具体船舶轴系ppt下载

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第二章 船舶轴系的组成与设计 §2-1 概述 §2-2 轴系的布置设计 §2-3 传动轴的规范计算及强度校核 §2-4 传动轴的结构设计 §2-5 中间轴承与推力轴承 §2-6 尾轴管装置 §2-1 概述 任务：将主机的功率传给螺旋桨，又将螺旋桨所产生的推力传给船体，以实现推进船舶的使命。 组成：传动轴（中间轴、螺旋桨轴、推力轴及连接轴与轴用的联轴器），轴承（中间轴承、推力轴承及尾轴承），以及其他附件等。 轴系关键部件 （1）推力轴：它前端有法兰与主扭曲输出法兰相连接，其后端的法兰与中 间轴法兰相连。 （2）推力轴承：用以承受推进器通过推力轴 传递来的推力，并通过它将推力传给船体。 （3）隔舱填料函：用以保持轴系穿过水密隔舱处的水密 （4）中间轴承：主要用来承受中间轴的径向负荷 和重量。 （5）尾管：用来支承尾轴承和螺旋轴，螺旋桨轴的密封元件也装在管中，用以封水 封油。 （6）润滑系统：用来提供并保证尾轴承中滑油的供应。 （7）制动器：常装 在中间轴联轴器的外缘上，用来使轴制动。 （8）冷却管路：给尾轴管、中间轴承、推力轴承供给冷却水。 轴系的多节性 传动轴较长，有的达100m以上。对于这样长的轴系， 如果只用一整根轴，是困难和不方便的，且没有必要。为了加工、制造、运输、拆装方便， 常常把传动轴分为许多节，并用数个联轴器将各节轴段连接起来组合而成。 二、轴系的工作条件和要求 由于轴系位于水线以下，一部分轴系长期浸泡在水中，工作条件恶劣，受力复杂；同时还受到船体变形、装载等的影响。 如果轴系设计布置或安装不当，往往会导致轴系摩擦部位发热、剧烈的磨损，甚至发生断轴事故。 2、轴系的要求 1)工作可靠且有较长的使用寿命。有足够的强度和刚度，满足规范要求，保证轴系在各种恶劣的载荷情况下不致发 生永久变形或断裂，使其在运行中安全可靠，并有较长使用寿命。 2)尽量采用标准化结构。在满足工作需要的基础上，应尽量采用标准化结构。这不仅给制造安装带来方便，还能缩短造船周期、降底制造成本、提高经济 效益，而且对产品的质量提供了可靠的保证。 3)传动损失小。在轴系设计时，要正确选择轴承数目、布置位置和润滑方式，将传动损失 降底到最小限度，以提高推进效率。 4)良好的抗振性能。保证轴系在营运转速范围内不产生扭转共振和横振共振， 进行振动临界转速的计算。 5)对船体变形的敏感性小。因船体变形使轴系各支承产生位移而导致轴系产生附加应力和附加负荷。轴系设计和布置时就要考虑使这种影响尽可能小一点以减少传动损失延长轴系寿命。 6)良好的密封性。选择性能良好的密封装置，既要防止海水对轴系的腐蚀，又要防止滑 油的外漏而污染海洋环境。 7)重量尺寸要小。缩小轴系的重量尺寸，以省出更多空间来装载货物或作其他用，对提高船舶的运行经济性也看好处。 §2-2 轴系的布置设计 布置设计思路： 通过布置确定轴系长度，决定轴承位置和间距等。 根据规范计算确定基本轴径。 进行轴系的强度校核。 有些大型船舶轴系还要进行必要的振动计算和合理校中计算。 轴系部件进行结构设计及选型，最后绘制轴系布置图、尾轴尾管总图及有关部件图纸。 一、轴线的数目、长度、位置及布置 （一）轴线的数目：取决于船舶的类型、航行性能、生命力、主机型式和数量、经济性、可靠性。轴线数目早在总体初步设计阶段已决定。 （二）轴线及轴段长度的确定 轴线的基本长度L =首部端点为主机(或齿轮箱)的功 率输出法兰的中心，尾部端点为螺旋桨的中心。 单轴系的轴线：常布置在船舶的纵中剖 面上; 双轴系的轴线：对称布置在船舶两舷; 三根轴系：一根布置在船舶的纵中剖面上，其余两根对称布置在机舱左右两舷。 单轴系的安装 1、主机位置 主机布置高度：使主机(或齿轮箱)的油底壳不碰到船的双层底或肋骨，并使它们间 留有间隙，还应留出油底壳放油所需的操作高度。 2、螺旋桨的位置 螺旋桨的位置一般由船体设计人员确定。船体壳板产生振动的原因之一，是螺旋桨叶尖与船体外板 没有足够的间隙，致使螺旋桨在运转时水流冲击外板造成 的。 二、轴承的位置、数目和间距 1、轴承位置的确定 轴承破坏原因： 轴承中各支承轴承均与船体刚性连接，所以船体的变形将引起轴承的径向位移，这种位移会使轴承的负荷增加许多倍甚至十几倍，致使轴承处产生剧烈的磨损、发热，甚至咬死烧坏。 轴承的轴向位置还与各轴承负荷的均匀程度有关。 特别是在需进行合理校中的轴系中，为取得校中的满意结果，为使影响系数尽可能小，在布置时应对轴承的轴向位置作多方案的计算和论证。 2、中间轴承的数目和数目 为什么用增加轴承数目、减小轴间距来减小轴系的变形量和轴承负荷，这种想法和做法是错误的？ 实践证明：目前绝大多数船舶已从每节两个轴承减到一个。适当减少支承点会增加轴承弯矩，但轴系变形牵制减 少，轴系附加负荷减少，船体变形对轴系影响相应减少，对轴系工作有利。 (1)轴系临界转速的限制。轴承跨距过大，易产生轴系的回转振动和横向振动。 (2)比压和挠度的限制。增大轴承跨距，减少轴承数量，使轴承比压增加，挠度增加，同时 造成轴承负荷的不均匀性。 (3)工艺条件的限制。增大轴承跨距给轴系的制造和安装带来困难，特别是轴系安装校中 时，要增加临时支承，以保持轴系的稳定性。 为什么轴系必须使各轴承的比压在许可范围内，并力求使各轴承的负荷均 匀？如何控制？ 一旦轴承发生负荷过重，超过了许用比压，导致轴承迅速磨损、发热及其他事故。遇到这种情况，不能轻易用加大轴承长度的方法来降低比压，一般采用减小轴承间距、降低轴承的高度和比压；轴承负荷过小，出现零值或负值，也是不允许的，这不仅影响轴承的正常工作，而且造成邻近轴承负荷过重。这是因为当轴承负荷为零值或负值时，轴段与下轴瓦脱离，这样，一方面使计算的负荷与实际不符，另一方面影响横向振动的频率的计算，设计者应加大轴承间距。甚至取消一道轴承，以改变受力情况。 三、轴系布置设计的其他问题 1、轴承负荷的分配和调整 轴承负荷比压过大或过小都是不适宜的。理想的状态是使各道轴承比压值大致相等。我国1989年制订的《钢质海船建造规范》规定"特 殊情况每个轴承所受的正压力应不小于相邻两跨轴重量20%"。 2、中间轴承和尾轴管的后轴承支承反力位置有何区别？ 中间轴承不很长(约0.8倍轴径) ，一般轴颈和轴承接 触比较均匀，故其接触压力常用平均比压表示，其支承反力位置也取轴承中点。但对尾轴管的后轴承，由于受到螺旋 桨悬臂力矩的作用，其受力情况是不均匀的，后端轴承负荷 较重，支反力的位置也相应后移。 §2-3 传动轴的规范计算及强度校核 在进行船舶轴系设计时，传动轴的基本直径匀按有关船舶建造规范进行计算，必要时再作强度校核予已补充。 船舶建造规范的的性质 1）它是强制性的法规性文件，凡不符合规范要求的船舶，就认为不合格，不能营运。 2）规范中的计算公式必定是可靠的，有权威性的，它既有理论根据，又是长期实践经验的 总结。 3）规范中的公式是经过简化了的。许多须考虑的因素均用系数来表达，使用方便。 4）具有不同种类的规范 区域划分：各个国家或地区自己的规范和相应的计算公式 用途划分：各种船舶级别、航区、用途的规范，如《钢质海船人级与建造规范》、《长江水系钢船建造规范》、《长江水系小型钢船建造规范》、《海军舰 艇建造规范》等。 规范的共同性： 不同的规范有不同的计算轴径的公式和规定，但其共同特点是以中间轴为基本轴径(系数 c = 1)，以静强度为计算基础。根据材料力学的基本原理，以轴在额定工况时传递主机功率的 平均扭矩所产生的扭应力，应小于或等于轴材料的许用扭应力(剪切)，并考虑一些 经验数据而推导出来的。 我国规范轴的基本直径d计算值 二、 传动轴的强度校核 传动轴在工作时，同时受到扭转、弯曲和压缩三种负荷，不仅承受静载荷，而且还有附加动载荷作用。目前国内外主要根据规范公式计算轴径，而主要依据扭矩，即以轴在额定工况时传递的平均扭矩所产生的扭应力τ，应小于或等于许用扭转应力 ，并考虑一些经验数据推导 出来的。而没有明确考虑扭转、弯曲、压缩三种负荷的综合作用。为了反映实际受力情况，以及对规范公式计算出的轴径作进一步校核，有必要对传动轴的强度进行计算和校核。 §2-4 传动轴的结构设计 传动轴的任务，是连接主机(齿轮箱)输出法兰和螺旋桨的桥梁，将主机的输出功率传递给 螺旋桨。 二、螺旋桨轴和尾轴 §2-5 中间轴承与推力轴承 中间轴承是用来支承中间轴，以及 为了减少轴系挠度而设置的支承点。 按基本结构及摩擦形式:滑动轴承和滚动轴承 (一)滑动式中间轴承 1、滑动式中间轴承结构 滑动式中间轴承的轴衬(轴瓦)浇有自合金，为了减少轴颈与轴瓦之间的接触摩擦，必 在两者之间供给适量的润滑油。良好 不仅起减摩作用，还起到散热和 冲击的作用 。 油环式中间轴承的适应性：油环式中间轴承，其轴承座与轴承盖、轴瓦、油环以及甩油环都是采用剖分式，以利于拆 装。经一定时间使用，发现轴瓦上的白合金磨损已超过规定限度时，只需更换轴瓦，而不必更 换整个轴承。这种轴承比较简单，只适用于连续稳定运行的轴上。 2.滑动式中间轴承技术参数的选择和润滑性能校核 1）主要结构参数的选择 （1）轴承间隙：轴承间隙轴承孔径D和轴颈直径d的差值，Δ=D-d （2）长径比：按轴瓦长度L和轴径d的比值。 轴瓦长度L与轴承单位面积的承载能力(即比压)有关。 （3）其他结构尺寸。中间轴承选型先按规范确定中间轴的基本轴径，经强度校核合格后，根据中间轴的结构特点决定中间轴轴颈的尺寸。决定中间轴轴颈尺寸可查阅表2-5-2。 如采用非标准轴颈直径，选配不到相应尺寸的中间轴承。 2）承载力及润滑性能校核 （1）承载能力校核。承载能力一般用比压[ p]校核。为了不使滑油在工作时被挤出，或 因轴瓦长度L不够使比压太高，使轴承发热和磨损，轴承比压[ p]应满足下列要求 （3）轴承工作时的温度升高度（增加部分） （2）最小油膜厚度校核。中间轴和中间轴承的油膜厚度，必须满足以下条件，才能保证 轴承处于良好的液体摩擦状态 (二)滚动式中间轴承 1、结构类型 船用中间轴承使用较多的是双列调心球面滚子轴承(GB287-81) 。 滚动式中间轴承适应范围：因内外圈之间允许有1~ 2.5。的偏斜角，加之紧定套沿轴向有移动的可能， 故安装比较方便。 对于轴径小于70mm的小型船舶，特别是对其中负荷小、转速高者，宜采用调心轴承 (GB282-81)。 2、额定动载荷C的计算和校核 由于滚动轴承的类型、尺寸、精度级别等已有国家标准，因此在轴系设计中主要是根据具体的载荷、转速和工作条件等方面的要求，解决如何 合理地选用轴承的结构型式及其额定动载荷C的计算和校核。 3、特点比较 二、推力轴承 推力轴承的作用是承受水对螺旋桨的推力，并将其传给船体使船航行，因此推力轴承是轴系中不可缺的。 直接传动的大型低速柴油机主机，往往自带推力轴承；带有减速箱装置的推进 装置，其内设有推力轴承；采用中速机作主机的装置要单独配置推力轴承。 分类：滑动式（大型船舶）和滚动式（小型船舶）两类。 (一)滑动式推力轴承 1、轴承结构 推力轴1的法兰分别与主机功率输出法兰和中间轴法兰联接。 推力轴中部设有一个推力环，它的两侧各安置一组独立的扇形推力块13，用来承受轴向推力，其中6块均匀分布在推力环前端圆环面积上，承受螺旋桨正车推力，另6块均匀分布在 推力环的另一面，承受螺旋桨倒车推力。每块推力块在与推力环的接触面上都浇有白合金，其背面则有津硬的顶头，偏心地支承在撑垫4上，使推力块在推力环回转时有一定的浮动能力，以便形成较合理的模形油膜，使其受力均匀且可减少摩擦阻力。 在支撑垫4后面设有调整板 7，用来调整推力环和推力块之间的间隙。上下轴瓦9与11分别放置在上下轴承座体中，用来承受径向载荷。在轴承的下部设有冷却水管17，用以供给海水来冷却滑油。在运行时，推力环将滑油带起，流往推力块的摩擦面上。在轴承上方安有温度计15。在推力轴承的两个端部 则设有档油盖10、16，并在其中填人毛毡环，以阻止润滑油的漏出。 2、润滑特点 单环式推力轴承只设一个推力环，却比多环式推力轴承能承受更大推力。 3、主要参数和选型 4、校验 1）推力块与推力环间比压校验 2）推力环应力校验 (二)滚动式推力轴承 优点：摩擦损失小、传动效率 高、尺寸小、滑油消耗少、管理方便。 缺点：承受推力 较小，噪声大。它适合中小型功率船舶的推进装置， 特别适合轻型高速快艇。 §2-6 尾轴管装置 1、尾轴管装置的功能 尾轴管装置布置于船体尾部，其主要功能是：支承螺旋桨轴，保持船体的水密，防止舷外 水的大量漏人或滑油的外泄。 尾轴管装置的结构与轴系数目、润滑方式关系 尾轴管装置的结构随着轴系的数目、润滑方式的不同而不同。单轴系的船舶，螺旋桨离尾轴管距离较近，而双轴系的船舶，由于船体的线型关系，螺旋桨轴须伸出较长，才能与螺旋桨相连接，故须在船体内部设置尾托架作支承。因此，两者尾轴管装置的结构有所不同。 这种尾轴管装置因采用水作为润滑剂，故只需首部密封10、11等。在装置中，舷外水进入尾管内，对尾部轴承与螺旋桨轴的摩擦部位进行润滑和冷却。为了防止舷外水对螺旋桨轴的腐蚀，在与尾轴承相接触的螺旋桨轴上镶有铜套14或其他 轴包覆，裸露在外的轴干表面还须包扎玻璃钢。 图为双轴系油润滑的尾轴管装置，尾管轴承前端和后端均设有密封装 置12、14、15、16、17、22等。此外，还设有润滑油油管，提供润滑油给轴承及密封装置。 二、尾管的结构型式与基本尺寸 1、结构形式 ：有整体式和连接式两种。 整体式尾管一般多用在单轴系的船上，是支承螺旋桨轴的重要部件。尾管一般从舱内向 船后安装，使其穿过舱壁及尾柱，其末端有外蝶、纹，用螺帽将其固紧。尾管前端设有法兰，将其固定于隔舱壁的焊接座板上。法兰与座板间装有铅质垫片。 连接式尾管一般多用在双轴系的船舶上(图2-6-3)，件10借法兰或螺纹法兰固定于人字架轴壳和前支承上。 2、材料 整体式尾管一般用铸钢、铸铁或球墨铸铁; 连接式尾管一般用钢管或无缝钢管。 三、尾轴承 尾管轴承6、12设置在尾轴管或人字架毂中。如图所示， 尾管轴承受力状况 尾管轴承除了承受螺旋桨和螺旋桨轴 的重量之外，还要承受更为复杂的负荷。特别是后轴承因承受螺旋桨在水中回转时的不均匀悬臂负荷，螺旋桨偶然碰到障碍物时的冲击负荷，螺旋桨和轴在运转过程中的振动，使其工作条件更为恶劣。尾轴承在船舶航行时很难检修，只有在船舶进坞后才能进行检修。因此，轴承的结构应坚固可靠，否则因其故障而影响船舶正常营运。 尾轴承的材料 油润滑的尾轴承：一般用白合金做耐磨材料，小型船舶使 用青铜或铸铁。 水润滑的尾轴承：用铁梨木、桦木层压板、橡胶增强塑料等作耐磨材料。虽然铁 梨木性能好，但由于生长缓慢，需要进口，价格昂贵，除在一些特殊船舶使用外，一般用桦木层 压板、橡胶等代替。 常用尾轴承 常用尾轴承有白合金尾轴承、橡胶尾轴承、铁梨木尾轴承。 (一)白合金尾轴承 白合金材料成分 白合金分两大类: (1)以锡为主体的锡基合金(其中锡含量约占83，性能优越。 (2)以铅为主体的铅基合 金(其中锡的含量占16%) ，价格较低。 这两种白合金的化学成分和性能 如表2-6-2所示。 白合金的特点 优点： 耐磨性很好，不伤轴颈，抗压强度相当高，散热快，不易发生摩擦发热。 缺点： 制造、修理复杂，价格贵。安装时，自合金轴承衬套的外圆面与尾管应紧密配合，否则衬套可能随轴转动，引起发热 烧坏。 (二)橡胶尾轴承 橡胶尾轴承广泛应用于中小型船舶，有条式和整体式两种。 橡胶轴承的特点 （1）橡胶轴承富有弹性，能吸收振动，故对安装误差及冲击敏感性较小，工作平稳无声， 这对保护船体及改善船员、旅客的工作和生活环境均有好处。 （2）由于没有后密封装置，其结构简单，且避免了这部分摩擦功的损失。 （3）采用水作为润滑冷却剂，营运成本低。由于不用润滑油，不污染航道，降底了造价。 （4）橡胶传热性差，温度超过65 -70度时，容易老化失效。低温易变脆。 (三)铁梨木尾轴承 铁梨木是海船常用的一种水润滑尾轴承材料。 优点：铁梨木组织细密、坚硬、重量大(密度约1.2） ，具有抗压、抗腐蚀、耐磨等优点，顺纤维方向的抗压强度达7250N/cm2。铁梨木在水中能 分泌出一种树脂粘液，它与水一起形成乳状液体，是良好的润滑剂；它和青铜摩擦时，摩擦系数 约为0.003~0.007， 且不伤轴颈。 缺点：铁梨木在干燥时会裂开和扭曲变形，所以，加工和安装时应使其处于湿润状态，或浸泡水中。 铁梨木的机械物理性能可参见有关材料手册。 铁梨木轴承安装 在镶嵌铁梨木时应使轴承下半部板条的 纤维纹路方向与轴心线相垂直，以提高它的耐磨性。上半部板条纤维纹路方向可与轴心线平 行，以提高材料的利用率。 (四)桦木层压板尾轴承 桦木层压板是将我国盛产的桦木切成簿单板，经浸渍酣醒树脂后组成板坯，再在高温下压 制成板材，做成尾轴承。与铁梨木相似，经过加工的桦木木质坚实，强度增加，耐磨、耐热、耐腐蚀，摩擦系数小，其物理机械性能达到或接近铁梨木的性能。 四、尾管密封装置 为了防止舷外水沿着螺旋桨与轴承间隙浸人船内及润滑油的外泄，在尾管装置中心必须设置尾管密封 装置。 尾管密封装置可分为首部和尾部两类。 密封装置工作条件 密封装置是由密封元件及其夹持定位部件等组成，其工作条件十分恶劣，即要承受舷外水的压力、剧烈的磨损及高温摩擦外，元件还承受轴系的径向跳动、海水的腐蚀、泥砂水的磨刷等。 (一)首部密封装置 航行时，压盖不能拧得过紧，以免加剧轴或衬套的磨损。应适当松开，让舷外水每分钟滴人数滴进行润滑与冷却。 此种密封装置具有结构简单、工作可靠、修换方便等优点。其缺点是要耗摩擦功，易使轴 或轴套磨损，造成不良后果。 2、骨架式油密封装置 骨架式油密封装置如图2-6-11所示，其密封元件用橡胶圈。为了提高橡胶圈的刚性，有利于抱紧转轴，在橡胶圈中间嵌入金属骨架。 3、 SIMPLEX型油封装置 (二)尾部密封装置 为防止舷外水沿着螺旋桨与轴承间隙侵人船内及润滑油的外泄，在尾管装置中必须设置尾管密封装置。 1、油圈式尾部密封装置 2、骨架式尾部密封装置 3、 SIMPLEX改进型尾部密封装置 与骨架式首部密封装置结构相同，但因尾部 密封装置既要阻水又要封油，所用的密封圈比首部密封圈多，一般用3-4道，其中两道向外翻 边，用来阻水，两道内翻边，用来阻油。翻边橡皮是作为舷外水进入的第一道防线，用来阻水档 砂。垫板1和O形圈2置于螺旋桨和轴的防摩衬套的接合处，以防止水的侵人而引起腐蚀。 其主要密封元件是由三 道唇部装有箍紧弹簧丝的橡皮密封圈组成，一道向前翻，二道向后翻，其头部分别夹持在后壳体7、中间 环卫支承环4及后压板3中，这种固定方法对橡胶 的压缩量易于保证。密封装置可在车间预装，然后 到实船安装。 SIMPLEX改进型尾部密封装置优点 (1)密封性能好。 由于密封圈的独特形状，在耐磨衬套上作用较大的 比压力，有越压越紧的特性; (2)结构简单紧凑，装拆方便; (3)由于密封圈富于弹性，当轴产生径向轴向跳动位移时，其跟随性较好，密封性能不受影响。 五、尾轴承及密封元件的润滑与冷却 尾轴承与轴及密封元件的静、动摩擦副之间均处于强烈摩擦之中，必须供给足够的滑油或水，否则将发生干摩擦，使摩擦副发热受损，影响船舶的正常运营。 铁梨木轴承：水量不足时，水温迅速提高，当在60- 70度时，铁梨木的摩擦系数提高，轴承发热，损坏轴承及轴包覆。只有在温度不超过50度时，铁梨木才能保持其抗磨性能。 桦木层压板轴承：由于摩擦系数较大，易于发热，故所需水量比铁梨木轴承多。 橡胶轴承：工作时，要求将规定的冷却水量连续输入轴承内，若停止供水1 - 5min，摩擦系数会提高，引起轴与橡皮发热，把轴咬死。要求轴系运转以前先对轴承供水。 水润滑的尾管轴承，当船舶航行在浅水或污水中时，轴承工作表面会落人泥砂状杂质，因此须在轴承内造成压力水流，这样可保证轴承的润滑和冷却及轴承表面的清洁。 (二)油润滑的尾轴承及密封件的润滑和冷却 图为尾轴管装置的自然润滑。在重力油柜中的润滑油靠自身重力供油润滑和冷却。滑油从水线以上高位的油柜1进入后尾轴承5，经尾管6流至前轴承8，再经回油管7 回至油柜1。rpp红软基地

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