船舶螺旋桨无键安装压入计算与装配工艺

庄先锋

摘 要：船舶螺旋桨与尾轴的无键联接方式在大中型船舶上广泛采用，而螺旋桨无键安装压入计算的正确性和安装质量的好坏，直接影响到船舶轴系运行的可靠性。本文以57 000 DWT散货轮为例，探讨螺旋桨无键联接的计算方法及其安装工艺。

关键词：螺旋桨；油压安装；压入计算；装配工艺

中图分类号：U661.33 文献标识码：A

The Keyless Propeller Hydraulic Press-in Calculation and the Assembly Process for Ship

ZHUANG Xianfeng

（ COSCO Shipping BulkK Co.，Ltd， Guangzhou 510220 ）

Abstract： The keyless connection between ship propeller and tail shaft is widely used in large and medium-sized ships.Its calculation correctness and installation quality of propeller， directly affect the reliability of ship shafting operation， also relate to the safety of navigation， In this paper， with 57000 DWT Bulk Carrier as an example， the calculation method and technology of propeller assembly by hydraulics are discussed.

Key words： Propeller； Hydraulic installation； Press-in calculation； Assembly process

1 前言

螺旋桨与轴的联接方法，主要有有键联接法、无键联接法和环氧树脂胶合法等形式。其中，无键联接法通常是采用油压方法将螺旋桨冷套装在无键锥体尾轴上的一种安装拆卸方法，具有装拆方便、可减少尾轴应力集中等优点。本文以57，000DWT散货轮为例，对螺旋桨无键安装压入计算和装配工艺进行探讨。

2 螺旋桨无键安装压入计算

螺旋桨无键安装需要计算的主要内容包括：轴向推入量计算；轴向推力计算；起始点负荷计算。

2.1 计算原始参数

（1）主机参数

型号 MAN B&W 6S50MC-C

额定功率（MCR） Ne=9 480 kW

额定转速 ne=127 r/min

名义扭距（MCR） 7.129×105

（2）螺旋桨轴参数

材料 锻钢

弹性模数 E1=20.6×104 N/mm2

泊松比 μ1=0.29

线膨胀系数 α1=12×10-6/℃

（3）螺旋桨参数

材料 镍铝青铜

弹性模数 E2=11.8×104 N/mm2

泊松比 μ2=0.33

线膨胀系数 α2=17.5×10-6/℃

屈服强度 σs=245 N/mm2

推力 δ=9.486×105 N

（4）結构参数

螺旋桨轴尾端锥度 K=1/20

套合接触长度 L=1 039 mm

轴中孔直径 d0=0 mm

套合接触处轴平均直径 d1=482.47 mm

桨毂平均外径 d2=989.37 mm

（5）其它参数

套合接触面积 A=π×d1×L=1.577×106 mm2

系数 K1=d0 / d1=0

K2=d2 / d1=2.052

C1=（1+ K12 ）/（1- K12 ）-μ1=0.71

C2=（K22+1）/（K12-1）+μ2=1.91

2.2 轴向推入量计算

如采用无键安装螺旋桨的装配工艺（见图1），装配完成后应保证螺旋桨锥孔与尾轴锥面的摩擦力能达到传递足够扭矩，并保证螺旋桨内孔接触面不会产生塑性变形。为此，在装配前需要对螺旋桨轴向推入量进行计算。

根据CCS规范，推入量S需满足以下要求：

S1 ≤S≤S2 （1）

式中：S——装配轴向推入量，mm；

S1 ——最小轴向推入量，mm；

S2 ——最大轴向推入量，mm。

最小轴向推入量S1按下式：

S1 =[4 7750×104 ×Ne ×η/ （ A×ne ）×（C1 /E1 +C2 /E2 ）+（α2 -α1 ）×（35-t）×d1 +0.03] / KS2 = [ 0.7×σs×d1 ×（K22 -1） / （3K24 +1）1/2×（C1 /E1 +C2 /E2 ）- （α2 -α1 ）×d1 ×t] / K （2）

当螺旋桨套合时的温度t=0 ℃时：S1，0 =11.33，S2，0 =14.20；

t=35 ℃时：S1，35 =9.47，S2，35 =12.34。

因此，当t=0 ℃和35 ℃时的推入量为：

S0 =（ S1，0 + S2，0 ） / 2=12.77；

S35 =（ S1，35 + S2，35 ） / 2=10.90。

图2为推入量与温度关系图。图中，最高处的直线为压入最大值，最低处的直线为压入最低值，中间处的直线为平均压入值。

2.3 轴向推力计算

通过液压螺母将螺旋桨安装至尾轴理论位置所需的轴向推力，按下式计算：

F=PAsinα+μPAcosα （3）

式中：F——螺旋桨安装时所需的理论轴向推力，N；

P——比压，P=（S×K/d1 ）×[1/（C1 /E1 +C2 /E2 ）]=5.28S N/mm2；

μ——螺旋桨与螺旋桨轴的压入摩擦系数；

sinα=K/（K2 +4）1/2 =0.025；

cosα=2/（K2 +4）1/2 =0.999 7。

取μ为0.01、0.02、0.03三种状态：

当μ=0.01时，F0.01 =2.96×106 S N；

当μ=0.02时，F0.02 =3.75×106 S N；

当μ=0.03时，F0.03 =4.58×106 S N。

将计算结果绘成推入量与推力关系图（见图3）。由于实际安装时，有许多外界因素直接影响推力，而摩擦系数也各不相同，因此推入量与推力可用插值法确定。

2.4 起始点负荷计算

起始点负荷，就是油压推入时的起始负荷。螺旋桨套合到尾轴后，在桨毂内无油压情况下将螺旋桨推入轴锥端，并使其内孔与尾轴锥面紧密结合。推入起始点时，桨毂孔与轴锥面的实际接触面积应不小于理论接触面积的70%，达到此要求后才可进行下一步的油压推入装配工作。

起始点负荷按下式计算：

W=A （ 0.002+K/20 ） [ P1+18 （α2–α1） / B3 ] （4）

式中：W--开始压装螺旋桨时的軸向推力N；

A--理论接触面积，A=1.577×106 mm2 ；

K--锥度，K=1/20；

α1 --轴线胀系数，α1 =12×10-6 /℃；

α2 --桨线胀系数，α2 =17.5×10-6 /℃；

P1 =2M{[1+V1（F12/M2+1）]1/2 -1}/AKV1 =60.35N/mm2；

M--螺旋桨推力，M=9.486×105 N；

V1 =0.51×（μ4 /K ） 2 -1=2.45；

μ4--油压套装螺旋桨时毂与轴的摩擦系数，取μ4 =0.13；

F1 =2Q （ 1+C ） / d1 =3.55×105 kgf；

Q--所选用功率和转速时的平均扭矩，Q=7.129×108 N.mm；

C--选用转速下扭矩波动量与此转速下平均扭矩的比值，取C=0.2；

B3 =C1 /E1 + C2 /E2 =1.96×10-5；

E1--桨轴材料弹性模数，E1 =20.6×104 N/mm2 ；

E2--桨毂材料弹性模数，E2 =11.80×104 N/mm2 ；

C1--同前，C1 =0.71；

C2--同前，C2 =1.91。

液压螺母活塞环形面积Ap=1.056×105 mm2 ；

液压螺母活塞所需油压P=W/Ap =4.39 N/mm2（Pa）。

代入公式（4），可得起始点负荷为：

W=464 111.1 N

3 螺旋桨无键安装工艺

3.1 车间内验证

（ 1 ）螺旋桨锥孔与尾轴锥面的拂配

在安装前，应对螺旋桨轴锥部与螺旋桨内孔进行拂配，其接触面积应不小于理论接触面积的70%，且每25×25 mm2内不少于3个油斑点，特别是在锥孔的两端不得有间断之处，用0.03 mm塞尺检查，插入深度不应超过10 mm，宽度不应超过15 mm，做好拂配线。

（ 2 ）螺旋桨锥孔与尾轴锥面的清洁

在安装前，应先用清洗剂清洗螺旋桨锥孔和螺旋桨轴的锥面，使配合表面无油脂等杂物。

（ 3 ）螺旋桨的吊装

将螺旋桨吊装到位，并旋上液压螺母拧紧到位。液压螺母旋入前，应清洁螺母内螺纹及尾轴外螺纹。

（ 4 ）螺旋桨车间试装及拆卸

在车间内场必须先正式试装合格，检查有无泄漏等异常情况现象，并记录推入量及油压力。试装步骤与船上安装相同，螺旋桨拆卸步骤如下：

① 松开液压螺母，在螺母与桨毂端面之间垫上木板，木板与桨毂端面之间保留间隙约为10 mm；

② 将桨毂上的进油管接好（径向压力腔），放掉系统内空气；

③ 缓慢升压，待升至装配记录油压时停止升压，螺旋桨可顺利松下；

④ 若仍拆不下时，可将油压继续缓慢升高，直至桨松动为止；

⑤ 在拆卸过程中，如有异常情况，应在恢复正常后方可进行下一步工作。

3.2 螺旋桨船上安装

在完成上述车间验证工作后，进行船上安装工作。

（ 1 ）接通液压管路，安装磁性千分表，如图4所示；

（ 2 ）测量桨毂及螺旋桨轴的温度，两者温度应相等。然后根据螺旋桨液压安装计算中的推入量及温度曲线，选取中间一根，算出该温度下的推入量。

此外，推入量的确定，也可根据下式计算：

dt=12.77-0.053 428 571 4 t （5）

式中：t —桨毂与轴的温度。

（ 3 ）打开（轴向）阀1向液压螺母泵油，放尽内部空气，然后起压，当油压升至起始点计算值4.39 MPa时停止供油，将两只磁力百分表调整至零位，即完成初始压入；

（ 4 ）打开阀1、阀2再启动油泵轴向径向升压，压入量每隔0.5 mm记录一次油压，直至桨推入到实际温度下的计算值，关闭阀1、阀2，然后在坐标纸上将以上各点连成线，如图5所示（图中压力不代表实际压力，必要时根据CCS和船东意见调整压入量，只要在计算范围内即可）；

（ 5 ）液压螺母继续持压（轴向），先卸去桨毂中的高压油（径向），待15～20分钟后再卸去轴向油压，注意螺旋桨有无移动，记录实际压入量，并标注好螺旋桨在轴上的位置；

（ 6 ）在安装过程中绘制油泵压力与推入量关系图；

（ 7 ）在整个安装过程如出现异常情况（压入量、轴向力和径向力不在正常范围），则需及时处理后再进行下一步；

（ 8 ）旋紧液压螺母，压紧环形活塞，放尽剩油然后旋上螺塞；

（ 9 ）拆除尾管密封装置固定架，将密封衬套及橡胶圈（预先套在轴上）用螺栓压紧，固定在桨上并测量密封装置的轴向尺寸和螺旋桨轴的下沉量，做好记录；

（ 10 ）按图安装止动块，再完善导流帽、防护罩渔网割刀等工作。

4 结语

船舶螺旋桨采用无键液压安装工艺，具有安装方便、劳动强度低、桨易拆装等特点。实践表明这一技术是可靠的，并且已被广泛应用。但其计算结果的正确性和安装质量，将直接影响到船舶的安全运行，因此其计算和安装结果均需得到船检认可。

参考文献

[1] 蒋建新.无键液压联接螺旋桨的液压联接计算 [J] .船舶设计通讯，

2004（2）.

[2] 罗斌，吕庭豪.3 7420 t多用途船螺旋桨液压无键联接的设计与安装

工艺[J]. 船海工程， 2003（4）.

[3] 吴宗荣. 船舶机械工艺修理学[M] .人民交通出版社.2000.