船舶轴系的合理轴承间距的研究
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日期：2007年11月23日资料来源：《舰船科学技术》2007.8.
船舶轴系的合理轴承间距的研究
摘要：在综合考虑轴承许用比压、轴承安装误差以及轴系横振等限制条件下，以船舶轴系的轴承负荷分配的合理性为目标，分析了船舶轴系的合理轴承间距问题，给出了轴系计算模型及方法，并以SDTS船舶轴系实验台为例进行计算，得到了轴系合理轴承间距下的优化校中状态，轴系热态运行工况明显改善。
0 引言
船舶轴系布置是船舶动力装置设计中的一个重要问题。
轴承间距选取不当，会使轴承比压过大；各个轴承之间受力不均，直接影响轴承的发热、磨损、轴系振动等问题；另外，轴承间距的大小，对轴的弯曲变形、柔性和应力均有很大影响。
因此，在设计轴系结构时，应综合考虑轴系校中、振动等要求在内的有关因素，合理确定轴承的跨距。
1 轴承间距分析
1.1 按中间轴承允许比压确定轴承间距的最大值
假定轴系为一等直径的圆轴，且轴承等间距。
取轴承标准宽度为0.7～0.8 d(d为轴的直径)，设钢轴比重为0.007 85 kg／cm3，轴承许用比压为6 ks／cm2。
可导出轴承间距的最大值：
1.2 按轴系安装误差要求确定轴承间距
考虑船舶轴系最大安装误差不得超过0.25 mm，轴承许用附加比压为3.5 kg／cm’。
可导出：
其中工为轴承间距。
1.3 考虑横向振动时的轴承间距限制
轴承间距对横向振动自振频率有很大影响，L／d越大，则横向振动频率越低。
为使轴
系运转适应所有工作转速，并有效避开其自振频率，设轴系额定转速为／V，可导出轴承间距限制公式：
2 轴承合理间距计算
2.1 轴承合理间距计算分析
在进行轴承合理间距计算时，是将轴系看成放置在多个刚性铰链支座上的连续梁，应用工程力学理论，求出轴承在可能位置变动时各支座上的反力、弯矩(轴承位置受到机舱布置、法兰连接、肋骨间距等限制)。
在考虑各轴承负荷合理性条件下，以后尾轴承负荷最小为目标函数，从而找出轴承间距的最佳状态。
其中，轴承负荷的合理性条件包括：
1)最小负荷的限制。
要求轴承负荷不小于各轴承到其相邻两边轴承距离之内轴系自重和外载之和的20%。
2)最大负荷限制。
要求各轴承比压在许用比压范围内。
2.2 轴系计算数学模型
轴系的校中状态，通常可用轴承上的负荷来表征。
一般轴系支承负荷可视为各静因力与动因力对该支承产生影响负荷的矢量总和，即可用下式表示：
轴系计算时，可采用图1所示的计算模型。
图1 轴系计算模型
Fig. Shafting computational model
由于轴承具有一定的弹性(结构及油膜弹性)，又由于垂直、水平面中都有动外力作用，所以将轴系视为三维的、弹性支承上的连续梁。
图1中既可横向移动又可纵向移动的支承座，是考虑后尾轴承较长，油膜压力分布不同将引起压力中心(轴承支点位置)发生较大变化而设置的。
为了在计算中能够比较方便地同时计人轴承结构和油膜弹性的影响，而将二者分别考虑，以弹簧刚度模拟轴承结构刚度。
在计及动外力影响时，如螺旋桨水动力可根据船尾伴流场分布，应用准定常方法求出；齿轮啮合力可根据主机转速以及齿轮有关参数求出。
在计及动态因素对轴承位移影响时，船体装载变形可根据船舶装载及结构情况，采用有限元分析求出；轴承结构刚度可根据轴承座及船体结构用有限元求出；轴承油膜厚度的影响可用迭代法求得；主机轴承座热温升可由经验数据给出等。
轴系计算采用传递矩阵法。
3 计算实例
这里以SDTS船舶轴系对中实验台为例。
轴系模型结构如图2所示。
通过轴系热态对中的合理轴承间距及垂向位移的计算，计算结果见表1。
通过动态模拟和目标寻优，当2＃、3＃轴承在纵向可能位置不断变动时，可得到轴系最佳校中负荷曲线(图3)。
表1 轴系对中计算结果
Tab.1 Shafting alignment computational result
图2 SDTS轴系模型结构简图
Fig.2 SDTS shafting model structural diagram
图3 轴系最佳校中负荷曲线
Fig.3 Optimum Shafting alignment load cure
4 结语
通过船舶轴系的合理轴承间距及垂向位移的计算，使轴系具有最优的校中状态，热态运行工况明显改善。
计算结果及动态模拟与文献的试验模拟结果吻合。
通过动态模拟，可以更形象、直观地观察轴系运转工况的变化情况，从而可了解各影响因素对轴系校中的影响程度，并可把握最优状态，为轴系校中提供了一种直观、形象的方法。
