哈工程--2015年“船舶动力装置设计”复习讲义--第4章

2015年“船舶动力装置设计”复习讲义—第4章  1 / 26  第4章  轴系与后传动  4.1 船舶轴系概述   主要内容1.船舶轴系概述2.船舶轴系的布置设计3.传动轴结构与设计4.轴系的合理校中5.船用摩擦离合器6.船用减速齿轮箱7.船用联轴器2、轴系的组成I.传动轴：中间轴、推力轴、尾轴或螺旋桨轴II.支承轴承：中间轴承、推力轴承及尾管轴承III.联轴器：固定联接法兰、可拆联轴节、液压联轴节、弹性联轴节、夹壳联轴节、齿形联轴节、膜片联轴节、万向联轴节等IV.轴系附件(用于连接传动轴的联轴器；制动器；隔舱填料函、尾管密封；还有中间轴承、推力轴承、尾管轴承的润滑与冷却管路；接地装置；防腐蚀装置等)V.减速齿轮箱2015年“船舶动力装置设计”复习讲义—第4章  2 / 26     3、轴系的工作条件一般位于水线以下，有一部分伸出船壳，长期浸泡在水中。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；•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所产生的附加应力。4、轴系的设计–任务轴系设计的任务：根据船舶总体设计的要求，确定推进轴系的布置和各部件的尺寸及材料，以保证整个轴系能安全、平稳地完成各种工况下的推进和机动任务。设计要求：•船舶总体设计的要求及推进轴系的具体特点全面分析•不断反复、调整的过程•必须整体考虑•国内螺旋桨由总体专业设计•主机由厂方提供必要的数据•减速齿轮箱、弹性联轴器等外购，也可成套•轴系零件应尽量选用标准件2015年“船舶动力装置设计”复习讲义—第4章  3 / 26      轴系应保证在船舶横倾15o、横摇22.5o、纵倾5o、纵摇10o时以及上述几种情况同时发生时能可靠的运行。对短轴系(如尾机舱型),应注意螺旋桨轴抽出方案(包括抽出所需空间位置)。•必须整体考虑一般考虑在船内抽出, 船内抽出不可能时，则向船外抽出。•螺旋桨轴如向船内抽出，则需考虑抽出空间，螺旋桨轴可用整锻法兰；向船外抽出时，螺旋桨轴应使用可拆式联轴节。•单轴系要注意轴承间距和校中计算，尤其是尾管前后轴承的负荷分配。•每一根中间轴一般只设一个中间轴承，对极短中间轴可不设中间轴承。长轴系(如中机舱型)，则应注意轴承间距及回旋振动的计算。4、轴系的设计–流程双轴系•轴承间距与轴径比l/d较大时，特别要注意回旋振动；•注意轴线与基线及纵中心线的夹角，从而考虑推进分量和主机的允许倾斜度；•螺旋桨轴大部分在船体外，应注意防腐蚀。4、轴系的设计–种类及设计要点调距桨轴系•由于轴不仅承受螺旋桨的推力，还要承受调距推进杆(如用推进杆调距时)的轴向力，所以轴系各部分尺寸均需考虑该力的作用；•由于调距桨在系泊时能发挥主机全功率，系泊推力大。因此，推力轴承及其他有关轴系部件均需考虑系泊推力的作用；•配油器位置应尽量靠近尾舱(对使用推拉杆调距时)，推拉杆最长不应大于20m；•在相同的功率和转速下，调距桨比定距桨重，所以对尾管后轴承的受力应予仔细考虑4、轴系的设计–种类及设计要点2015年“船舶动力装置设计”复习讲义—第4章  4 / 26     有足够的强度和刚度，工作可靠并有较长的使用寿命；有利于制造和安装，在满足工作需要的基础上，力求简化，使制造与安装方便并便于日常的维护保养；传动损失小、合理选择轴承种类、数目及润滑方法；对船体变形的适应性好，力求避免在正常航行状态下因船体变形引起轴承超负荷；保证在规定的运行转速范围内不发生扭转、横向和耦合共振；避免海水对尾轴的腐蚀，尾管装置具有良好的密封性能；尽可能减小轴的长度和减轻轴的重量。4、轴系的设计–设计要求50MnA质量等级此项无符号–优质标A –高级优质标E –特级标C –超级化学元素符号，含锰量较高（0.70%‐1.00%）时标出锰元素含碳量以万分之几表示平均含量数字或符号数字为万分之几（如10MnPNbRE表示含碳量为0.1%）数字表示平均含碳量元素代号按化学元素符号数字表示平均合金含量以百分之几表示A最后标有符号“高”或“A”的钢号，表示磷和硫含量较低的优质钢1.平均合金含量1.5%,钢号中仅标明元素,如35CrMnA2.平均合金含量≥1.50%,2.50%,3.50%,23.5%时,相应地写成2,3,4,24,如34CnNi3Mo表示平均含镍量为3%5、轴系的材料5、轴系的材料–要求船舶轴系中的中间轴﹑尾管轴﹑螺旋桨轴等一般用优质碳素钢锻制而成，只有小功率的允许用热轧钢圆钢，其直径应不超过250mm（CCS）。轴系联轴节也应用优质碳素钢锻制，有些情况亦可用球墨铸铁制造。锻钢轴的抗拉强度σb一般应在下列范围内选择：•碳钢和锰钢为400N/mm2‐600N/mm2；•合金钢不超过800N/mm2。选用高强度钢可以减小轴的直径，但材料的强度过高，其韧性会有所降低。在中间轴和螺旋桨轴轴径计算中，各船级社规范对强度上限均有限制（但现在有的船级社已有所放宽），不必选用超过其限制的值。如中间轴材料推荐选择σb≤800N/mm2，对螺旋桨轴推荐选用σb≤600N/mm2。2015年“船舶动力装置设计”复习讲义—第4章  5 / 26     5、轴系的材料–不锈钢轴裸露在水中常用不锈钢，国际上最常用的是316不绣钢（美国AISI标准，日本标准为SUS316），化学成分为Cr18Ni10Mo3。据试验，316不锈钢在水速为2.5kn海水中3.5年无点蚀，但在静水中则点蚀3mm。与此相当的国产不锈钢为0Cr17Ni12Mo2。但推荐使用0Cr18Ni12Mo2Ti，其机械性能为σb=54N/mm2，σb=216N/mm2（见GB/T1220—1992）。33100eePdKn5、轴系的材料–非金属材料玻璃纤维强化塑料是非导体，且无磁性，尤其适用于军舰。碳素纤维强化塑料特点是强度高和质量小。两种材料还可以复合。这类纤维复合材料质量只及钢轴的13%‐25%，刚度高，使轴系临界转速比传统高；由于质量小，可减少中间轴承数目，16m长的轴只要设一只中间轴承、耐腐蚀，搬运、安装均方便。目前德国盖斯林格等公司已有成品供应，规格从200mm‐600mm，传递扭矩可达700kN∙m，并提供轴系扭振和回旋振动计算等技术服务。德国CENTA Antriebekirschey公司截面尺寸(mm)抗拉强度σb/N∙mm2430‐480600690785880101‐20025C35C40C45C40CrA35CrMoA45CrNi34CrMo1A34CrNiMoA34CrNi3MoA18Cr2Ni4WA201‐30025C35C40C45C40CrA35CrMoA35CrMoA45CrNi34CrMo1A34CrNiMoA34CrNi3MoA18Cr2Ni3WA301‐40025C35C40C35CrMoA34CrMoA34CrMo1A34CrNi3MoA34CrNiMoA34CrNi3MoA34CrNi3MoA401‐50025C35C40C35CrMoA34CrMo1A34CrMo1A34CrNiMoA34CrNi3MoA按截面尺寸和强度要求推荐选用的钢号见下表5、轴系的材料–钢号选用2015年“船舶动力装置设计”复习讲义—第4章  6 / 26  4.2船舶轴系的布置设计    2、主机(机组)布置的原则•对单主机，一般布置在船舶纵中剖面上，即船舶首尾中心线上；•对双主机一般对称布置于船舶纵中剖面两侧，即对称于机舱中心线两侧。(1) 对称布置：考虑到重量平衡及便于布置与方便操作。2015年“船舶动力装置设计”复习讲义—第4章  7 / 26      (3)主机尽量靠近尾舱壁布置，使轴系长度缩短(要考虑有无传动设备、隔舱密封部件的拆装、更换位置，同时要兼顾机舱开口的位置)。(4)考虑主机左、右、前、底部与上部是否满足船舶规范，拆装与维修要求以及吊缸的高度。2、主机(机组)布置的原则2015年“船舶动力装置设计”复习讲义—第4章  8 / 26      4、轴承的设置–轴承的负荷•在进行轴系布置时，应尽量使轴系各轴承的负荷比较均匀，并使其比压在允许的范围内。•负荷过重•负荷很小或为零•轴承负荷是负值Tips: 轴承负荷过大或过小都是不合理的，一般地说，轴承负荷至少要求不得小于两旁跨距轴重量之和的20%。•铁梨木艉管轴承：0.3 MPa；•橡胶艉管轴承：0.3 MPa；•复合材料艉管轴承，最大为0.3 MPa；•白合金艉管轴承：0.8 MPa；•中间轴承：0.6 MPa；•大齿轮轴前后轴承：静态许用值为1MPa，轴系运转状态许用值为3 MPa。2015年“船舶动力装置设计”复习讲义—第4章  9 / 26    4.2传动轴结构与设计   •传动轴通常由螺旋桨轴、中间轴和推力轴，以及连接这些轴段的联轴器所组成。•中机舱型船舶的轴系，一般采用多根中间轴；•尾机舱型船舶轴系，传动轴往往只由一根中间轴和一根螺旋桨轴组成。•螺旋桨轴伸出船体过长的多轴线船舶的轴系，通常又增设尾管轴(通过尾管但不安装螺旋桨的轴段)。1、传动轴的组成1、传动轴的组成中间轴推力轴尾轴螺旋桨轴•材料•结构•润滑中间轴承布置强度校核尾轴承布置防腐措施强度校核尾轴管结构推力轴承尾管密封2015年“船舶动力装置设计”复习讲义—第4章  10 / 26      1、中间轴–传动轴的直径计算(海船)d–轴的直径，mm；F–推进装置型式系数，F=95，对于涡轮推进装置﹑具有滑动型联轴节的柴油机推进装置和电力推进装置；F=100，对于所有其它型式的柴油机推进装置；C–不同轴的设计特性系数；Ne–轴传递的额定功率，kW；ne–轴传递Ne的额定转速，r/min；Rm–轴材料的抗拉强度对于中间轴，若Rm800N/mm2时，取800N/mm2；对于螺旋桨轴和尾管轴，若Rm 600 N/mm2时，取600 N/mm2。3560160eemNdFCnR3011adddd具有下述式的中间轴对在发动机外的推力轴具有下述型式的螺旋桨轴整体连接法兰液压无键套合联轴器键槽径向孔﹑横向孔纵向槽在推力处向外等力轴直的部分，余部分可圆锥减小中间轴直径在轴向轴承处，此处滚柱轴承用作推力轴承油润滑，且具有认可型油封装置，或装有连续轴套的无键套合或法兰连接的螺旋桨轴油润滑，且具有认可型油封装置，或装有续轴套有键螺旋桨轴适用于3.3.3.3规定螺旋桨长度以的螺旋轴或尾轴到尾舱舱壁分的直径1.0①1.0②⑤1.10②⑤1.10③⑤1.20④⑤1.101.101.201.261.151、中间轴–设计系数C2015年“船舶动力装置设计”复习讲义—第4章  11 / 26     2015年“船舶动力装置设计”复习讲义—第4章  12 / 26     2015年“船舶动力装置设计”复习讲义—第4章  13 / 26     2015年“船舶动力装置设计”复习讲义—第4章  14 / 26     3、推力轴–推力轴承推力轴承的作用是承受轴系的轴向载荷。船舶上的主推力轴承是用来承受螺旋桨所产生的推力或拉力，使船舶前进或倒航；同时，它还承担推力轴的径向负荷。推力轴承有滑动式和滚动式两类型式：对于大型船舶目前均采用滑动式推力轴承，而滚动式推力轴承只采用在中、小型船舶上。有些直接传动的主推进装置，以大型低速柴油机作主机，其主机自带推力轴承。带有减速箱的推进装置，其推力轴承一般设在减速箱内。对于这类轴系，一般不需再设推力轴承。但是，不少船舶主机采用中速机，其机内未设专门的推力轴承，故必须单独配置推力轴承。2015年“船舶动力装置设计”复习讲义—第4章  15 / 26     2015年“船舶动力装置设计”复习讲义—第4章  16 / 26     3、推力轴承–润滑方法与间隙推力轴承的润滑方式一般有两种：一种是压力润滑，采用单独的滑油泵或主机滑油泵将滑油打入推力轴承，工作后受热的滑油再被抽出送至冷却器，再至循