系布置简介
图 1 为某大型集装箱船的轴系布置示意图。该 船的主推进采用低速柴油机一台，中间轴三根，螺 旋桨轴一根，定距无键螺旋桨一只，艉轴装配有艉 管前 / 后轴承，每根中间轴上装配一个中间轴承，其 中螺旋桨轴直径约 950 mm，中间轴直径约 830 mm， 整个轴系全长约 52 000 mm。
——团体标准化工作机制基本完善。社会团体 自主制定标准的运行机制更加规范，第三方评估、 社会公众监督和政府事中事后监管的机制更加健全。
《指导意见》以“放、管、服”为主线，从“释 放市场活力、创新管理方式、优化标准服务”等三 个方面，提出了培育和发展团体标准工作的主要措 施，积极营造团体标准宽松发展空间，努力促进团 体标准有序规范发展，有力保障团体标准持续健康 发展。
船舶标准化与质量 ☆ 工作与研究 ☆
大型集装箱船轴系研究探讨
——船级社规范新要求的解读和应对 上海外高桥船舶与海洋工程设计研究院 吴正辉 樊德 王闻嘉
摘 要：大型集装箱船的轴系通常长度长、多轴段、直径大，其设计和安装难度较大。各大船级 社也对轴系的设计和安装提出了更高的要求。本文对某大型集装箱船的轴系进行研究，重点分析了船 级社新规范对轴系的设计和安装带来的影响以及应对措施。
双月刊 / 总第 263 期 41
船舶标准化与质量 ☆ 工作与研究 ☆
作用，也可以带走大部分的热量。
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图 4 艉管后轴承的边缘负荷
在轴系校中计算时，对轴承的处理有完全刚性 支承、线性弹性支承和油膜非线性三种计算模型。 完全刚性支承模型，忽略了轴承的弹性，模型简单，
但与轴系支承轴承的实际运行情况存在较大差异。
相对转角不大于 0.3×10-3[rad]。
无要求
测量值与理论值 在上下和左右方 向的偏差均不能 超过 0.05mm。
需在轴承安装以 后， 塞 轴 之 前 需 确认轴承的直线 度、 倾 斜 度 和 椭 圆度。
2.1 关于船体变形的要求 船厂方主要负责轴系的安装和码头校中，因而
比较关心这两个阶段的轴系数据。在做轴系校中计 算时，对安装状态和码头轴系静态的计算结果关注 较多。但最新的规范考虑到船舶在正常营运过程中， 船体会出现压载和满载工况，仅仅码头校中状态满 足要求，难以说明轴系在正常运行时就不会出现问 题。为了减少轴系在工作过程中出现问题，需要增 加计算船体变形对轴系的影响。
《指导意见》明确了培育和发展团体标准工作的 主要目标：到 2020 年，市场自主制定的团体标准发 展较为成熟，更好满足市场竞争和创新发展的需求。
——团体标准数量和竞争力稳步提升。社会团
体在市场化程度高、技术创新活跃的领域制定一大 批具有竞争力的团体标准。
——团体标准制定机构影响力明显增强。团体 标准化工作得到社会广泛认可，形成一批具有国际 知名度和影响力的团体标准制定机构。
在进行轴系校中计算时，艉管轴承内孔偏心不 仅会影响油膜的分布，而且会影响艉管轴承的负荷 分配，而艉管内孔镗孔误差、艉管轴承外圆加工误 差等都有可能使艉管轴承压装完后，实际内孔偏差 与校中计算书中有差异，为了保证实际轴系状态与 校中计算书中基本保持一致，不仅要在机加工过程 中严格控制加工精度，而且在装配完成后，应对艉 管带轴承进行复光检查，以确定实际艉管轴承内孔 与校中计算书中设计值的偏差满足新规范的要求。