环境温度对轴系校中计算的影响初探

钱 程， 李 岩， 夏应应

(上海外高桥船舶及海洋工程设计研究院， 上海 200136)

环境温度对轴系校中计算的影响初探

钱 程， 李 岩， 夏应应

(上海外高桥船舶及海洋工程设计研究院， 上海 200136)

通常轴系校中计算中冷态和安装状态设定的环境温度均为定值，而实船轴系校中过程中环境温度是变化的，如果仅仅在某一冷态设定温度下做校中计算，必然会导致现场的实际校中出现偏差，因此研究环境温度的变化对轴系校中计算结果的影响就很有必要。

轴系 校中计算 环境温度 轴承负荷

1 前言

轴系校中就是按校中计算的要求和方法，将轴系装成某种状态(直线或曲线)，处于这种状态的轴系，其各轴段内的应力和各轴承上的负荷均应处在允许范围内，或具有最佳的数值，以保证轴系及与之相连接的机械(如主机曲轴、齿轮箱等)能持续正常的运转。实船校中过程中，温度的影响不仅包括主机热态轴承本身的升高，还包括机舱内部环境温度的变化，在校中计算中，我们设定冷态和安装状态的环境温度为20℃，而实际的环境温度是变化的，如果用20℃下的校中计算数据来校中实际环境温度下的轴系，势必会给实船轴系校中安装带来一定的误差。

本文以某船厂制造的某大型油轮(主机来自韩国现代)其轴系作为合理校中的计算模型(见图1)，计算软件采用DNV轴系校中计算软件NAUTICUS。其中，冷态和安装状态螺旋桨为半浸没，热态螺旋桨为全浸没，计算出不同环境温度下的轴系校中计算数据，进而来探讨环境温度对轴系校中计算的影响。

图1 轴系合理校中计算模型

2 轴承变位值

轴承变位值以韩国现代轴系校中计算中的变位值为准，其中热态的中间轴承的温度为35℃，主机轴承的温度为55℃。在热态计算结果满足轴系校中计算衡准要求下，根据韩国现代提供的中间轴承和主机轴承的线型膨胀数据，从而分别推算出0℃、10℃、20℃和30℃的冷态下，主机轴承和中间轴承受环境温度影响的各轴承变位值(见表1)，其中艉管轴承的变位值都为定值0。

表1 主机轴承和中间轴承在不同环境温度下的轴承变位值 单位：mm

3 轴承负荷影响系数

由于整个轴系的布置没有发生变化，因此轴承负荷影响系数是相同的，不受环境温度的影响，具体数据如表2所示。

表2 轴承负荷影响系数 单位：N/mm

4 轴承负荷

轴承负荷作为轴系校中计算的衡准之一，要求轴系各轴承的负荷为正值，即不允许有轴承脱空的状态；轴承负荷应不小于相邻两跨距间所有重量总和的20%；轴承比压不允许超过其许用比压。具体数据如表3所示。

表3 不同环境温度下的轴承负荷 单位：N

从表3中的数据可以看出:

(1) 随着环境温度的增加，中间轴承和主机轴承位置的升高，艉管后轴承、中间轴承和主机轴颈轴承的负荷逐渐增加，艉管前轴承和主机倒数第二道轴承的负荷逐渐减少；

(2) 冷态环境温度的改变，对主机倒数第二道及以后的轴承负荷影响较小，但是对艉管前轴承、中间轴承和主机轴颈轴承的负荷影响较大，具体数据如表4所示。

表4 不同环境温度下的轴承负荷变化值 单位：N

5 千斤顶顶举系数

施工现场轴承负荷不易直接测量，一般在轴承附近放置液压千斤顶(见图2)，通过千斤顶的顶举力，使该轴承刚好脱空，而轴系状态保持原状，该力乘以千斤顶顶举系数即得该轴承负荷。但在计算千斤顶顶举系数过程中，一定要确保被测轴承最先顶空。

顶空量可以用以下公式计算：

式中：Δ为千斤顶顶空量；Rjb为千斤顶顶举影响系数中千斤顶对被测轴承的影响系数；F为轴承负荷。

图2 千斤顶的位置

由于整个轴系的布置没有发生变化，因此千斤顶顶举系数和顶举影响系数不受环境温度的影响，具体数据如表5和表6所示。

表5 千斤顶顶举系数

表6 千斤顶顶举影响系数 单位：N/mm

在千斤顶顶举测量艉管前轴承负荷时，因为艉管前轴承和中间轴承的负荷接近，且艉管前轴承的千斤顶顶举影响系数(3 429 758)较中间轴承的千斤顶顶举影响系数(738 708)大很多，所以艉管前轴承比中间轴承先顶空。但是在千斤顶顶举测量中间轴承负荷时，主机轴颈轴承负荷较中间轴承负荷小很多，且主机轴颈轴承(1 682 177)和中间轴承的千斤顶顶举影响系数(2 871 066)相对接近，检查中间轴承是否较主机轴颈轴承先被顶空就很有必要。

图3 中间轴承和主机轴颈轴承在不同环境温度下的顶空量

从图3中可以看出：

(1) 随着环境温度的升高，由于中间轴承和主机轴颈轴承负荷的增加，其顶空量都逐渐增加；

(2) 冷态时主机轴颈轴承的顶空量始终比中间轴承小，也就是说，理论上在千斤顶顶举测量中间轴承负荷时，主机推力轴承较中间轴承先被顶空，假如主机推力轴承顶部间隙很大，足以满足中间轴承的顶空，则影响还不大，但是假如顶部间隙很小，主机轴颈轴承就有可能产生负的支反力，在中间轴承被顶空后所测得的负荷值就不正确。为了避免这种情况发生，就得重新布置千斤顶的位置，使千斤顶更加靠近中间轴承或者将千斤顶移至中间轴承的另一侧。

6 轴连接法兰开口

轴连接法兰开口和偏移影响系数表示轴系中某一轴承垂直位置改变一个单位(如1mm)时，造成轴连接法兰开口和偏移的变化量。在开轴状态，计算轴连接法兰开口和偏移值，是为轴系的合理安装提供施工依据，具体数据如表7所示。

表7 轴连接法兰开口和偏移值

同时也可以通过轴连接法兰开口和偏移影响系数(见表8)来计算出实际环境温度下的开口和偏移值。

表8 轴连接法兰开口和偏移影响系数

其中，主机轴承的热膨胀是整体上升或下降的；当后法兰在前法兰的上方时，开口为正值；当开口朝下时，偏移为正值，因此：

中间轴承热膨胀对中间轴和螺旋桨轴连接法兰的开口影响：-0.365 mm/mm。

中间轴承热膨胀对中间轴和螺旋桨轴连接法兰的偏移影响：-2.103 mm/mm。

中间轴承热膨胀对主机输出端和中间轴连接法兰开口的影响： 0.479 mm/mm。

中间轴承热膨胀对主机输出端和中间轴连接法兰偏移的影响：-0.584 mm/mm。

主机热膨胀对主机输出端和中间轴连接法兰开口的影响：

(-1.257)+1.287+(-0.016)+0.004

+(-0.001)=0 mm/mm；

主机热膨胀对主机输出端和中间轴连接法兰偏移的影响：

(-1.602)+0.608+(-0.008)+0.002

=-1 mm/mm；

此时，实际环境温度下中间轴和螺旋桨轴连接法兰的开口值可由下式计算：

开口= 0.62 - (0.144/15) ×(T-20)

× 0.365

式中：0.62为环境温度20℃时的开口值；0.144为从环境温度20℃到热态35℃的中间轴承热膨胀量。

实际环境温度下中间轴和螺旋桨轴连接法兰的偏移值可由下式计算：

偏移 = 2.86 - (0.144 /15) × (T-20)

× 2.103

式中：2.86为环境温度20℃时的偏移值，0.144为从环境温度20℃到热态35℃的中间轴承热膨胀量。

实际环境温度下主机输出端和中间轴连接法兰开口值可由下式计算：

开口 = 0.15 + (0.144 / 15) ×(T-20)

× 0.479

式中：0.15为环境温度20℃时的开口值，0.144为从环境温度20℃到热态35℃的中间轴承热膨胀量。

实际环境温度下主机输出端和中间轴连接法兰偏移值可由下式计算：

偏移 = 1.53 - (0.64/35)×(T-20)

- (0.144/15)×(T-20)×0.584

式中：1.53为环境温度20℃时的偏移值，0.144为从环境温度20℃到热态35℃的中间轴承热膨胀量，0.64为从环境温度20℃到热态55℃的主机轴承热膨胀量。

从以上计算数据和公式中可以看出环境温度对轴连接法兰开口和偏移值产生的影响较大，因此计算多个不同环境温度下轴连接法兰开口和偏移值就显得尤为重要。

7 结论

因为环境温度的改变会引起轴承的热膨胀效应，导致轴承变位值的改变，进而对轴系校中产生一定的影响。因此考虑不同环境温度下的轴系状态，使校中计算更加贴近实船环境，可以减少因校中计算给实船轴系校中带来的偏差。

[1] Hyundai Heavy Industries Co., Ltd. Calculation of Shaft Alignment(H1100)[S]. 2007.

[2] 周继良，邹鸿钧.船舶轴系校中原理及应用[M].北京：人民交通出版社.1985.

[3] 郭勇.船舶轴系校中通用工艺规范[S].2003.

Impact of Ambient Temperature on Shafting Alignment Calculation

QIAN Cheng1， LI Yan2， XIA Ying-ying3

(Shanghai Waigaoqiao Marine Design & Research Institute, Shanghai 200136, China)

Normally, ambient temperature in shafting alignment calculation to be setted a fixed value, whereas the actual ambient temperature during shafting alignment is variable. If shafting alignment calculation to be carried out only in one setted temperature, then, some deviation to be caused definitely. Therefore, it is necessary to study influence of ambient temperature on shafting alignment calculation.

Shafting Alignment calculation Ambient temperature Shaft bearing load

钱 程(1981-)，男，工程师。

U664

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