完整版船舶动力装置轴系设计计算.docx

1、完整版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。4.1轴系的布置4.1.1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

2、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 100C3peb （ - ） （4.1）“就 b 176.5,3 608100C3 （ ）V 170.9 530 176.5=191.88CmmC=1.0中间轴的直轴部分，d 191.88 mm,取200 mm作为设计尺寸。C=1.27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 191.88 1.27=243.69mm,设计时取 250mm。C=1.05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

3、C=1.05计算所得的值。d 191.88 1.05=201.47mm,即螺旋桨轴在联轴器法兰处的最小直径应不小于201.47mm。4.1.2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

4、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。4.1.3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11.47m (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

5、尾轴伸出和螺纹部分)。(2)轴线的倾角一般的，船舶纵向倾角约在05。之间。有些双轴系的船舶，容许轴线在水平投 影上离开船舶的中线面向外或向内偏斜，偏斜角 在03。之间。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2o2900kW 近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“ 海拖轮总布置图”中已经确定，距设计水线1.9m,而主机位置在机舱布置图中

6、给出，距 设计水线也是1.9m,故轴线位置求出如下：轴高度： 1.9m (无纵向倾角)轴横向位置： 距船中纵剖面2.8m,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

7、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：Imin24.93 dJ ( 4.2)= 24.9 3 201= 183.46cm= 1.83m式中：dz轴径，20cmI Imin 1 .83 ID o故在进行轴系布置设计时，应力求使轴承的间距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式中:dz中间轴直径，cm。西德劳氏船级社推荐的公式

8、I 142 dz =6.35m ( 4.4)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 3.6m。(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0.21 =0.72m ( I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

9、格。通过计算和实船调查，轴承间距1和尾轴基本直径 d的比值推荐米用以下数据:d = Ld 12d = Ld 14- 25pn-zinnmmd = 80 230mm I. d 16-40本船 d=250,设计成 L d =16.8, I 16.8d 16.8 0.25 4.2 m4.2轴系设计计算4.2.1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

10、本船 轴的材料选用35号优质钢4.2.2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；螺旋桨轴 250mm；本船齿轮箱自带推力轴，推力轴不需要设计。4.2.3螺旋桨轴它位于轴系的最后端，末端装有螺旋桨，首部则与中间轴相连。为了满足螺 旋桨 从船外向内安装的要求，螺旋桨轴首端接可拆联轴节。故螺旋桨轴选用两端为锥体形 式。1、轴颈轴颈是用来直接与尾轴承相按触的部分，它除承担传递动力外，尚有磨耗损失， 轴颈比轴干的直径大530mm。本船尾轴设计成从外向里进行安装，为了便于安装，将 前后的轴颈直径制成略有5mm差值（差值取值范围约210mm）,其首部轴颈直径略 小。为了避免或

11、减少应力集中，在轴于与轴颈的连接处，采用圆弧或斜锥过渡；为了减 轻轴的重量，有时可采用空心轴的结构，不过本船都是实心轴。根据轴干取值250mm设计轴颈直径：前轴颈直径260mm；中轴颈直径265mm；后轴颈直径270mm。2、锥体与螺纹部分轴的首、尾端制成锥体，主要为了便于装、拆和紧固联轴器或 螺旋桨。在轴系工作时，锥体部分承受着螺旋桨正倒车推力产生的压缩应力和拉应力， 还承受着传递扭矩及某些振动力等。在锥体上的键槽及安装在它里面的键则承受着剪切 应力及压应力；螺纹部分则用来安装紧固螺旋桨（联轴器）的螺帽，它主要承受拉应 力及某些冲击载荷。为了满足强度要求，它们应有一定的结构尺寸。对于首端的结

12、构尺寸可按以下经验数据选定（参见下图）（尾端装联轴器处的尺寸可按船标有关数据选定）；Dk 锥体大端直径；dK锥体小端直径；Ik 锥体长；lj-键(槽)长；d纹-螺纹直径;I纹螺纹长；2锥角；b键(槽)宽。图4.1尾端的结构尺寸锥形部分计算a锥度K可用锥体大小两个横断面直径差值与断面间距离的比值表示：Dk cIk gK = i A57 (4.5)Lk我国现有船舶轴系的锥度，以采用1： 15最多，依据这点，本船轴系锥度亦采用1 ： 15ob、 锥长：Lk (1.63.3) Dk=2Dr (4.6)=2.66 250=665mm式中：Dk 尾轴直径，250mm。c、小端直径：dK Dk KLk (

13、4.7)=250-1 15 665=205.67mm根据钢质海船入级与建造规范”在联轴器法兰处的最小直径，即螺旋桨轴在联轴器法兰处的最小直径应不小于d 191.88 1.05=201.47mmo式中：C=1.05将小端直径dk与海规要求最小直径d作差，dkd,满足了条件d、大端直径 Dk=250mm,前面计算得。键的主要尺寸a、键长LjLj(0.9 0.98)Lk=0.9 Lk (4.8)=0.9 665 =598.5mmb、键宽b (单键)b (0.2-0.3)Dk =0.25 Dk (4.9)=0.25 250 =62.5mmC 键rWj hh (0.5 - 0.6)b =0.5b (4.

14、10)=0.5 62.5=31,25mm尾端锥体的键槽是引起局部应力集中的原因之一。 最危险的部位往往是锥体大直径附近负载重的轴段，实际上锥体多数情况的疲劳裂纹是 从键槽的锐角上开始，为了减少局部应力，键槽的棱角应做成圆角，键槽底也应有R二 123mm 的 圆角，首端应制成雪橇形。螺纹部分a、螺纹直径d 纹(0.750.90)Dk=0.75Dk (4.11)=0.75 250 =187.5mmb、螺纹长度I纹d纹 (4产)=187.5mm小端直径dkd纹，满足了设计条件。3、轴干的保护层轴套与螺旋桨常由青铜或黄铜制成，铜材与钢轴在海水中就会形 成一对电极，使螺旋桨轴遭到电化腐蚀；另外，海水对钢

15、轴也会产生化学腐蚀，故在海 中运行的螺旋桨轴，必须考虑防腐措施。为了防止腐蚀损坏，采用阴极保护法”和海水隔离的覆盖保护法”前者是把锌 块焊或用螺栓固紧在被保护的尾轴上，以腐蚀锌块而保护尾轴；后者是涂防腐油漆，镀金属，用玻璃钢包覆，轴上包橡胶覆盖层等方法。424中间轴中间轴一般设在尾轴与推力轴之间，中间轴还常被用来安装制动器、轴带发电机及 转速发讯器等附件。中间轴按其两端连接件的不同，主要有两种类型：带整锻法兰的中间轴，两端为 锥体的中间轴。本船采用带整锻法兰的中间轴。中间轴的直径由计算求得，然后向标准化直径靠拢；中间轴的长度和数目以及轴颈 离法兰的间距等前面已算出。轴颈处或在中间轴通过水密隔舱

16、填料函处的轴段，都要适当地加粗，因该处与相 应的轴承要发生摩擦和磨损的缘故，以供修理时光车之用。一般这些部位比轴干加粗 520mm即可（按不同轴径选用）。本船中间轴直径： 200mm轴颈等加粗部位直径：210mm 4.3.5推力轴本船有减速齿轮箱，其推力轴已放在减速齿轮箱中，所以不设推力轴436传动轴的强度校核c、中间轴的强度计算将轴看成一根自由放置在两支点上的简支梁，其所受外力如图所示。这里不考虑相 邻跨距影响。取跨距最大一段。其中G,为法兰重量，a,b为法兰离支点距 离。 （J k 山l L i 一 图4.2中间轴受力示意图螺旋桨推力估算:1945.2 电(4.13)式中：T一螺旋桨最大推

17、力，N;Pmax一传递的最大功率,。一螺旋桨效率，拖轮:szlc 1470 110%=1945.2 0.514=112335.3NkW,按110%Peb计算；Vs船舶的航速，kn;。=0.30.6,取 0.5o(1)由主机转距引起的剪应力:MiWw(4.14)80150.601570.50=51.03N cm式中：Mt一主机最大功率时的转距，N cm ；Ww中间轴抗扭截面模数，cm3(4.15)9550max n max1470 110%=9550 4.53 0.9775 1470 10%(4 ,佝203=16(1 0)=1570.50 cm3式中：dz 中间轴直径，cm；中孔系数,mdz,实

18、心轴m=。； do一中孔直径,cm。(2)由中间轴本身重量所产生的弯曲应力:d Z4、wMw-(1m)32(4.17)20332=785.25cm3式中：dz 中间轴直径，cm ；m一中孔系数，实心轴m=0支反力Ra :Ra24.5360 288438.88 -360(4.18)=4761.1 ON式中：q 一轴自重产生的均布负荷，qi得最0,0062d； =24.5 N cm大弯距为Mwi和Mwp为:Ra(4.19)Mwi 2q4761.1022 24.5=462614.51 N cm2q(4.20)(4761 JO 438.88)22 24.5=412856.92N cm438.88 72

19、mwi mwp, 故选Mwi计算。MWwMW= 462614.51 =-785.25=589.12N cm(3)由螺旋桨推力产生的压缩应力:(4.22)112335.3102=357.58N cm2式中：Fw中间轴截面积，cm2。(4)由安装误差引起的弯曲应力：按经验选取 1471.5 -2943N cm2,轴系强度校核时最好取最坏情况考虑2943 N cm2o(5)合成应(4.23)二、(357.58 589.12 2943产 3 51.03, =3940.61 N. cm安全系数:(4.24)27440 3940.61=6.96 K= (2.55.4)式中：s材料屈服极限，27440N c

20、m2 ;h 一传动轴静强度计算的合成应力， N cm2 ;中间轴强度校核合格。2、螺旋桨轴的强度计算首先要确定桨轴的危险断面。对于一般船舶，桨轴的危险断面在 E-E截面,不过当桨轴两轴间距大，桨又较轻，桨轴的最大弯曲应力就可能在两轴承间的某个截 面K-K。(见图)。图4.3螺旋桨轴危险截面示意图(1)桨与桨自重产生的弯曲应力：E- E截面弯距计算：Mee Qb(C k) 2 (4.25)=25000 (120) 37287.86 24.5(45 120) 22=-2780552.55N式中：Qb 一桨及附件的重力，N;q一轴自重产生的均布负荷，Ncm支点反作用力Ra=a Qb 字2 I 24.

21、5 420 .120 420 = 25000 - 2 420KK截面的弯距计算：(4.26)=37287.86 NMkCQba-(Ra 2q2Qb)(4.27)120 25000 (37287.86 25000)22 24.5=-81459.25N比较，Mee M kk所以桨轴的危险断面在EE处，桨与桨自重产生的弯曲应力按E-E处计算。桨及轴自重引起的弯曲应力!/1建(4.28)WK w w=2780552.55=1533.2 =1813.56N cm2式中： Ww 一轴的抗弯截面模数，cm 3。Ww 卫(132m4)(4.29)0)=1533.2cm3式中：dj一桨轴直径,cm ；m一中孔系

22、数,m虫，实心轴m =0 ； djd。一中孔直径,cm o(2)由螺旋桨推力产生的拉、压应力:=112335.3二15八2式中：丁一桨的推力，N ；E一桨轴的截面积,3 cm(3)由主机扭距引起的剪应力(4.31)Mt Ww=80150=3066.4=26.14 N cm2式中：Mt主机最大功率时扭距，N.cm2 ；皿一桨轴抗扭截面模数，cm3。Ww 卫(1 m，、(4.32)16 m，)0)3=3066.4 cm式中：一桨轴的轴径，cm; m中孔系数，同前。(4) 合成应力：(4.33)H w -32(1956.53 228.96)2 3 26.142=2197.71 Ncm2(4.34)(5)螺旋桨的安全系数=27440= 2197.71=12.49许用安全系数查表得K=2.85.8则KK,螺旋桨强度合格。3、安全系数传动轴的静强度校核计算结果应符合下式要求：安全系数K KW -dA(1 m4)