(江蘇南極機(jī)械有限責(zé)任公司，江蘇 泰興 225400)

整體艉管作為國(guó)內(nèi)近年來(lái)出現(xiàn)的新型船舶軸系部件，由配套廠家制造、經(jīng)由入級(jí)船級(jí)社檢驗(yàn)，合格后在船臺(tái)上現(xiàn)場(chǎng)定位安裝。該技術(shù)是對(duì)船廠在船臺(tái)上用長(zhǎng)鏜桿對(duì)艉管現(xiàn)場(chǎng)鏜孔這一傳統(tǒng)工藝的一大改進(jìn)，能節(jié)約船體占用船臺(tái)時(shí)間，縮短造船周期。本文以57 000 DWT散貨船(入級(jí)CCS船級(jí)社)配套的整體艉管為例，討論其制造及軸承壓裝工藝。

1 整體艉管的結(jié)構(gòu)形式

整體艉管由前艉管、后艉管及其軸承加上中艉管(鋼管)焊接而成，其結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1。

1-后艉管；2-后軸承；3-中艉管；4-油管；5-油管支架；6-前艉管圖1 整體艉管結(jié)構(gòu)示意

2 整體艉管的材質(zhì)

1) 前艉管、后艉管的材料為鍛鋼或鑄鋼，本船為鍛鋼。鍛鋼件的試樣化學(xué)成分和力學(xué)性能應(yīng)滿足中國(guó)船級(jí)社規(guī)范[1]的要求。其力學(xué)性能和化學(xué)成分見(jiàn)表1、2。

表1 力學(xué)性能

2) 中艉管一般采用標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)縫鋼管。對(duì)于大直徑的鋼管，當(dāng)無(wú)合適的規(guī)格或者購(gòu)買困難時(shí)，也可用相應(yīng)船級(jí)社認(rèn)可的鋼廠生產(chǎn)的鋼板，進(jìn)行卷制焊接而成。

表2 艉管鍛鋼件各化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

3) 后軸承殼體為灰鑄鐵，瓦襯為巴氏合金ZChSnSb4-4。

3 艉管軸承與艉軸管的過(guò)盈量、壓入力計(jì)算

1) 艉管軸承為白合金滑動(dòng)軸承，與艉管本體采用過(guò)盈壓入配合[1]。軸承材料選用灰鑄鐵，艉管材料為鋼。

后軸承最大過(guò)盈量δ1為

δ1=0.55D1Kc+(0.025～0.03)

(1)

后軸承最小過(guò)盈量δ2為

δ2=0.55D1Kc+0.005

(2)

式中：D1——軸承內(nèi)徑，mm；

Kc——系數(shù)，1/MPa。

(3)

其中：D1——后軸承內(nèi)徑，D1=516.8 mm；

D2——后軸承外徑，D2=620.0 mm；

D3——后艉管本體外徑，D3=830.0 mm；

μ1——灰鑄鐵泊松比，μ1=0.25；

E1——灰鑄鐵彈性模量，E1=120 GPa；

μ2——鋼的泊松比，μ2=0.30；

E2——鋼的彈性模量，E2=210 GPa。

計(jì)算得Kc=6.823 1×10-5MPa

將D1、Kc代入公式(1)、(2)，結(jié)果為

后軸承最大過(guò)盈量δ1=0.049 4；

后軸承最小過(guò)盈量δ2=0.024 4。

本例實(shí)取過(guò)盈量為δ=0.025～0.050 mm，即：δmin=0.025 mm，δmax=0.050 mm。

(4)

式中：δ——過(guò)盈量，mm；

R1——軸承內(nèi)孔的半徑，mm；

R2——軸承與艉管本體接觸面的半徑，mm；

R3——艉管本體外圓半徑，mm。

代入相關(guān)參數(shù)，得到pmin=0.646 MPa，pmax=1.292 MPa。

3) 艉管軸承壓入艉管本體時(shí)的壓入力F。

F=p×2π×R2×L×f

(5)

式中：p——艉管本體內(nèi)孔與軸承之間接觸面的壓力，MPa；

L——壓入面的總長(zhǎng)度，mm；

f——摩擦系數(shù)。

代入相關(guān)數(shù)值，得到Fmin=211.39 kN，F(xiàn)max=528.47 kN。

4) 艉管軸承壓入艉管本體時(shí)的壓入力F也可根據(jù)CB/Z233-87查到相對(duì)應(yīng)的數(shù)值范圍，見(jiàn)圖2。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)壓入力F與軸承內(nèi)徑D1的關(guān)系

4 整體艉管的制造工藝

4.1 艉管本體

4.1.1 艉管毛坯制造

1) 本體鍛造。本例前艉管、后艉管材料為鍛鋼，須在CCS船級(jí)社認(rèn)可的鍛造廠采用鎮(zhèn)靜鋼進(jìn)行鍛造。若鍛件直接由鋼錠鍛制或由鋼錠鍛成的鋼坯鍛制，如其纖維變形主要呈縱向時(shí)，其鍛造比應(yīng)不小于3∶1。

2) 鍛件化學(xué)成分。鍛鋼件的試樣化學(xué)成分應(yīng)符合表1要求。

3) 鍛件的熱處理。

①鍛鋼件完成全部熱加工后，在適當(dāng)?shù)募庸るA段，進(jìn)行相應(yīng)的熱處理，以便細(xì)化晶粒組織并獲得所要求的機(jī)械性能。

②如鍛鋼件經(jīng)最終熱處理后又進(jìn)行了矯直，則應(yīng)再次進(jìn)行熱處理，以消除有害的殘余應(yīng)力。

③本例對(duì)碳鋼鍛件應(yīng)進(jìn)行正火加回火( 回火溫度不低于550 ℃)的熱處理。

4) 鍛件的試驗(yàn)材料和機(jī)械性能。

①試樣應(yīng)按照CCS船級(jí)社的要求準(zhǔn)備。

②試樣應(yīng)按縱向選取,但若驗(yàn)船師同意，制造廠可按CCS船級(jí)社推薦的方向和位置選取。

③鍛鋼件的機(jī)械性能應(yīng)符合表2的要求。

5) 鍛鋼件的目檢和無(wú)損檢測(cè)

①驗(yàn)收時(shí),所有鍛鋼件均應(yīng)提交驗(yàn)船師目檢。

②鍛鋼件以粗加工狀態(tài)交貨，表面應(yīng)保持清潔,無(wú)雜物、油脂、油漆等。

③鍛鋼件在機(jī)加工到適當(dāng)階段和最終熱處理后,應(yīng)進(jìn)行超聲波探傷。

4.1.2 粗加工

前、后艉管按焊接前工藝圖進(jìn)行粗加工，各檔內(nèi)孔留15～20 mm余量，長(zhǎng)度留10 mm余量。

本例中艉管的直徑較大，因無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有合適的規(guī)格，購(gòu)買困難，故用鋼板進(jìn)行卷制焊接而成。

4.1.3 焊接

1) 將前艉管、中艉管、后艉管組裝成一體后進(jìn)行焊接，焊接前對(duì)工件環(huán)焊縫處進(jìn)行預(yù)熱，溫度為100～200 ℃,焊接完工后用石棉保溫2 h。保證總長(zhǎng)為4 005 mm，同軸度誤差≤±2 mm。

2) 上述工藝過(guò)程完工后,對(duì)焊縫進(jìn)行超聲波探傷，其結(jié)果應(yīng)得到驗(yàn)船師的簽字認(rèn)可。

3) 對(duì)艉管進(jìn)行≥0.2 MPa的水壓試驗(yàn),保壓時(shí)間30 min，確保無(wú)泄漏，其結(jié)果應(yīng)得到驗(yàn)船師的簽字認(rèn)可。

4.1.4 艉軸管在軸承壓裝前的鏜孔加工要求

1) 艉軸管用鏜排進(jìn)行鏜削，按圖紙尺寸分粗鏜和精鏜兩個(gè)階段進(jìn)行，粗鏜結(jié)束后，應(yīng)對(duì)鏜排中心再次校中，使鏜排中心與艉軸管端面的檢驗(yàn)圓的中心重合，不重合的偏差值應(yīng)控制在±0.03～0.10 mm內(nèi)，然后才能進(jìn)行精鏜，精鏜的切削余量≤0.50 mm，應(yīng)一次鏜出，無(wú)接刀；進(jìn)刀方向與軸承壓入方向一致，按壓入方向不允許有倒錐。

2) 按圖紙要求加工內(nèi)孔。圓度、圓柱度誤差≤0.025 mm；前、后艉管內(nèi)孔應(yīng)同軸，相對(duì)于艉軸管軸線的徑向圓跳動(dòng)≤0.03 mm。

3) 表面粗糙度數(shù)不大于3.2 μm。

4) 鏜孔復(fù)驗(yàn)通過(guò)后按圖詳細(xì)測(cè)量?jī)?nèi)孔直徑及當(dāng)時(shí)的艉軸管溫度，并作出記錄，供加工艉管軸承外徑用。

4.2 艉管軸承

本船的艉管軸承由船廠提供，軸承內(nèi)孔已加工好，僅軸承外圓留有加工余量，應(yīng)按艉軸管的鏜孔尺寸和配合要求進(jìn)行軸承外圓的加工。

1) 艉管軸承加工時(shí)外徑的確定。

①軸承外圓加工的尺寸按公式(6)、(7)確定。

Dmax=D2+δmax

(6)

Dmin=D2+δmin

(7)

式中：Dmax——軸承外徑的最大極限尺寸，mm；

Dmin——軸承外徑的最小極限尺寸，mm；

δmax——最大過(guò)盈量，mm；

δmin——最小過(guò)盈量，mm。

②根據(jù)計(jì)算及圖紙要求，本例確定艉軸管內(nèi)徑與艉管軸承外徑過(guò)盈配合的過(guò)盈量為0.025～0.050 mm，(兩工件加工后放在一起約2 h以上，待溫度基本相同時(shí)，測(cè)量每檔對(duì)應(yīng)尺寸的過(guò)盈量)。

③因?qū)嶋H尺寸存在偏差，故軸承外徑取每檔大多數(shù)尺寸的平均值為準(zhǔn)。

④因工件尺寸較大，過(guò)盈公差較小，故軸承機(jī)加工時(shí)須考慮溫度補(bǔ)償(溫度變化2～3 ℃，尺寸變化0.01 mm左右)。加工前應(yīng)先校核外徑千分尺和內(nèi)徑千分尺，測(cè)量時(shí)應(yīng)考慮上述因素。

⑤由于艉管軸承使用時(shí)，下部會(huì)磨損，故軸承內(nèi)、外徑存在著同軸度偏差，本例艉管軸承內(nèi)徑中心線比外徑中心線高0.4 mm。加工艉管軸承外徑時(shí)，不得以內(nèi)徑為準(zhǔn)校調(diào)，而是以軸承兩端25～40 mm長(zhǎng)的外圓基準(zhǔn)表面作為校調(diào)基準(zhǔn)。

⑥艉管軸承外圓精車時(shí)，要一刀連續(xù)車完，且不允許有倒錐。用粗糙度檢測(cè)儀測(cè)量外圓表面的粗糙度，應(yīng)滿足圖紙要求。

⑦艉管軸承外徑加工完成后，待軸承冷卻到室溫下進(jìn)行測(cè)量，作出詳細(xì)記錄(包括環(huán)境溫度)以作壓入軸承時(shí)參考。

2) 軸承外圓加工精度應(yīng)符合下述要求。

①圓度、圓柱度誤差≤0.020 mm，；同軸度誤差≤0.030 mm。

②表面粗糙度不大于3.2 μm。

5 艉管軸承壓入工藝

1) 去除毛刺，清潔艉管本體內(nèi)孔、軸承外圓，使艉管本體內(nèi)孔和軸承外圓無(wú)毛刺、無(wú)雜物、無(wú)油污。

2) 復(fù)檢艉軸管內(nèi)徑、軸承外徑、長(zhǎng)度及倒角尺寸及實(shí)際過(guò)盈量，應(yīng)符合圖紙及過(guò)盈量0.025～0.050 mm的要求，復(fù)檢時(shí)，艉軸管和軸承的溫度應(yīng)與環(huán)境溫度相同，否則會(huì)使軸承與艉軸管的實(shí)際過(guò)盈量與計(jì)算數(shù)據(jù)不符而影響壓入力數(shù)據(jù)。

3) 在配合面涂上二硫化鉬潤(rùn)滑劑。

4) 本例艉管軸承內(nèi)徑中心線比外徑中心線高0.4 mm，安裝時(shí)須將工件的“TOP”標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)上方。

5) 利用艉軸管端面螺孔安裝一塊導(dǎo)向板，供壓入軸承導(dǎo)向用，以免軸承壓入時(shí)產(chǎn)生周向轉(zhuǎn)動(dòng)。

6) 艉管后軸承壓入力計(jì)算值為211.39～528.47 kN。

7) 安裝液壓油缸及壓配裝置，其壓力表油壓讀數(shù)pb按式(8)計(jì)算。

(8)

式中：F——壓入力，由式(5)計(jì)算；

A——液壓油缸活塞有效面積，

A=33 693.5 mm2。

將F、A式(8)，得到pb min=6.27 MPa，pb max=15.68 MPa。

8) 上述計(jì)算結(jié)果表明，本例軸承壓入艉軸管時(shí)，液壓油缸壓力表讀數(shù)pb應(yīng)在6.27～15.68 MPa范圍內(nèi)。在正常情況下，隨著壓入面積的增

加，其壓入時(shí)油壓力會(huì)相應(yīng)上升，直至全部壓入到位，最終油壓應(yīng)符合上述計(jì)算要求。壓入時(shí)每壓入30 mm，記錄一次油泵油壓及溫度，根據(jù)記錄作出軸承壓入曲線。

9) 艉管軸承壓入后，將艉軸密封滑油管、空氣管、艉軸承溫度傳感器電纜套管在艉軸管內(nèi)固定結(jié)束，檢查油管的安裝正確性，油管支架固定的可靠性及管子的密封性，每根管子的密性壓力為0.3 MPa。

10) 軸承裝妥后應(yīng)檢查白合金的貼合質(zhì)量。

11) 清除艉管軸承內(nèi)異物，前后端配制擋板，以保持管內(nèi)清潔。

6 結(jié)論

整體艉管的加工關(guān)鍵是加工艉管內(nèi)孔，圓度、圓柱度和同軸度誤差要滿足圖紙要求，在壓入軸承的軸向不允許產(chǎn)生倒錐；根據(jù)測(cè)量的艉管內(nèi)孔配合面尺寸的平均值來(lái)控制軸承的外徑尺寸和加工精度。只有這樣，艉管軸承與艉軸管的過(guò)盈量、壓入力才能滿足技術(shù)要求。

[1] 中國(guó)船級(jí)社.材料與焊接規(guī)范 (2006)[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 中國(guó)船舶工業(yè)總公司指導(dǎo)性技術(shù)文件.CB/Z 233—87艉管軸承壓裝計(jì)算與質(zhì)量要求[S].2009.

[3] 徐芝綸.彈性力學(xué)簡(jiǎn)明教程[M].第三版.北京：高等教育出版社，2010.