【正文】 江蘇科技大學畢業(yè)設計（論文）8000噸化學品油輪軸系設計畢業(yè)論文目錄第一章 緒論 1 第二章 概述 作用與組成 3 3 3 3 3 4 4 5 6 6 7 7 8 第三章 軸系的初步設計 9，長度和位置的確定 9，數(shù)目與間距設計 9 10 10 12 13 第四章 傳動軸的組成、材料與計算 14 14 14 14 15 15 16 16 18 20 軸系連接螺栓最小直徑 21 第五章 軸系合理校中設計 22 22 22 22 25 25 26 2分配系數(shù)和固定彎矩的計算 28 28 29 29 30 31 33 33 33 36 38 40 結 論 44 致 謝 45 參考文獻 46III第一章 緒論 引言船舶軸系的是由傳動軸、傳動設備、支承部件、尾密封裝置組成。它的工作原理就是。主機通過運轉發(fā)出功率，然后通過軸系傳遞給螺旋槳，螺旋槳轉動與水發(fā)生發(fā)生作用，產(chǎn)生軸向推力推動船體運動。軸系會發(fā)生故障的原因，要么是軸系在材料、強度等方面有所欠缺，要么就是在使用工作過程中，過熱造成損壞。在船舶軸系設計過程中要注意以下問題：1. 合理的軸承間距中間軸在螺旋槳和推力軸之間放置。有些船舶，為了減小質量，使用中空軸的。每個中間軸通常是有一個中間軸承，其安裝位置通常不是軸的中心部分，在一個偏置，以方便安裝。目前中間軸承主要有滑動式和滾動式兩種，現(xiàn)在船舶造船主要使用滑動式。[1]二. 尾軸承的位置及間距1. 單軸系船舶，螺旋槳軸與船體的連接處通常會有尾軸承來支承，一般情況下是使用兩個尾軸承。通常大型船的的尾軸承設計的都比較短，所以會在尾軸管那多設置一個后尾軸承，并且考慮支承螺旋槳軸，會多設置一個中間軸承。尾軸承實際的設置間距問題，應該用軸系回旋振動計算校核的結果來確定。2. 按有關規(guī)范確定傳動軸基本軸徑必須按有關規(guī)范確定傳動軸基本軸徑。船舶運行中，軸系會受到負荷與彎矩，并且在海上船舶會受到各種的海況，這種情況會很復雜，按照有關規(guī)范來計算的基本軸徑會減少這種復雜情況對軸系的影響。提出的經(jīng)驗公式是研究總結了國內外軸系發(fā)生故障的原因后提出的，只要在使用中不發(fā)生嚴重的扭轉振動和橫向振動，按照公式計算的軸段，一般情況不會發(fā)生軸系斷裂等強度事故。船舶軸系分為很多段，每段上的所承受的負荷和彎矩都是不一樣的，因此，按有關規(guī)范確定軸的基本軸徑是不一樣的。3. 強度校核計算和傳動軸的基本軸徑確定一樣的，船舶軸系的強度校核也是有規(guī)范的經(jīng)驗公式，計算出軸系所能承受的強度，也要對所得出的強度進行校核。強度校核的方法大體有兩種，一種用規(guī)范公式對軸進行初步的強度校核計算；第二種是在設計完成后，再進行強度校核計算；并且，通過扭轉振動計算，確定軸段的扭轉應力；然后，要進行合成應力的計算，這個過程通常使用強度的理論公式，得出軸系的安全系數(shù)，之后按照是否符合許用標準，完成校核。使用的許用標準是按要經(jīng)驗來確定。4. 軸系合理校中計算 校中計算的目的就是合理考慮各復雜軸系和軸承的布置，然后使得軸承載荷在正常值范圍內。軸系的質量將直接影響到動力裝置的可靠性和傳播的航行工作安全的性。軸承校中的不好將使得船舶在工作過程中軸系尾部軸承磨損加快，甚至出現(xiàn)過熱燒壞。減速齒輪之間沒有進行良好的嚙合使軸系振動惡化的事故不斷出現(xiàn)。[2] 本文是關于船舶軸系設計的，通過學習 “船舶軸系設計與校中”相關知識，了解船舶軸系設計的相關規(guī)范和標準，然后結合船舶設計規(guī)范手冊等，對船舶軸系設計加以深刻的理論分析，以8000噸化學品油輪為對象，計算并設計其軸系，然后建立起校中計算的數(shù)學建模，再用Visual ，完成對8000T化學品油輪軸系的設計校中。第二章 概述、作用與組成 推進裝置中，從主機曲軸中的輸出法蘭開始，到螺旋槳軸結束，包括了傳動軸和支撐部件等總稱為軸系。傳動軸包括推力軸、中間軸及尾軸，支撐部件包括中間軸承、推力軸承及尾管裝置。船舶軸系主要的作用是將主機產(chǎn)生的動力通過軸系傳遞到螺旋槳。螺旋槳旋轉通過轉動產(chǎn)生的軸向推力通過船舶軸系傳遞給船體，在水的反作用力下推進船舶前進。[3]軸系的具體組成：傳動軸、聯(lián)軸器、制動裝置、軸承等。[4]按照船舶的類型、用途和動力裝置等區(qū)別，船舶軸系在軸系的數(shù)量、布局和結構也不同。分為單軸系、雙軸系、多軸系和調距槳軸系。(1)單軸系單軸系處于船舶的縱向剖面，和船舶的基線處于平行位置。分艙布置軸系的有長軸和短軸之分，短的不僅有利于施工過程中節(jié)省運輸成本，而且便于船舶維修管理。所以目前造船趨勢大多是采用尾機艙結構或近尾機艙的船舶結構。 (2)雙軸系雙軸系結構為有兩個軸系，并且分別平行對稱分布在船體中縱剖面的兩邊，相對于船基線略有傾斜，用來保證螺旋槳可以充分沒入水中。由于船體整體結構的限制，螺旋槳到尾軸管長度較遠，尾軸較長，需要在船體的外部布置人字架用來托住懸伸船外的尾軸。并且為了方便拆裝尾軸，將其分為兩段制造，中間用聯(lián)軸器進行連接。尾軸管內的軸系段仍稱為尾軸。懸伸于船外的軸系段與螺旋槳相連接，并通過人字架托住支承，這段軸稱之為螺旋槳軸。(3)調距槳軸系 調距槳軸系不僅受到螺旋槳的推力，并且還有承受調距推拉桿產(chǎn)生的軸向力，為此軸系鍛各位置的尺寸均要考慮各種力的作用。由于船舶的調距槳在系泊時能發(fā)揮全功率，系泊推力大，因此可使船舶獲得任意航速，并且可以實現(xiàn)零航速，負航速。因此，在選用推力軸承和相關軸系各部件時應該考慮各力的作用。并且，在相同的轉速和功率的情況下調距槳的質量比定距槳重，所以尾軸管后軸承會受到更大的壓力，這種情況應該著重考慮。 軸系處于船舶的基線的下方，由于其工作的特殊性，螺旋槳軸會浸在水中，并且軸系是通過高速的運轉來工作的，這些因素使得船舶軸系的工作條件是很惡劣的。(1)短軸系，注意軸系的安裝空間，以防安裝軸系發(fā)生過大或者過小。(2)長軸系，軸系過長注意軸承之間的距離，防止發(fā)生振動。(1)軸承之間間距與軸徑的比較大時，著重要注意此處回旋振動；(2)注意船舶主機的可以傾斜的角度，從而注意船舶軸系和船舶整體基線的夾角； (3)螺旋槳處于海水中，應該注意海水的腐蝕對于螺旋槳的影響。(1)船舶軸系不僅僅要承受船舶螺旋槳產(chǎn)生的推力，還要承受船舶的調距推拉桿產(chǎn)生的軸向力，所以軸的尺寸應該需要考慮各方面的因素；(2)調距槳需要在船舶系泊是要能發(fā)揮到主機的全功率，因此船舶軸系和船舶軸承等各方面的零件需要考慮這個重要的因素。；(3)配油器位置應盡可能接近船尾（對利用推拉桿調距時），推拉桿最長不該大于20mm。(4)在相同的功率和轉速下，調距槳比定距槳重，所以對尾管后軸承的受力情況應予仔細考慮。[5]軸系因其屬水下工程，一旦產(chǎn)生故障問題，常常將使船舶停航檢驗或塢修，影響到船舶的營運和經(jīng)濟效益。因此在對船舶軸系進行設計時，要考慮到很多問題，船舶軸系的設計主要要求如下；(1)工作狀態(tài)可靠和較長的工作使用壽命：船舶軸系主要軸系以及支撐部件要有足夠大的剛度，以確保其在各種的過大的在載荷下也能夠承受，永久變形或斷裂的這種情況不會發(fā)生，使其在航運工作中可以可靠的工作，并且還需要有較長的工作使用壽命。(2）制造安裝方便；軸系各部件應盡量采用標準化結構，構造上在滿足其工作需要的基礎上應力求簡化，使其制造加工方便，在設計時還應充分考慮便于在船上的安排，校中及折卸，并便于日常的維護與修復。(3）發(fā)生傳動損失?。涸谳S系設計時，通過選擇軸承數(shù)目、正確的布置位置和有效的潤滑方式，從而來使傳動損失變小，推進效率得到提升。(4）對船體變形的敏感性?。捍w在營運過程中其變形是不可避免的，應要求軸系所受的影響較小，以避免發(fā)生因船體的變形時使軸承產(chǎn)生較大的附加負荷，減少傳遞損失，延長使用壽命。(5）良好的抗震性能：保證其在一般營運轉速范圍中不致產(chǎn)生軸的扭轉共振、橫向共振和耦合共振。(6）有良好的密封性能及避免海水對艉軸的腐蝕能力：采取必要的措施防止海水對尾軸的腐蝕，選擇良好性能的密封裝置，防止滑油外漏而污染海洋環(huán)境。(7）重量尺寸要?。罕M可能的減少軸系的長度和重量以提高裝載貨物的空間，增加運營量以提高船舶營運的經(jīng)濟性。[6]目前使用的計算方法主要有兩種,三彎矩法和力矩分配法。力矩分配法屬于漸進位移法的類型，在計算過程中采用逐步逼近的步驟，計算結果與精確度每個回合逐步提高和改善計算，其結果基本上與三彎矩方法一致。使用這種計算方法可避免解聯(lián)立方程組，而且要遵循一定的步驟，這種方法造船行業(yè)在近幾年常用的軸系計算方法。由于力矩分配法是一種通過軸系上的力矩分配—傳遞—再分配—再傳遞的快速收斂的迭代過程，因此其電算程序結果簡單，計算速度快。有限元方法的基本思路是“化整為零”，就是把復雜的一些不規(guī)則的整體變成簡單規(guī)則的集合體，將復雜值變成近似值，代入求的振動系統(tǒng)的方程數(shù)值解。有限元法就是將一個比較復雜的整體分為很多個小的單元，這下單元每一個都是連續(xù)體，每個單元的特性也很全面。相連之間的單元有共同的點稱為節(jié)點，只有相鄰的單元是通過節(jié)點連接在一起。在這些節(jié)點，位移和內力相對平衡協(xié)調，并且使得整個結構維持原有的特色和接觸系統(tǒng)的作用。有限元法分析的方法常采用結點位移的方法，即位結點作為基本未知量，單元，并且所有的參數(shù)，包括整體位移、應變、所有可變力由結點位移來表示，對于振動問題，有限元法實現(xiàn)了連續(xù)體振動問題轉化為有限自由度振動系統(tǒng)的問題，即轉化為廣義坐標的多自由度系統(tǒng)的節(jié)點位移有限數(shù)量的振動問題，從而使得問題有可能借助于線性方程組求解。[7]有限元法是在連續(xù)區(qū)域中，將離散的有限方式的組合和相互耦合以一定的單位，每個單元中的近似函數(shù)表示要解決對整個區(qū)域的離散假設的存在找到未知函數(shù)的功能。因此，在有限元方法的應用時，需要把平面彎曲的軸系變成數(shù)個單元段，稱此為一個單位。節(jié)點位于兩個單元之間。接下來算出每一個單元的剛度矩陣，然后計算每個元素，整個單元的剛度矩陣按照一定的規(guī)則組合劃分，就可以得到剛度矩陣的結構，結合軸系的限制因素和結構條件的限制，可以獲得集中在每個節(jié)點上的轉角、彎矩和集中力。并利用有限元法對于所述軸系進行校中，在軸承支承按照所引起的船體的尺寸變形的高度，所以通過修改計算過程，來解決船舶進入水中時，或當船體全部載滿或半載，船舶的主體發(fā)生結構變形從而導致船舶的軸系校中不是很準確，以此來的出比較準確的船舶軸系的校中計算結果。隨著計算機軟件不斷發(fā)展和完善, 有限元計算方法在ANSYS 軟件下可以得到很好的實現(xiàn), 不但可以解決船體下水、船體滿載或半載時, 船舶會出現(xiàn)主體結構變形，這些因素都是屬于動態(tài)因素，會使得軸系的校中不是很準確，通過軟件則可以得出動態(tài)因素對于整個軸系校中的影響。比如軸系在運轉過程中的振動等問題。通過對比發(fā)現(xiàn)，有限元法相對于其他方法更加的準確方便，因此在以后的船舶軸系設計校中中應多使用有限元法。雖然隨著科學技術的進步，大量的設計分析軟件和新的設計理念在船舶軸系設計上得到了廣泛的應用，使得軸系設計取得了很大的發(fā)展，但是雖然有了新的方法和手段，但是通過軟件設計，會有很多因素得不到很好的考慮，比如現(xiàn)有的安裝與制造水平，支撐點與船體的配合等等。使得在船舶軸系設計方面有一定的限制。除此之外，現(xiàn)在在設計軸系時采用了幾十年以前的經(jīng)驗公式，有時這些經(jīng)驗公式?jīng)]有得到很好的修正或者已不太滿足目前的設計要求，這也會給設計帶來很多意向不到的影響。本文通過對于船舶動力裝置相關知識的學習，研究船舶軸系的設計與校中的過程，完成了8000T化學品油輪的軸系進行設計與校中，并且詳細的介紹了軸系設計與校中的具體過程。調研,收集分析有關資料，總結和掌握船舶軸系的設計方法和確定軸系校中設計總體原則?；赩B編程軟件，運用力矩分配相關計算方法編制設計校中計算應用程序進行相關計算。該論文的研究內容是很貼近船廠工作的，對軸系設計一知半解的人幫助很大：（1）通過對該題目的設計研究，使我們能夠對現(xiàn)代船舶軸系有了一個系統(tǒng)的認識；（2）培養(yǎng)了我們收集和研究相關資料，并通過文獻學習掌握船舶軸系設計計算的手段；（3）根據(jù)船舶規(guī)范對8000T化學品油輪進行合理的軸系設計以及軸系的強度校核計算；；（4）學習Visual Basic 。第三章 軸系的初步設計，長度和位置的確定船舶軸系是一根很長的軸，但是這根軸不是整體的，是有很多的軸端組成的。這些軸段的中心組成了軸線。軸線的的數(shù)量往往取決于船舶的航行性能、功率、類型和組成的主機設備和工作的可靠性可能的特性的最大經(jīng)濟體的類型決定的。通常來說民用船舶在建造時軸線設計不會多于3根；對于一些要求航速快、操縱靈活、工作可靠，而吃水受限制的客輪或集裝箱以及某些有特殊要求的船舶，則往往用兩根；軍艦則為了提高其航速、生命力和機動性，一般采取兩根或三根，個別也有用四根。本課題的8000噸的化學品油輪采用的是一根軸線。軸系的端點位置決定了軸線的的位置和軸線的長度，兩個端點一個是在螺旋槳上的中心，一個是在主機輸出法蘭中心。在設計過程中，主機的位置是有一定要求的：（1） 對稱設置：為了能使主機功率有效地轉變?yōu)槁菪龢屏ΓS線最佳設置成與基線平行；雙軸系和多軸系的船舶中，最好將軸線設置成與船舶縱舯剖面相平行和對稱。 （2）軸線應該與船舶主體的軸線位置水平。有的船舶主機位置由于設計問題不能夠保證螺旋槳一定會浸入到水面下，因此會使軸線與尾部傾斜角度α一般會有一個控制值，大約在在0到50度之間，可以保證有足夠的推力效率。（3）為了使軸系的長度不會太長，保證各方面要求，一般情況下主機的安裝位置在整個船舶位置中