楊蓬勃 王光放 李文強(qiáng) 劉蘭娜

摘 要： 在廣州珠江新型水上巴士設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)軸系主要機(jī)械設(shè)備的布置與分析、主要技術(shù)參數(shù)的計(jì)算與選取，以及在實(shí)際建造與試驗(yàn)過(guò)程中推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)生的現(xiàn)象進(jìn)行剖析，并采用軸系計(jì)算軟件進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，進(jìn)一步的判斷軸系理論計(jì)算與實(shí)際應(yīng)用的一致性。

關(guān)鍵詞：珠江新水巴；軸系設(shè)計(jì)；回旋振動(dòng)

中圖分類號(hào)：U664.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 前言

廣州珠江新型水上巴士是廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院為廣州客輪公司研發(fā)和設(shè)計(jì)的交通運(yùn)輸船，主要用于廣州市區(qū)珠江兩岸碼頭之間的旅客運(yùn)輸，并兼顧珠江夜游。截止2013年底，該型船已投入運(yùn)營(yíng)8艘，其設(shè)計(jì)效果圖如圖1所示。

該船的主要技術(shù)參數(shù)如下：

總 長(zhǎng) Loa 34.11 m

型 寬 B 8.00 m

型 深 D 2.30 m

設(shè)計(jì) 航 速 ～12kn

乘 客 200人

該船設(shè)計(jì)從外觀造型、節(jié)能、環(huán)保、減振、降噪等方面進(jìn)行了綜合考慮，動(dòng)力推進(jìn)采用雙機(jī)、雙槳，軸線距船體中心線1 400 mm、與基線成1.263°夾角對(duì)稱布置。軸系設(shè)計(jì)在減振、降噪等方面進(jìn)行了重點(diǎn)考慮。

2 軸系布置

在船體線型與航速確定的情況下，螺旋槳參數(shù)的確定與定位、軸系與主機(jī)的布置對(duì)提高軸系的推進(jìn)效率[1]，保證推進(jìn)系統(tǒng)工作的可靠性與穩(wěn)定性及整船的安全與舒適性具有至關(guān)重要的作用。

2.1 螺旋槳性能參數(shù)與定位

通過(guò)船體航行阻力的計(jì)算，螺旋槳采用B型4葉槳，直徑1 040 mm、 盤(pán)面比0.55，轉(zhuǎn)速在600 r/min工況下即可滿足本船的推進(jìn)航速要求。

螺旋槳的定位綜合考慮船體基線、葉梢與船底板的間隙、槳尾端面與舵葉之間的維修間距等因素，確定螺旋槳的中心坐標(biāo)定為距基線520 mm、縱向距0+120 mm，葉梢距船底板～142 mm。此定位是考慮了珠江河道淺吃水、槳與船體板表由于水壓產(chǎn)生的脈動(dòng)[2]及槳的維修可拆空間而確定。

2.2 主機(jī)組的定位

柴油機(jī)采用重慶康明斯NT855-M300，最大持續(xù)功率/轉(zhuǎn)速224 kW/1 800 r/min，齒輪箱箱采用300標(biāo)準(zhǔn)型。在主機(jī)組布置時(shí)，主機(jī)組距機(jī)艙底部盡可能低，減小軸系與基線的夾角；在機(jī)艙設(shè)備布置允許的條件下主機(jī)組盡可能后移，減小軸系的傳動(dòng)長(zhǎng)度；綜合考慮排氣管距機(jī)艙頂部的距離和吊缸高度以及主通道的位置與寬度，確定主機(jī)組的位置，定位后軸系總長(zhǎng)約6 130 mm。

2.3 軸線與基線夾角的確定

本船軸系采用直線傳動(dòng)，在螺旋槳與主機(jī)組定位后即可確定軸線的基本夾角。并考慮尾軸與中間軸軸承的位置、尾軸管與船體板的開(kāi)孔位置、尾軸密封裝置的安裝空間、尾軸密封至齒輪箱之間的距離等因素，從而確定軸線的基本布置。

2.4 軸承數(shù)量與位置選取

軸承的數(shù)量與布置關(guān)系到軸系工作的穩(wěn)定性與可靠性，以及回旋振動(dòng)與校中工作，因此軸承數(shù)量應(yīng)在基本軸徑滿足規(guī)范要求的條件下進(jìn)行考慮與分析，選取尾軸基本軸徑為83 mm，中間軸基本軸徑為73.5 mm，而軸系總長(zhǎng)在6 130 mm，按照船體線型尾軸承至艙內(nèi)第一組中間軸承的距離至少需3 840 mm，否則，中間軸承需布置于船體板以外，因此軸承的數(shù)量需在兩組或三組與軸徑的實(shí)際選取上進(jìn)行綜合計(jì)算后確定。

2.5 軸承潤(rùn)滑形式的考慮

根據(jù)本船的工作工況及船東的建議，為了提高冷卻效率及軸承工作的穩(wěn)定性與可靠性，并減少由于冷卻水造成的江水污染，本船的潤(rùn)滑形式采用全密閉式油潤(rùn)滑，并在潤(rùn)滑系統(tǒng)中進(jìn)行油位及高度與應(yīng)急泄放中進(jìn)行特殊考慮，以防止滑油外泄造成江水污染。

2.6 軸承的安裝方式

在軸系設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)提前考慮軸承的安裝方式，目前常規(guī)方式是環(huán)氧澆注和機(jī)械鏜孔過(guò)盈配合安裝。由于安裝方式關(guān)系到整套軸系的設(shè)計(jì)依據(jù)、尾軸架尺寸以及尾管尺寸，并且關(guān)系到建造廠施工工藝及習(xí)慣和船東的意見(jiàn)等因素。本船通過(guò)與船廠、船東協(xié)商統(tǒng)一意見(jiàn)下采用了環(huán)氧澆注安裝，其優(yōu)點(diǎn)在于可以減少船臺(tái)的施工周期；降低鏜孔的技術(shù)難度；提高軸系的安裝精度。其不足之處在于會(huì)增加軸承基座的尺寸，且軸承在使用過(guò)程中的維修與更換增加了難度。

3 軸系計(jì)算

3.1 尾軸與中間軸徑的取值

按照內(nèi)河船舶建造規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，尾軸基本軸徑為83 mm，中間軸基本軸徑為73.5 mm，船體線型尾軸承至艙內(nèi)第一組中間軸承的距離至少需3840 mm，否則尾軸前軸承則需要布置于船體外板以外。為此，綜合考慮軸系設(shè)計(jì)的安全、制造與維修等因素，采用增加尾軸的軸徑來(lái)降低尾軸承間距（L）與尾軸直徑（D）的比值，將尾軸直徑取為100 mm，一是增加軸系工作的可靠性，二是降低軸系存在回旋振動(dòng)的可能性，從而滿足規(guī)范對(duì)軸承間距（L）與直徑（D）的比值要求；中間軸直徑則增加儲(chǔ)備余量，并取直徑80 mm。

3.2 橫向振動(dòng)初步核算

通過(guò)上述軸系的配置與基本布置，對(duì)軸系參照CB208-83進(jìn)行初步的橫向振動(dòng)核算，結(jié)果表明：

一階橫向振動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速余量為36.73%，滿足軸系最大臨界轉(zhuǎn)速余量20%的要求。

4 首制船實(shí)船試驗(yàn)情況

4.1 試驗(yàn)情況

軸系相關(guān)的圖紙按照規(guī)范的要求進(jìn)行送審，由船廠進(jìn)行生產(chǎn)加工并安裝，整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)在滿足試驗(yàn)條件的情況下進(jìn)行了運(yùn)轉(zhuǎn)工況試驗(yàn)。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)船體尾部有局部振動(dòng)及兩臺(tái)主機(jī)均發(fā)生冷卻水溫度高報(bào)警的情況，為此我們對(duì)整套軸系及冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖紙與實(shí)船施工情況進(jìn)行詳細(xì)的檢查與確認(rèn)。

4.2 原因分析

針對(duì)上述推進(jìn)系統(tǒng)在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，我們對(duì)相關(guān)的設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行了深入檢查與分析，初步判斷原因是建造過(guò)程中改為將冷卻水集中排放造成舷側(cè)排出口搶排現(xiàn)象，從而造成冷卻水量減少引起主機(jī)工作不穩(wěn)定，造成局部振動(dòng)情況的發(fā)生。

但是，也不能排除回旋振動(dòng)的可能性，為此我們對(duì)軸系的回旋振動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)復(fù)核計(jì)算。

5 軸系回旋振動(dòng)的核算

采用專業(yè)的計(jì)算軟件對(duì)本船的回旋振動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算其橫向振動(dòng)h=0，1、次正回旋振動(dòng)h=1和葉片次正回旋振動(dòng)h=1/5時(shí)軸系的固有頻率和軸系共振轉(zhuǎn)速，以判斷軸系工作的穩(wěn)定性。

5.1 基本參數(shù)

螺旋槳型號(hào) B-4

螺旋槳直徑 1 040 mm

螺旋槳葉數(shù) 4

螺旋槳盤(pán)面比 0.550

螺旋槳重量（附水） 129.00 kg

螺旋槳轉(zhuǎn)速 600.0 r/min

螺旋槳推力 21.83 kN

5.2 計(jì)算結(jié)果與判斷

計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 計(jì)算結(jié)果

由表1可以看出，通過(guò)軸系回軸振動(dòng)的詳細(xì)復(fù)核計(jì)算，軸系橫向振動(dòng)h=0的臨界轉(zhuǎn)速為866.66 r/min，而初步估算值為820.359 r/min，從兩個(gè)計(jì)算值的判斷均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。從工程學(xué)的角度分析，詳細(xì)復(fù)核計(jì)算值應(yīng)該更加接近軸系的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，從而可以判斷，軸系的回旋振動(dòng)是滿足軸系運(yùn)行工況的實(shí)際需求的。

6 改進(jìn)后的軸系運(yùn)行情況

通過(guò)首制船軸系及主機(jī)的運(yùn)行試驗(yàn)情況分析，建造廠對(duì)主機(jī)冷卻水的排放按照送審設(shè)計(jì)的圖紙進(jìn)行整改，盡量減少舷側(cè)排出口的管路彎角，并對(duì)海水總管路的透氣進(jìn)行改進(jìn)，盡可能減少管路中存在空氣。通過(guò)再次試驗(yàn)，主機(jī)工作穩(wěn)定，軸系運(yùn)行平穩(wěn)，船體尾部消除了明顯的振動(dòng)現(xiàn)象。

通過(guò)首制船的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和改正，在2#～8#船的實(shí)船試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)類似的情況，從而為珠江新型水上巴士的按時(shí)交付與正常使用提供了可靠的技術(shù)保障。

通過(guò)8艘船近半年多的實(shí)際使用，動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，從而為珠江兩岸廣大市民的出行提供了新型、安全、舒適、節(jié)能、環(huán)保的水上公共交通工具。

7 小結(jié)

船舶動(dòng)力推進(jìn)軸系的設(shè)計(jì)是總體性能實(shí)現(xiàn)的核心環(huán)節(jié)之一，直接決定著船舶使用過(guò)程的安全性、穩(wěn)定性與可靠性。因此，船舶動(dòng)力推進(jìn)軸系應(yīng)在船舶方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、軸系加工、實(shí)船建造、試驗(yàn)?zāi)酥潦褂谜麄€(gè)過(guò)程中引起各方的高度重視，特別是工程設(shè)計(jì)人員更應(yīng)如此。

參考文獻(xiàn)

[1] 輪機(jī)工程手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社出版.

[2] 船上振動(dòng)控制指南[M].北京：中國(guó)船級(jí)社，2000.

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