高速艇推进轴系设计研讨

杨涛　张周磊　付国伟

摘要：本文以孟加拉巡逻艇轴系设计为例，对高速艇推进轴系的设计要点进行研讨，并简要介绍了高速艇轴系设计的某些方法。

关键词：高速艇；推进轴系；设计；要点

1.引言

推进轴系是确保船舶安全运行、总体性能指标达到设计要求以及提高船舶使用寿命的重要因素。

高速快艇与常规船舶相比具有不同的特点，主要表现为：船体型宽小，型深低，尾部空间狭窄，而主机功率大，轴长与轴径的比值较大等等。轴系设计过程中，需根据以上特点并结合艇体结构进行综合分析，采取相应的设计程序和设计方法，方可得到一个合理可行的轴系方案。现以某孟加拉巡逻艇轴系设计为例，简要介绍有关陕艇轴系的一些设计步骤和要点。

2.高速艇的相关参数

主尺度：总长-43m，型宽-6.4m，型深-3.6m；

最大航速：不小于25kn；

主机功率约：2台x2000kW；

轴系全长：-11m；

中间轴径：φ130mm。

3.涉及规范

CCS各种规范对轴系的要求大同小异。高速艇由CCS检验，轴系满足规则规范：

（1）ccs《水面舰艇人级规范2011》（以下简称“规范”）及其修改通报；

（2）CCS《材料与焊接规范2012》（以下简称“材料规范”）及其修改通报。

4.推进轴系设计方法和要点

4.1主机的选型

本类型艇航速高，推进功率大，而机舱布置空间狭小，故对重量控制要求严格。为此，须选配功率大、重量轻的高性能高速柴油机作为主推进动力。可供选用的知名品牌有MTU、CAT、CUMMINS、VOLVO、MWM等，主要是进口品牌或引进技术的柴油机。

确定柴油机型号时，除其功率须满足要求外，其外型尺寸、重量、排放标准、售后服务等应作为重要因素考虑，其次应兼顾制造成本、船东意向等因素。

此外，选用高性能柴油机还须注意主机满负荷使用率和年平均运行时间两个参数。

本高速艇选用河南柴油机有限公司生产的引进MWM技术的TBD620V16型柴油机作为推进主机。

4.2齿轮箱选配

齿轮箱选配与主机参数有关，为此，在确定主机型号以后，方可进行齿轮箱选型。选型时除考虑其重量、外型尺寸、成本外，还须考虑以下主要因素：

（1）输入转速：齿轮箱的额定输入转速不得小于主机的额定转速；

（2）传递能力：其能力应不小于主机额定功率与主机额定转速的比值，通常以kW/r/min表示；

（3）使用负荷：选用国外技术品牌的齿轮箱，要注意船舶年平均使用时间，对于同一型号的齿轮箱，如年平均使用时间增加，用于设计输入的传递能力取值会降低。国产齿轮箱，仅有持续载荷参数；

（4）传动比：根据螺旋桨转速及主机转速，可确定齿轮箱的传动比；

（5）反转、离合功能：对于采用可变螺距螺旋桨的推进系统，需选用无正反转功能的齿轮箱；对于采用固定螺距螺旋桨的推进系统，选用具有离合及正反转功能的齿轮箱；

（6）PTO功能：对需要轴带大功率装置的轴系，往往选用带PTO功能的齿轮箱。

（7）船东意向和售后服务情况：设备厂家维修服务和配件供应渠道应让用户满意。

（8）其他：采用螺旋桨推进时，应该考虑齿轮箱是否需要带推力轴承。

4.3轴系布置

轴系布置设计应采用的步骤和方法。

4.3.1轴系中心线的确定

（1）水平位置：根据轴系数量、主机宽度、机舱宽度等因素，确定轴系水平面布置位置；

（2）螺旋桨定位：由总体专业根据尾部线型、桨直径和舵装置位置及桨可拆空间等情况确定螺旋桨中心前后位置；

（3）垂向位置：根据主机与齿轮箱组合的高度和机舱底部结构及主甲板高度，确定主机和齿轮箱距基线的高度。其确定方法为：轴系中心线高度=基座高+垫片厚度+齿轮箱安装面至输出轴中心线的高度

（4）主机纵向位置：根据艇体尾部结构和齿轮箱外型尺寸及机舱长度等参数，确定主机齿轮箱在机舱内的前后位置；

（5）初定轴系中心线：经过上述步骤后，螺旋桨中心点和齿轮箱输出法兰中心点的连线可初步确定为轴系的中心线；

（6）轴系中心线调整应注意点：螺旋桨轴中心线应与齿轮箱和主机中心线平行，并且齿轮箱输出轴中心线应尽量与螺旋桨轴中心线同轴心；轴系中心线应尽量与艇体基线平行；

（7）布置检查：在初步确定轴系布置后，应根据主机、齿轮箱外型尺寸和机舱结构进行放样核查，对有夹角的轴系，需由总体专业进行推力分析核算，评估轴系布置对总体I生能的影响。

4.3.2轴承设置

轴承设置可采用以下步骤和方法：

（1）尾轴管轴承：通常，螺旋桨轴设有后轴承和前轴承，如果两者之间的跨距过大，其中间可增加1～2道轴承。后轴承应尽量靠近螺旋桨；

（2）中间轴承：根據螺旋桨前轴承与齿轮箱后轴承的跨距大小设置中间轴承；

（3）轴承跨距：通常由规范或设计手册推荐的经验公式计算，并结合艇体结构的布置情况来确定。主要方法是，轴承应尽量布置在艇体强结构处，并尽量使其跨距满足《钢质内河船舶建造规范》或其它船级社规范的推荐值。

4.3.3中间轴设置

根据轴系布置情况设置中间轴，对于长轴系，可设1-2根中间轴。

4.3.4联轴节

小型艇的尾轴从艇尾部向前穿，为此，螺旋桨轴采用可拆式联轴节与中间轴的固定法兰联接，中间轴与齿轮箱或主机采用固定式法兰联接。

4.3.5轴系附属设施

（1）隔舱填料函：在轴穿过水密舱壁处应设有隔舱填料函；

（2）制动装置：配置轴系制动装置，可防轴系随水流自转，保护齿轮箱和轴承；

（3）接地装置：可设接地装置，轴系与艇体连通，减少两者之间的电位差，以使轴系亦可受到艇体上的牺牲阳极防腐蚀保护；

（4）其它：根据实际所需在轴系上配置扭力仪等。

4.4尾轴尾管总装设计

完成轴系布置以后，方可进行尾轴尾管总装设计。其设计通常采用以下步骤和方法。

4.4.1润滑型式确定

尾轴承润滑常用油润滑或水润滑型式。孟国拉巡逻艇采用水润滑型式，水润滑型式具有环保性好、无后密封装置、冷却效果好、维修方便等特点，但对于航行于重泥沙水域的船艇，应注意选用耐磨轴承材料。

4.4.2轴径确定

首先应根据船舶规范要求进行轴系强度计算，确定各轴段的基本直径，以及轴套厚度。

4.4.3轴承规格确定

后轴承最小长度按规范计算，而其厚度，规范未作规定，常按经验取得。轴承内孔尺寸与所配轴颈直径匹配，并保证装配公差要求。在确定实际轴承规格时，应尽量选用厂家标准件，以节省制造成本，提高其互换性。本艇螺旋桨轴的前轴承长度取1.5倍计算轴径。

4.4.4轴承位置确定

邻近螺旋桨的后轴承定位时，注意核查其后端面与螺旋桨端面间的距离，应尽量减少螺旋桨轴后端悬臂长。

4.4.5螺旋桨装配型式

小型快艇广泛采用锥面配合有键连接方式，其螺旋桨键宜采用雪橇型，其键槽设计应满足规范要求。螺旋桨锥孔两端应采用密封措施，以防止海水渗入桨毂锥孔而引起腐蚀。

4.4.6配合公差确定

轴套与轴之间，轴与轴承间，轴承与轴承座间，密封装置与配合件之间均应标出配合公差。轴套与轴之间应采用过盈配合，其过盈量可参照CB*228标准确定；轴与轴承间为间隙配合，其间隙值可参考CB/T3420或等效标准确定；轴承与轴承座间，常采用过渡配合；密封装置与其偶合件之间配合公差按厂家推荐。

4.5轴材料选用

确定轴材料是轴系设计重要的一环，所选用轴材料的机械性能和化学成份应符合规范的限定。为了减少轴表面质量的敏感性，建议轴的抗拉强度小于800MPa。通常按以下方法确定轴材料：

4.5.1原材料选用

（1）热轧圆钢。如果轴可用直径不超过φ250 mm的热轧圆钢加工成品，则可选用热轧圆钢而无须采用锻件；

（2）锻件。任何规格的轴均可采用锻件。如采用锻件，其化学成份和机械性能均须满足CCS《材料与焊接规范》有关轴系锻件的要求。

4.5.2证书要求

推进轴系用材料均应取得CCS认可的材料证书；

4.5.3材质的选用

船舶主推进轴采用碳钢或碳锰钢或合金钢，并可参照选用CB/T1159标准所推荐的材质。亦有一些小型快艇的尾轴裸露在海水中，而采用防腐性能比较好的不锈钢材质。

4.6轴零件设计

在完成轴系布置和尾轴尾管总装设计后，方可进行轴零件图设计，设计轴零件时，须参照总装图和轴系布置图进行。

4.6.1与螺旋桨装配的轴段设计

对小型快艇，螺旋桨与轴通常采用锥度配合有键联接方式。

（1）锥体。其锥度为1/20-1/10，长度通常由螺旋桨毂长度决定，并满足装配后，轴锥体小端凹进螺旋桨后端10-20 mm，且螺旋桨孔大端不得超出轴锥体大端；

（2）键槽。应满足规范要求，键槽宽度常以轴锥体大端直径为基数确定；

（3）尾螺纹。螺旋桨由专用螺帽或导流帽固定，其螺纹轴端直径应不小于螺旋桨轴锥体大端计算直径的60%。

4.6.2轴颈设计

（1）轴颈位置。轴颈在轴上的位置应满足轴系布置和尾管总装图的要求，并注意轴径大小的变化方向应与施工穿轴方向相吻合；

（2）直径确定。轴颈通常比基本轴径大5-10mm，留有足够的磨损余量，对采用轴套的轴颈，比基本轴径大1～5 mm，且应注意其轴径的变化方向应与装配轴套方向相吻合；

（3）长度。与各轴承配合处的轴颈长度需超出轴承两端面20-50 mm。对采用包玻璃钢保护的轴，轴颈两端还应留有足够的包扎过渡空间。

4.6.3基本轴段设计

除需通过加大轴径来调节振动频率外，通常各段基本轴的直径比规范计算值大5～10 mm，且允许从尾部向前，逐渐过渡到中间轴直径。CCS规范允许不锈钢轴实取直径比计算值减少10%，但本文认为，如要采纳此条意见，建议进行屈服安全系数核算，其结果应符合相关要求。

4.6.4与联轴节装配的轴段设计

尾轴与中间轴用可拆联轴节联接，常用可拆联轴节有：机械可拆联轴节和液压可拆联轴节两种型式。机械可拆联轴节与轴联接为锥度配合有键联接方式，采用人工研配法安装，其设计方法与上述螺旋桨的装配轴段设计方法相似。而液压可拆联轴节與轴连接常为直轴无键配合方式，该轴段通常为直轴，其尺寸应按液压联轴节厂家要求设计。

4.6.5中间轴设计

中间轴两端采用固定法兰型式，与尾轴或中间轴、齿轮箱输出法兰连接，其法兰厚度应满足规范要求。对应中间轴承的位置应设有轴颈，其轴径比基本轴径大5-10 mm，长度比中间轴承宽度多50-100 mm。

4.6.6连接螺栓设计

轴系连接采用普通螺栓或，和铰孔螺栓，无论采用何种连接型式，其连接螺栓直径均须按照规范要求进行强度校核。螺栓在法兰盘上的分布位置，应保证不会对连接法兰根部产生严重根切。

4.6.7轴零件加工公差确定

推进轴零件的各轴段或/和法兰均应有形状公差和位置公差要求。形状公差有：圆度、圆柱度、平面度等；位置公差有：各轴颈相对于轴中心线的跳动公差，连接法兰相对于轴中心线的垂直度、端面跳动、法兰外圆径向圆跳动等。其公差值可参照CB*228标准确定。

4.6.8其它

倒角、圆角、表面光洁度。为了减少表面的应力集中等问题，在轴变径处应有足够尺寸过渡倒角或圆角，且整个轴的外表面应具有足够的表面光洁度。表面光洁度取值参照CB*228标准确定。对受较复杂交变应力或易产生摩擦阻力的轴段，可适当提高其表面光洁度。

4.7轴系计算

4.7.1轴系强度计算书

在轴系设计开始前，应按照规范有关规定进行轴系强度计算，首先确定中间轴和螺旋桨轴的基本直径，然后根据实际轴系布置、总装图等调整计算书中数据，使计算书中内容与图纸一致。计算的主要项目包括：

（1）基本轴径计算。应按照规范计算中间轴、螺旋桨轴及其它轴段的直径；

（2）轴套厚度计算；

（3）连接螺栓强度校核；

（4）法兰厚度校核；

（5）键强度校核等。

4.7.2纵向稳定性核算

对于快艇，其轴承跨距往往大于规范的推荐值，且轴向推力大，为此需按照CB/Z208标准或规范，对跨距与轴径比值最大的轴段进行纵向稳定性核算。如果计算不满足要求，可采用调整轴径、选用弹性系数较高的材料、减少承轴跨距等措施，或按规范要求设转速禁区。

4.7.3回旋振动估算

對于快艇，其轴承跨距较大，除上述计算外，往往需增加轴系横向振动核算。核算方法可参照CB/Z208标准进行，其计算所得临界转速应超过轴系最大转速20%。如计算不满足要求，可调整轴径或轴承跨距等参数，或按规范要求设转速禁区。

4.7.4扭振计算

对于快艇，主机功率大，往往需要进行轴系扭转振动理论计算。通常采用软件程序计算，但该计算软件应得到船检认可。如计算不满足要求，可采用调整轴径、改变弹性联轴器参数等措施。除计算外，在首制艇上还需进行振动实测。转速禁区设置须满足规范要求。

4.7.5纵向振动计算

通常，对于螺旋桨至推力轴承的距离大于60倍中间轴的轴系应进行纵向振动计算。其最大纵向振幅值不得超过规范要求，否则需设转速禁区。

4.7.6校中计算

对于快艇，其轴系布置与常规艇具有不同的特点，主要表现为轴系较长，尾管内轴承数量不止2道，往往难以保证轴承负荷合理分配和轴系的内应力在规定范围内。为此，除规范规定外，通常对小型快艇也进行轴系校中计算。计算的参数主要有：各轴承负荷、轴承负荷影响系数、指定截面的弯矩、剪力、转角、挠度等。其计算结果将用于轴系安装对中工艺。

5.结束语

综上所述，轴系应按照规范要求进行设计，对无法满足规范或存在疑问的项目，应增加理论核算以消除疑虑。本文以孟加拉巡逻艇为例，简述了快艇轴系设计的一些方法和要点，可供相关人员共同研讨。