第19卷 第11期 中 国 水 运 Vol.19 No.11 2019年 11月 China Water Transport November 2019
咖啡玉米收稿日期：2019-07-29
虞 凯，李永顺
（舟山兴舸船舶设计有限公司，浙江 舟山 316000）
摘 要：本文主要介绍船舶轴系设计的步骤和要点，按实际要求并根据船舶类型、营运水域合理设计轴系。 关键词：轴系；设计；条件；要求；计算
中图分类号：U662 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）11-0078-03
船舶推进轴系作为独立的系统，结构外形较为简单，但作用十分重大，其设计的合不合理直接影响到船舶的安全性能和运行成本。船舶轴系主要由传动轴（推力轴、中间轴、螺旋桨轴等）传动设备（主机、
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联轴器、齿轮箱等）、支撑部件（推力轴承、中间轴承、尾管轴承等）、尾密封装置以及其它附件等组成。轴系的基本作用：主要是连接主机和螺旋桨，并将主机产生的功率通过轴传递给螺旋桨，螺旋桨旋转后产生轴向推力通过轴系传给推力轴承，再由推力轴承传递于船体。因此，螺旋桨能否正常高效的运转，主要取决于轴系工作的稳定性。在设计前期轴系材质、强度、结构等需综合合理的考虑，以便船舶性能达到最佳状态。 一、轴系布置设计流程
根据船舶类型、用途、吨位、航速；再按船舶主机的功率、转速以及相匹配离合器的传递能力。确定轴线及轴段的配置；再以轴的长度来决定中间轴承位置、数量和间距等，绘制轴系布置图；在确定完主机和齿轮箱后，根据《规范》计算确定螺旋桨轴、中间轴基本轴径。且轴的主要尺寸和轴的冷却方式初步确定的前提下，即可进行轴系的强度校核。然后进行轴系部件结构设计及选型；最后绘制轴系布置图、艉轴尾管总图、螺旋桨轴图、中间轴图、可拆联轴器及有关部件图纸。船舶轴系必需进行扭振计算，且轴径大于250mm 时需要合理校中计算。
二、轴系设计考虑的条件
船体线型、主机参数、齿轮箱参数、螺旋桨参数、船体结构、主机位置、螺旋桨位置、尾轴尾管、尾柱／轴承支架位置、润滑和密封型式等。
船舶设计轴系的数量，一般以船舶的类型、航行的区域和港口有关。对于大型货船、集装箱船、油船以及远洋渔船多采用单轴线；一般的客船、近海拖船、交通船及其他有特殊要求的船舶受吃水的影响或者从船舶的机动性、稳定性、航速高、操纵灵活等要求，尽量采用两根轴线；现代化的军船为了增强船舶间的对抗性多采用三根，甚至更多轴线，轴线的数目早在总体性能初步设计阶段已决定。
船舶轴线尽可能与船体基线平行，双轴系／多轴系的轴线的水平投影尽可能平行。但在船舶吃水较浅，为了保证螺
旋桨的浸没深度，只能将轴系向尾部倾斜一定角度，这个倾斜角度一般不大于5°，高速艇则最大可以加大至15°左右。而双轴系／多轴系有时为了避免螺旋桨桨叶间距过小，也会采用水平投影偏角，偏角一般不大于3°。由于轴系倾斜给主机带来不良的工作状态，降低螺旋桨运转时的有效推力，而且轴系重量本身也会产生轴向分力，该力与推力方向相反，进一步降低了螺旋桨的有效推力，所以轴系一般不设计成纵向倾角和横向斜角的形式。
乳化液泵轴线布置前非常重要的一点是螺旋桨的定位和布置，在主机、齿轮箱和轴系安装允许的前提下，尽可能降低轴线距基线的高度。
轴系抽出方式：尾机型船单一轴系，机舱空间有限，并设有减速齿轮箱时，一般考虑船外抽出。在没有齿轮箱，且空间允许时，一般考虑船内抽出，避免设置可拆联轴器，螺旋桨轴可用整锻法兰。
三、轴系设计要求
1．有足够的强度和刚度，工作可靠并有较长的寿命 目前国内适用于轴系的钢材牌号是20，30，35号优质钢，其中35号圆钢为性能最好。35号钢最低抗拉强度为480MPa，而35号锻钢抗拉强度随着设备和工艺的日益进步，普遍在530~560MPa 之间，因此计算时一律采用480MPa 强度计算，轴系过粗。《规范》一般要求是实际轴径比计算轴径大5mm，实际选取时可结合轴承和密封的内径范围来选定。
2．有利于制造和安装，便于日常维护
如尾机型船舶的短中间轴的设计，长度一般考虑两个因素。
（1）稍长于可拆联轴器，便于可拆联轴器的拆装； （2）便于中间轴法兰的磨具制作，减少用料。 3．螺旋桨布置及定位的要求
螺旋桨的布置与定位由船体总体设计决定，其原则是保证螺旋桨完全浸没于设计水线以下。具体数值要求如图1。
bimp图中D 为螺旋桨直径（m），一般单轴系的浸没深度取e=（0.25-0.30）D，双轴系的浸没深度取e=（0.4-0.5）D；螺旋桨的尺寸其原则是保证螺旋桨的高效，不应超出船体中
第11期 虞 凯等：船舶推进轴系设计要点解析 79
部轮廓之外；螺旋桨与艉柱、舵之间的最小安装间隙不小于下列要求：a=0.12D （m），b=0.20D （m），c=0.14D （m），d=0.04D（m）。
unmsg图1 螺旋桨布置及定位
4．中间轴承间距及位置的要求
（1）轴系中轴承间距的大小，对轴的弯曲变形、柔性和应力均有影响。为减少负荷，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
消防快速接头（2）轴承的安装位置，一船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）
5．合理选择润滑方式
（1）水冷却润滑：应充分考虑营运水域的水质情况，水质差则要求尾轴轴承对沙石有较好的嵌入性，过硬的轴承材质不太适合，轴承间隙在合理范围内可适当取大些；另一方面，最后一道轴承后应设有割绳装置，防止冷却水流堵死。防止水流堵死还有一种方法就是在尾柱上额外开流水孔，便于轴承冷却。
（2）油冷却润滑：有效防止油污泄漏除了注意尾密封的造型外，对轴系安装工艺要求也较高，建议尾轴前后轴承处采用镗孔工艺；尾轴尾管穿过的水密舱不建议为空舱，对传递轴承摩擦的热量不利，水舱则是通用的做法，便于轴系轴承冷却。
6．回旋、扭振、纵振和校中的核算
（1）回旋振动：为避免细长轴系的回旋振动，一般在设计过程中，将艉轴的前、后轴承间距尽可能的减小；对于计算轴径比较小的小轴，我们通常也相对加大螺旋桨轴的轴径来增加轴系的固有频率；另外，我们还可以改变螺旋桨的桨叶数量来改变叶片次临界转速。
（2）扭转振动：对于常规的四冲程配有高弹性联轴器和齿轮箱的轴系，一般的轴系对扭振影响不是太大；而对于二冲程低速机而言，就要注意中间轴及艉轴轴径的抗拉强度及轴径大小的问题，轴径的材料选取要受到扭振结果的影响，轴径的大小的选取以主机的转速禁区避开主机的常用转速为最终结果。主机的转速禁区，一般指轴系正常发火工况与一缸熄火工况，合排和脱排时是否存在转速禁区。确保主机能够长期安全和可靠的运行。
（3）纵向振动：是在推进主机产生的径向力以及在不规则伴流中螺旋桨产生的周期性变化的纵向推力作用下产生，当轴向激振力频率与纵向振动固有频率相同时，轴系会发生纵向共振。此时，推力轴承、传动齿轮及主机都将承受附加的轴向交变负荷和弯曲应力，从而引起疲劳破坏。重点是放在轴承
纵向刚度及吸振／减振器的使用上，对轴系设计之初影响不大。
（4）合理校中：轴系的校中除了包括校中计算书外还需安装校中工艺。
1）校中计算书：①轴系校中的计算时，需提供主机的基本参数（额定转速、缸径和冲程）；螺旋桨的基本参数（桨径、质量）；齿轮箱的基本参数（型号、速比）；前、后轴承的长度值；轴系的材料数据（抗拉强度）。②校中计算时应满足的条件：a.轴系各轴承的负荷均为正值；轴承负荷应不小于相邻两跨距间所有重量的20%。b.轴承的负荷一般不超过规定值：艉管后轴承应满足CCS 规范11.2.5.1的规定值（艉管轴承的负荷比压小于0.8N/mm 2；齿轮箱轴承负荷比压小于1 N/mm 2）。c.齿轮箱的前、后轴承的负荷差，应不超过两轴承之间轴段与大齿轮重量之和的20%。d.齿轮箱输出法兰处的弯距和剪力应满足齿轮箱厂的要求。
2）轴系的安装校中工艺，需要满足的校中条件：①船舶上层建筑、主机、锅炉、发电机以及其他重大设备均已吊装就位；校中安装及检验过程中，船上应无重大设备的迁移及压载的变更；②轴系区域船体的加工及装焊工程应结束，并经检验合格；③船舶结构的温度应稳定并尽可能均匀；④尾管装置已安装完毕；⑤在船舶处于漂浮状态时，考虑采取防止螺旋桨轴移动或转动的措施；⑥在船舶处于正常的漂浮状态时，螺旋桨浸水状态应尽量与计算书相近；⑦船舶完工状态应与产品建造原则工艺中的有关要求相一致；⑧确定轴系的理论中心线，镗尾轴毂孔或人字架毂孔以及尾轴、中心轴的安装与校中；⑨校中安装应避免阳光照射，要求尽量在阴雨天或夜间的环境下进行校中安装和交验。
3）校中结果首先是检查各对法兰偏差和开口，其误差不超过正负8mm；采用顶举法测量冷态的轴承实际负荷，一般不超过计算值正负20%。
经过上述对船舶轴系设计的条件、要求、计算的简单解析，从而了解轴系对船舶的重要性，设计高效、性价比高的轴系是需要综合研究和细心规划的。
参考文献
[1] 中国船级社.钢制海船入级与建造规范[S].北京：人民交通
出版社，2018.
[2] 《国内航行海船法定检验技术规则》中国人民共和国海事
局.北京：人民交通出版社，2011.
[3] 朱树文编，船舶动力装置原理与设计[M].上海交通大学出
版社，1985.
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