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在推进轴系校中中的设计问题

达沃sverko，准会员

美国船舶局（ABS）

摘要

现代商船推进轴系校中对于在小扰动下轴承偏移是非常敏感。这种敏感性造成计算

校中和确保校中在进行设计上的困柳宗元最著名的作品 难。该轴校中分析敕勒川 提供了必要的（的准确性和适用性）

的数据支持对于实际校中过程的各个阶段，所以它是非常的重要。校中过程本身是在船

舶建设的几个阶段进行，从瞄准在轴系安装，通过凹陷和间隙对轴系组件前，施工完成

后通过测量完成最终验证。当分析不进行适当的校中过程可能不符合分析要求。下列设

计相关的轴校中的问题在本文中的具体处理：尾轴轴承问题，中间轴承偏移调整，曲轴

建模，轴承间隙，齿轮的啮合，船体变形，调整优化的结果，和可接受标准的校中。

关键词：轴校中，船体变形，柴油发动机台板凹陷，斜坡钻孔，指定位移。

1.引言

轴校中的频率相关的轴承损坏在近几年显着增加。校中相关的损害可能是由于船舶

的造船厂设计实践，制度缺乏及不充足的分析而造成的。

图1推进轴系直接耦合-例子

在现代船舶推进系统（图1）纳兰容若最美的情诗 是柴油发动机驱动的直接耦合装置，其设计在提高船体

结构的灵活性和轴之间的差距的结果。在一般情况下，船体已经变得更加灵活由于结构

优化和提高船舶的长度，而更高功率的需求导致了大直径；即硬的轴系。因此，推进系

统的对准成为船体变形比较敏感，导致在分析校中和在进行校中过程中的困难。

校准程序不均匀的工业应用。该程序是依赖于造船企业的做法和经验。一些船厂在

校中分析的信心不足，考虑更多的作为一个参考，不是作为一个文件的追随。他们宁愿

依靠自己的经验和信心的能力来纠正可能出现的潜在的问题。然而，从监管机构的角度

来看这可能不是一个可接受的程序。分析并不总是准确地代表的推进系统，可能并不总

是提供足够的信息，以确保“无误”的校中过程。本文的目的是详细介绍产生在校准程序

与分析之间的不兼容的问题。

2.分析与程序

轴对准的是一个静态的过程中施加的荷载的静力和力矩。一般不考虑动态因素因为

分析的主要目的是支持一个在静态条件下进行的校准程序。

重要的是要知道对准条件尽可能准确。然而，如果船不在干燥的码头很难建立一个

基准线，对准条件可以验证。此外，对于校中验证，测量往往不提供所需要的完整信息。

在校准过程的开始时程序本身与校中分析之间的不匹配。当船在干船坞，对准条件

易控制；船舶是平稳的，与瞄准槽和轴承预定位进行非常准确。然而，一旦船只漂浮，

在程序的控制精度可以完全失去了。问题是，船体变形很难预测。因此，没有对船体变

形变化的知识，对准过程中不得与所需的精度验证。

为了保护柴油机由于可能校中不足的损坏，发动机设计师通常需要应用发动机底板

下垂在船漂浮以后。底板下垂应该校正和减少船体变形对发动机校中的影响，它主要是

抵消船舶漂浮时发生的变形，并进一步降低了船体被加载的影响的弯曲。然而，这样的

结果与校中程序不一致。建立了干船坞参考线目前只在部分主机改变（M/E），和推进系

统的其余部分仍然由漂浮时船体变形而影响。轴系和发动机现在对准不同的基准线（一

个我们知道最初是在干船坞，定义和另一个，基本上是未知的），建立了后船下水发动机

调整和底板下垂。结果是受船体变形对轴系的一侧，和M/E另侧矫正的龙骨的条件影响。

基本上所发生的是：我们获得了控制发动机校中（引擎对齐参考线是目前已知的），

同艉管轴承比较，但我们几乎失去对轴系校中条件精确控制的可能性。

在分析程序的不一致性问题的控制可能在整个轴系校中的程序与船在干船坞里我们

可以准确地验证程序在分析之前。为了使系统在干船坞校中，我们必须能够：

定义的最佳的一组规定的轴承位移，以确保一个强大的校中，这是相对不受船体变

形当船在海上漂浮，

控制整体校中程序在干船坞。

为了让一些条款的修正，轴系轴承以及柴油发动机或变速箱不应阻塞，直到轴承状

态在船舶的浮态是令人满意的。

下面，我们解决了一些最重要的校中设计相关问题的几个校中准敏感装置。一个非

常大的油轮（VLCC）与直接耦合的6缸柴油发动机中使用的部分3，4和5，探讨以下

问题：

1.尾轴轴承问题，

2.中间轴轴承偏移调整的后果，

3.对分析精度影响曲轴建模，

4.轴承间隙，

齿轮的啮合进行8节在涡轮驱动的变速箱和直接耦合。进一步，我们在9节对船体

变形对大型集装箱船的影响。我们还讨论了线形优化，并在部分9对齐的接受标准10。

以下分析进行了应用软件的ABS轴对齐。

3.尾轴轴承

尾轴轴承的接触是非常依赖于在轴系校中设计所生于忧患的典型事例 采取的方法。在轴与轴承之间的接

触面积较大，较小的接触应力作用在轴与轴承上，且更快的油膜将研制与开发；作为的

最后的结果是延长轴承寿命。

在下面的分析中，我们首先比较了三校中设计的一个例子,在柴油发动机驱动的超大

型油轮安装，和合成的尾轴轴承。接下来，我们讨论不同的方法对轴承的接触模型，即

单点接触和轴承和轴之间两点接触。

下面的图2比较了三个不同的校中设计对轴承与轴接触区的影响：

零偏移对齐：提供参考。零偏移距假设所有轴承壳的底部位于一条直线。分析的结果是

不能令人满意的，作为艉管轴承完全卸载。然而，在艉管轴承载荷条件是很好的相对于

该轴颈和轴承之间的接触面积大而言。

正向偏移对齐：虽然它的结果在可接受的的轴承反力范围内，轴承和轴之间的接触面积

是不是很好。正向偏移的设计解决方案，主机和中间轴轴承上面提出的零偏移线（图2

排2，图3）。轴与轴承之间的相对误差斜率估计为0.855[mrad]。

负偏置校准：是理想的方法。主机和中间轴轴承降至零偏移线（图2排3，图4）。结果

在可接受的支承反力和相对大的接触面积（约两倍大的正向偏移的方法）。轴与轴承之间

的相对误差斜率估计为0.213[mrad]。有道翻译在线使用

两个解决方案之间的应力水平的差异是可以忽略不计的；即在可接受的范围内，从而使

总应力水平没有影响（表1和表2所示）。轴承的轴偏差验收标准，在行业中被广泛使用，

是0.3[mrad]。本标准的有效性还没有得到证实。这个问题很复杂，因为它涉及流体-结构

相互作用的动态分析。ABS是目前参与的全面解决这些轴承动力学研究。当公差超过0.3

[mrad]，边坡钻孔或轴承倾斜通常采用。

始终有一个问题，在轴系校中分析时当尾轴轴承被考虑是否运用单点或两点接触，

一般来说，即没有单点接触也没有两点接触的正确的做法，由于轴承接触是建立在对轴

穿透区进入轴承（图3和图4）。因此，ABS校中的程序有能力评估实际接触面积。ABS

的最初假设单点接触，在距后轴承的边缘距离为D/3建立了实点（轴直径三分之一），

并评估此条件的接触面积。如果接触面积大于一个轴的直径，或如果分析表明在轴承的

边缘接触，最初施加的接触点与结果的变化相一致。几次迭代中可能需要以稳定结果。

.

NoNo

轴力剪力弯矩

N/mm2N/mm2N/mm2

.

NoNo

轴力剪力弯矩

N/mm2N/mm2N/mm2

1<1>

2<1>

3<1>

4<1>

0.000-0.056-0.153

0.000-0.068-0.325

0.000-0.073-0.694

0.000-0.968-8.690

1<1>

2<1>

3<1>

4<1>

0.000-0.056-0.153

0.000-0.068-0.325

0.000-0.073-0.694

0.000-0.968-8.690

5<2>

6<2>

7<2>

8<2>

9<2>

10<2>

11<2>

12<2>

13<2>

14<2>

15<2>

16<3>

0.000-0.956-13.717

0.000-0.981-16.344

0.0000.36816.332

AftS/TBRG

0.0000.33614.395

0.0000.31212.636

0.0000.29611.804

0.0000.26510.983

0.0000.2178.882

0.0000.1707.157

0.0000.1395.808

0.0000.1045.431

0.0000.1984.456

FwdS/TBRG

5<2>

6<2>

7<2>

8<2>

9<2>

10<2>

11<2>

12<2>

13<2>

14<2>

15<2>

16<3>

0.000-0.956-13.717

0.000-0.981-16.344

0.0000.37116.332

AftS/TBRG

0.0000.33914.380

0.0000.31512.605

0.0000.29911.765

0.0000.26810.936

0.0000.2208.812

0.0000.1737.063

0.0000.1425.691

0.0000.1075.307

0.0000.2194.305

FwdS/TBRG

表1正轴承偏移量表2负轴承偏移量

偏移指定位移轴承的反力结点斜率T/S轴承的接触状态

图2尾轴轴承接触作为一个功能的校中设计

采用ABS尾轴轴承软件对接触条件进行评价

图3轴承载荷条件-正津津有味的反义词 偏移

图4轴承负荷条件下的负偏移

4.中间轴轴承偏移调整

在3节中，展现了对准问题的几种方法。在本节中，负偏移的解决方案是进一步研

究在中间轴轴承偏移灵敏度的变化（图5和图6）。

它是在船厂的正常做法调整中间轴轴承偏移时，对准不符合计算值。这个问题通常是主

发动机轴承的载荷条件下，可以通过改变中间轴承的垂直偏移校正。

虽然，调整中间轴承偏移可以帮助解决发动机轴承问题，它最终可能产生不利影响的位

于尾部的中间轴承的轴承的条件。后尾管轴承支承螺旋桨的不对中情况特别关注的是在

这里。船体短，刚性轴和传动轴轴承单一如VLCC，超大型油轮的大型散货船是特别受

到影响。

以下两个不同的推进轴系设计下的问题研究：

1.与艉管轴承；

2.没有艉管轴承。

中间轴承0.1，0.2偏置调整，0.5和1[毫米]向上和向下，从最初规定的基线，被研

究。偏移量的变化的影响进行评估后轴承：

1.柴油发动机后部大多数轴承（M/E组。1）反力的变化，

2.柴油发动机二AFT大多数轴承（M/E组。2）反力的变化，

3.尾轴轴承-误差斜率变化。

轴承位移变化绘制在X轴和Y轴，两个包含对发动机轴承反力变化和尾轴轴承不对

中的信息，如图5。

图5系统灵敏度对中间轴承与艉管轴承偏移的改变

系统的提出了S/T轴承（图5）：通过调整中间轴承抵消我们达到了预期的影响在

M/EBRGS.1和2，并没有显着影响的尾轴轴承的斜率。我们注意到，从图5，后的S/T

轴承失准角随中间轴承相对较少的逐渐降低。通过增加在轴承的偏移，错位斜率改善S/T

轴承只要轴与前S/T轴承安装–之后表现为没有前进的S/T的轴承保持接触。

图6系统到中间支座偏移改变–没有促进S/T轴承方位灵敏度

没有了S/T轴承系统（图6）：通过调整中间轴承的偏移，显著影响在M/EBRGS.1

和2的实现上，以及更高的灵敏度（相对于以前的案例）的尾轴轴承的斜率。这种高灵

敏度的原因是在轴承不同的载荷分布。失调角变化后的S/T的轴承是在中间轴承的线性

偏移的变化。失调角为中间轴承下降减少，并增加在中间支座偏移。

与前S/T轴承解决方案（图5）可从对艉管轴承安装误差角变化引起的中间支座偏移

调整灵敏度的角度优选。否则，更大的灵活性（如没有了S/T轴承）是所需的船体变形

对推进系统的影响较小。

在上述声明，我们应当区分单支座偏移调整和船体的灵活性之间的作用。船体变形

影响系统中的所有轴承同时，因此最好有更灵活的系统（没有艉管轴承是有益的）。然而，

我们看到的是完全相反的是单轴承调整的情况下（中间轴承在这种情况下），在艉管轴承

不对中，在系统没有艉管轴承，偏移变化是非常敏感的。

在本节中我们只调查了中间轴轴承位移变化通过对轴承调整模拟也许被大量的应

用。作为中间支座偏移变化，剩余的轴承保持在原来的位置。

结果如预期，在不同的中间轴轴承偏移的影响更大的后尾管轴承错位时提出的S/T

轴承移动。

图5和图6的中间传动轴轴承抵消我们讨论的误差斜率曲线的影响。图6中的曲线

斜率几乎是一条直线，连接的解决方案之间加1[毫米]和[毫米]偏移改变减1。这是因为

艉管轴承被删除；因此，在边坡不突然发生变化。增加中间轴承，该艉管轴承卸载发生

较大偏移，（图5）。

在上述声明一些争议，为双方的校中设计，有无艉管轴承，都有自己的优点和缺点。

最终决定由船厂和船东。

如果船厂是取得良好的校中信心没有明显修改中间轴轴承偏移，然后没有艉管轴承

解决方案应优先；并且结果将是一个轴系设计对船体变形不敏感。然而，如果船厂如预

期的困难，如卸下的M/E轴承，可以选择与艉管轴承解决方案更安全的方法。

5.曲轴建模

我们经常看到，包含轴对齐分析柴油机曲轴模型，并不仅仅代表的是整个曲轴，而

且还有很少的轴艉后轴承。减少曲轴模型可能是不合适的，它可能会导致凹陷和缝隙程

序相关的错误和不正确的轴承反力。同时，当减小曲轴模型被应用，设计师的关注不只

是轴系和M/E轴承是明显的。

凹陷和缝隙是轴系装配之前进行的一个程序。它由对接法兰之间的凹陷和间隙的测

量，并与计算数据系统的符合性验证。然而，如果凹陷和差距是错误的定义，造船厂将

无法满足要求没有调整一个或多个轴承偏移。通过这样做，该系统的校准将错误进行了

从一开始就非常小的可能性的整顿。

局部曲轴模型可能因此导致错误的预测的曲轴法兰尾部下垂。计算精度可能部分影响

该模型，包括小于三的轴承，当作用在法兰和最后的曲柄销时载荷不考虑。

图7曲轴建模的影响比对结果

实际的凹陷和缝隙值预计将类似于延长曲轴的第二模型的结果。然而，如果船员进

行对准，给出的数据根据第一个模型（降低到两个轴承），校中实际上可能是正确的，将

被调整到不正确的凹陷和间隙值。因此，轴承的反力在分析之前就不可能被验证。

6.轴承间隙

在一些校中设计，如对VLCC船，第二靠近船尾主发动机轴承可能有意的卸载，校

准是在干船坞进行，或当船在压载物很轻时候。这卸下的轴承条件改变了本身在加载时

的船体变鱼的组词 形。在这种情况下，当计算进行偏移定义获得主机卸轴承，如果轴承间隙是不

可能出现的问题。通过忽略轴承间隙我们将观察到的负面反应，轴承是轴承卸载。卸下

的负载轴承是轴承与相邻的挠度曲线的形状之间的载荷分布以及不同的之间的差异。除

非轴承间隙中使用正确的校中程序，错误信息将用于承载条件验证（反应测量）。此外，

当凹陷和间隙的计算，如果主发动机轴承卸载，没有间隙的考虑，凹陷和间隙数据错将

产生相似的结果在5节解释。

7．弹性支承

在静态条件下，轴承的弹性将取决于轴和轴承之间的接触面积。接触面积与轴承负

荷再分配的变化。负荷再分配可能是船体变形的结果，或在轴承偏热的影响。由于轴承

偏移的变化，这将导致轴承和轴之间的失准角的变化，从而导致了接触面积。因此，该

解决方案可能是一个反复的过程，导致在稳定的轴承接触区后，发现各自的反应。此过

程是费时的和不可能如果设计师认为可能的干扰而优化调整是必要的，它的设计是强大

到足以在一定范围内的干扰保持令人满意的反力和失准角。

该方法在结构和弹性支承作为常数的值比在轴承的弹性完全忽虑时的方案时可能不

一定得到更精确的结果。

8．齿轮啮合

齿轮驱动装置也许显著受轴系校中条件的影响。对齿轮接触施加的要求是非常严格

的：均匀接触过的齿轮齿面宽度90%是必需的有效。因此重要的是在这些设施中探讨小

齿轮错位排列的影响（图8），并保持在允许的由齿轮制造商同意的公差范围内。我们认

为，上述的方法来解决齿轮校中相关问题的正确途径和方法。在工业上有其他的做法，

是在解决问题的一个间接的路线。方法之一是保持齿轮轴与轴承反力在彼此的20%之内

（图9）。这种方法可以接受的只有当零时刻和剪切力保持在法兰连接到传动轴时候。否

则，就没有保证，失准角是在可接受的范围内–轴承反力本身将不能保证它。

图8齿轮驱动-不平衡齿轮轴与轴承的反力–零失准角齿

图9齿轮驱动-甚至齿轮轴与轴承的反力–0.21[mrad]齿轮安装误差角

9．船体变形与校中优化

图10集装箱船-船体挠度-静水条件

集装箱船例子指出，即使一个非常强大的轴系是几乎不敏感的对于船体变形，校中

的问题仍可能在柴油机方面出现。一个详细的曲轴模型可以看出，柴油机校中可能不能

令人满意，除非采取行动来校正发动机底板拱。如果不这样做，可能导致结果是M/E轴

承未承载。

由于柴油机底板拱弯曲是因船体变形，可以减轻其影响，我们可以通过在施工阶段

轴承座铸造之前使底板下垂。

这是非常重要的，选择适当的放置位移来确保满意的承载状况。通过确保稳健的静

态校中，我们可以预期的无故障的自由动态的操作轴系；即横向振动（旋转）可能会导

致可接受认同的响应，以及轴承的工作条件（特别是尾轴轴承）会导致延长的寿命由于

较大的接触面积和油膜的发展速度。

ABS（美国船局社）优化程序是一个基于遗传算法的方法，其中一个解决方案是通

过并行搜索整个解空间由两个“极端”的挠度曲线寻求边界（如估计船体变形）。在定义

的解空间，我们提取了一些可接受的解决方案，符合基本校中要求；如船级社提出的。

这是由设计者选择的解决方案，提供了最稳健的设计。

校中条件主题是评价计算船体变形（图10）。轴承的偏移量是优化在给定的压载物

和拉登船体挠度曲线（图11排1号）。两种解决方案如图11所示：

1.船体挠度和没有发动机规定的凹陷，

2.船体挠度与发动机规定的凹陷。

没有考虑发动机凹陷（图11排3），第二沾沾自喜的意思 个靠近船尾的发动机轴承在加载的航行状

态，卸载和解决方案是不可接受的。当发动机底板下垂（凹陷）解决方案被认为是可接

受的（图11排4）。

优化程序提供了一些解决方案，满足要求轴承的反力。对于特定的情况下

单一选择的“最佳”解决方案的结果在较低负荷，及在靠近船尾的M/E轴承压载条件下，

负荷的增加趋势随着船的装载的增加而增加（图11行3和4），ABS的优化程序详细的

解释即将本章中出现，在SNAME（美国造船与农机工程师协会）螺旋桨/轴系2003会议

上提出。下面我们表明优化程序提供的表格输出：

1.优化结果：从10个解决方案小组中选择解决方案

2.用遗传算法优化

图11集装箱的柴油发动机轴承的反力与船体变形和台板凹陷量函数曲线

10．可接受标准

校中程序并不总是一致的应用，依靠于造船厂的做法和经验。由于低的信心，船

厂似乎校中分析可以解释为什么有些船厂坚持高接受率。这些利润率有时高达50%，

基本上绘制分析无用。允许值和计算值之间的大的差异，可能不会导致轴承可接受的

负载。这是不可接受的。

如此高的公差船厂将更多地依靠直觉比分析。应谨慎行使这些公差的定义；这之

间有差异（猜测在较高的耐受性可以通过以往的经验，阐述了通过控制测量的结果），

和纯的试验和错误的依赖，获得良好的对齐。这是监管机构可能进入画面，通过定义

清晰、明确的指导方针和路线的验收标准。

监管要求之间的一种折衷的必要性行业的规范和保障一方面对船舶的安全，并且

不想负担的行业与其他不必要的要求。

11．结论

良好的静态定位是为推进系统的动态行为可接受的先决条件。为了获得推进系统

的轴系良好校中，我们应该能够控制校中分析结果，并提供可靠的数据的人员进行校

中分析。

设计相关的轴校中的问题，在这篇文章中特别考虑的是：尾轴轴承问题，中间轴

承偏移调整，曲轴建模，轴承间隙，齿轮的啮合，船体变形，调整优化的结果，和可

接受标准的比对。如果这些问题不考虑在分析阶段，严重的后果可能会在最终定位条

件。

我们还得出结论，认为在理想的条件下，对校中精度的问题的解决方案将在完成

的校中程序中，然而船在干船坞时船体变形是已知的和支座（轴承）偏移优化。

然而，对于船体变形很少有人知道这样的精度。因此，一个更实际的解决方案可

以利用干船坞的条件下完成规定正确对准，但规定正确的轴承位置时当漂浮状态的反

力已被验证。

这是可能的，堵塞的主发动机，变速箱，和直线轴承应该推迟到轴承的反应是接

受时。

本文的结论主要适用于超大型油轮的大型散装货船，在所有方面（即对准艉管轴

承，直线轴承，齿轮箱和柴油机）在轴承偏小的干扰很敏感。相反，大多数大型集装

箱船有更灵活的系统；然而，他们仍然可能存在的问题是在柴油机方面的经验。

西安科技大学

毕业设计（论文）英文文献翻译

题目在推进轴系校中中的设计问题

院、系（部）理学院

专业及班级工程力学0901班

姓名史永峰

指导教师李明

日期2013年6月12日