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摘 要：船舶轴系将主机功率传递到螺旋桨的同时也将螺旋桨产生的轴向推力传给船体，这样便能推动船舶航行。所以，只有船舶轴系正常运转才能保证螺旋桨的正常运行。也就是说，要尽量避免船舶轴系的工作故障，这就要求在设计过程中对于多方面的问题多加注意。本文将对船舶轴系设计的若干问题进行分析。
关键词：船舶轴系；设计；问题
船舶轴系能否安全可靠的工作关系着螺旋桨乃至整个船体的正常工作，所以在设计过程中必须严加注意，要尽量避免其由于内外因素的作用而发生故障。经研究发现，船舶轴系可能发生的故障主要分为以下两类：轴的某一部分发生断裂或者轴承过热而被烧坏。要想避免轴承发生故障，就要在设计过程中注意多方面的问题，比如：轴承间距、传动基本轴径、强度校核计算、振动计算及测试以及轴系合理校中计算。下面进行具体的论述。
一、轴承间距
（一）中间轴承的位置和间距。对于中间轴承来说，最合理的位置应该是船体结构具有较好的刚性也就是变形较小比如隔舱壁附近或者设有反面加强肋板的地方。如果船舶体型较小，那么就可以将轴承直接设置在隔舱壁上。通常情况下中间轴上只设置一道中间轴承。当满足下列两种情况中的一种时可以设置两道中间轴承：中间轴轴径大于350mm且中间轴长度与中间轴轴径的比值大于22时或者中间轴轴径小于100mm且中间轴长度与中间轴轴径的比值大于40时。当设置两道中间轴承时，中间轴承间距一般按照下列式子进行估算：395.34* <=l<=632.44* （其中d表示中间轴轴径）。但是，中间轴承实际布置间距应该由轴系校中计算来最终确定下来。
（二）尾轴承的位置和间距。如果船舶是单轴系的，那么螺旋桨轴通常情况下采用两道尾轴承支承。当船舶体型较大而且尾管较短的时候可以只在尾管中设置一道后尾轴承，同时在尾管前加设一道中间轴承也就是相当于前尾轴承，以此来作为螺旋桨的支承。尾轴承的间距根据下列式子进行估算：当螺旋桨轴直径大于400mm时，间距大于等于12倍的螺旋桨直径；当螺旋桨轴直径在300mm—400mm之间时，间距取14—25 倍的螺旋桨直径；当螺旋桨轴直径小于等于300mm时，间距取16—40倍的螺旋桨直径。但是，尾轴承实际设置间距应该根据轴系回旋震动计算校核最终确定。
二、传动轴基本轴径
必须严格根据相关规范来确定传动轴的基本轴径，只有这样才能避免因强度问题导致的断轴事故。这是由于规范规定的计算公式不仅考虑了轴的正常负荷还考虑了各种可能遇到的外来因素并且根据实际事例考虑了安全系数，所以由规范规定的计算方法计算的传动轴基本轴径较安全。根据规范计算的处于不同受力状态的螺旋桨轴、推力轴以及中间轴的轴径是有差异的。钢质内河船舶，按下式计算：d = 98K{（Ne/ne） [570/ （σb + 157）]}^（1/3）mm，其中K 表示不同轴的设置特性系数、Ne表示轴传递的额定功率，单位为kW、ne表示轴的额定转速，单位为r/min、σb表示轴材料的抗拉强度。对于中间轴，如果σb大于800MPa，取800MPa，对于螺旋桨轴和尾管轴，如果σb大于600MPa，取600MPa。
三、强度校核计算
虽然轴径是根据规范的经验公式来确定的，但是船舶轴系受力十分复杂，所以对于计算得到的轴径仍需要进行强度校核计算。总的来说，根据进行校核的时间阶段强度校核的方法主要有以下两种：一种是在初步设计阶段进行的初步校核；另一种则是详细设计完成后进行的校中计算，也就是确定轴系各截面的内力（包括扭转应力），之后将内力根据强度计算理论进行合成，然后根据安全系数来判断是否满足要求。当选用第二种方法的时候，要注意安全系数的选用和轴的负荷情况以及轴材料的性质、加工、装配质量相关，要选取合适的安全系数才能保证可靠性。轴系在承受压力的时候有丧失稳定性而产生弯曲破坏的情况，尤其是对于柔性轴，所以有些情况需要对轴进行压杆稳定校核。
四、振动计算和测试
在进行动力计算的时候，可以将轴系看作多个质点构成的弹性系统。柴油机输出的波动转矩会对轴系造成扰动从而引起扭转振动。由于共振效应会使得轴承在某个特定的转速下振幅大大增大，进而产生很大的扭转附加应力。扭转附加应力必须处于一个范围之内才能保证安全，当超出允许的范围时必须采取一定的减振措施。另外，船舶轴系还可以看作连续梁，会产生一定的挠度。由于多方面的原因会造成螺旋槳的中心与回转中心线不重合从而在回转过程中产生离心力。再者，螺旋桨的悬臂作用会使得其产生陀螺效应。因此，对于对回旋振动的固有频率进行校核，以保证其与运转转速范围相差较大，如果不满足的话，载轴系设计过程中就要采取一定的措施进行改进。对于高速传动的轴系要尤其要注意。
五、轴系合理校中计算
在轴系设计计算过程中合理确定各中间轴承和尾管轴承的间距以及垂直高度来达到使得各轴承的负荷在允许的范围之内从而使荷载均匀分布就是所谓的轴系合理校中计算。轴系校中质量高才能为动力装置进行安全可靠的工作提供保障。轴系校中计算时应该注意以下几方面的内容。
（一）轴承支点的位置。只有确定轴承支点的位置才能计算轴承负荷。不同位置的轴承支点的位置也不同，对于中间轴承一般认为支点与中点重合；对于后尾轴承就比较复杂，因为后尾轴承受到螺旋桨的悬臂力矩，受力不均匀。
（二）螺旋桨的重量。对于组合式和整体式的螺旋桨的重量计算处理方式不同，两种方式的结果相差了20%。在基本设计阶段不仅要根据具体的情况来计算螺旋桨的重量还要考虑螺旋桨的附水质量。附水质量并不是一个定值，这是由于船的航速和吃水深度不同造成的。根据经验，附水质量大约是螺旋桨质量的10%—30%。
（三）轴系校中的方法。按直线、轴承上允许负荷、轴承上合理负荷校中是轴系校中的三种主要方法。对于计算状态来说主要分为热态、冷态以及安装状态三种。对于轴系校中的评定要做到全面，对于热态和冷态都要进行。
六、结语
要想使得船舶能够正常运行，就要保证轴系不发生故障，这就要求在充分分析实例找到发生故障的主要原因的基础上在船舶轴系设计中能够全面注意到上述各项问题，严格按照要求进行，最大限度的使得设计科学合理，从而使得船舶轴系具有高度的可靠性，进而保证整个船舶航行过程中不出现安全问题，避免不必要的损失。
参考文献：
[1] 曾凤金，王兆伟.轴承支承长度及间距对船舶轴系振动特性影响[J].中国机械，2014，（7）：210-210，211.
[2] 俞强，石雯婷.减少船舶轴系纵向震动减振器参数优化[J].大科技，2015，（25）：226.
[3] 欧海真，杨胜强.船舶轴系失中的原因分析及修理方案[J].广东造船，2014，（4）：89-93.
关键词：船舶轴系；设计；问题
船舶轴系能否安全可靠的工作关系着螺旋桨乃至整个船体的正常工作，所以在设计过程中必须严加注意，要尽量避免其由于内外因素的作用而发生故障。经研究发现，船舶轴系可能发生的故障主要分为以下两类：轴的某一部分发生断裂或者轴承过热而被烧坏。要想避免轴承发生故障，就要在设计过程中注意多方面的问题，比如：轴承间距、传动基本轴径、强度校核计算、振动计算及测试以及轴系合理校中计算。下面进行具体的论述。
一、轴承间距
（一）中间轴承的位置和间距。对于中间轴承来说，最合理的位置应该是船体结构具有较好的刚性也就是变形较小比如隔舱壁附近或者设有反面加强肋板的地方。如果船舶体型较小，那么就可以将轴承直接设置在隔舱壁上。通常情况下中间轴上只设置一道中间轴承。当满足下列两种情况中的一种时可以设置两道中间轴承：中间轴轴径大于350mm且中间轴长度与中间轴轴径的比值大于22时或者中间轴轴径小于100mm且中间轴长度与中间轴轴径的比值大于40时。当设置两道中间轴承时，中间轴承间距一般按照下列式子进行估算：395.34* <=l<=632.44* （其中d表示中间轴轴径）。但是，中间轴承实际布置间距应该由轴系校中计算来最终确定下来。
（二）尾轴承的位置和间距。如果船舶是单轴系的，那么螺旋桨轴通常情况下采用两道尾轴承支承。当船舶体型较大而且尾管较短的时候可以只在尾管中设置一道后尾轴承，同时在尾管前加设一道中间轴承也就是相当于前尾轴承，以此来作为螺旋桨的支承。尾轴承的间距根据下列式子进行估算：当螺旋桨轴直径大于400mm时，间距大于等于12倍的螺旋桨直径；当螺旋桨轴直径在300mm—400mm之间时，间距取14—25 倍的螺旋桨直径；当螺旋桨轴直径小于等于300mm时，间距取16—40倍的螺旋桨直径。但是，尾轴承实际设置间距应该根据轴系回旋震动计算校核最终确定。
二、传动轴基本轴径
必须严格根据相关规范来确定传动轴的基本轴径，只有这样才能避免因强度问题导致的断轴事故。这是由于规范规定的计算公式不仅考虑了轴的正常负荷还考虑了各种可能遇到的外来因素并且根据实际事例考虑了安全系数，所以由规范规定的计算方法计算的传动轴基本轴径较安全。根据规范计算的处于不同受力状态的螺旋桨轴、推力轴以及中间轴的轴径是有差异的。钢质内河船舶，按下式计算：d = 98K{（Ne/ne） [570/ （σb + 157）]}^（1/3）mm，其中K 表示不同轴的设置特性系数、Ne表示轴传递的额定功率，单位为kW、ne表示轴的额定转速，单位为r/min、σb表示轴材料的抗拉强度。对于中间轴，如果σb大于800MPa，取800MPa，对于螺旋桨轴和尾管轴，如果σb大于600MPa，取600MPa。
三、强度校核计算
虽然轴径是根据规范的经验公式来确定的，但是船舶轴系受力十分复杂，所以对于计算得到的轴径仍需要进行强度校核计算。总的来说，根据进行校核的时间阶段强度校核的方法主要有以下两种：一种是在初步设计阶段进行的初步校核；另一种则是详细设计完成后进行的校中计算，也就是确定轴系各截面的内力（包括扭转应力），之后将内力根据强度计算理论进行合成，然后根据安全系数来判断是否满足要求。当选用第二种方法的时候，要注意安全系数的选用和轴的负荷情况以及轴材料的性质、加工、装配质量相关，要选取合适的安全系数才能保证可靠性。轴系在承受压力的时候有丧失稳定性而产生弯曲破坏的情况，尤其是对于柔性轴，所以有些情况需要对轴进行压杆稳定校核。
四、振动计算和测试
在进行动力计算的时候，可以将轴系看作多个质点构成的弹性系统。柴油机输出的波动转矩会对轴系造成扰动从而引起扭转振动。由于共振效应会使得轴承在某个特定的转速下振幅大大增大，进而产生很大的扭转附加应力。扭转附加应力必须处于一个范围之内才能保证安全，当超出允许的范围时必须采取一定的减振措施。另外，船舶轴系还可以看作连续梁，会产生一定的挠度。由于多方面的原因会造成螺旋槳的中心与回转中心线不重合从而在回转过程中产生离心力。再者，螺旋桨的悬臂作用会使得其产生陀螺效应。因此，对于对回旋振动的固有频率进行校核，以保证其与运转转速范围相差较大，如果不满足的话，载轴系设计过程中就要采取一定的措施进行改进。对于高速传动的轴系要尤其要注意。
五、轴系合理校中计算
在轴系设计计算过程中合理确定各中间轴承和尾管轴承的间距以及垂直高度来达到使得各轴承的负荷在允许的范围之内从而使荷载均匀分布就是所谓的轴系合理校中计算。轴系校中质量高才能为动力装置进行安全可靠的工作提供保障。轴系校中计算时应该注意以下几方面的内容。
（一）轴承支点的位置。只有确定轴承支点的位置才能计算轴承负荷。不同位置的轴承支点的位置也不同，对于中间轴承一般认为支点与中点重合；对于后尾轴承就比较复杂，因为后尾轴承受到螺旋桨的悬臂力矩，受力不均匀。
（二）螺旋桨的重量。对于组合式和整体式的螺旋桨的重量计算处理方式不同，两种方式的结果相差了20%。在基本设计阶段不仅要根据具体的情况来计算螺旋桨的重量还要考虑螺旋桨的附水质量。附水质量并不是一个定值，这是由于船的航速和吃水深度不同造成的。根据经验，附水质量大约是螺旋桨质量的10%—30%。
（三）轴系校中的方法。按直线、轴承上允许负荷、轴承上合理负荷校中是轴系校中的三种主要方法。对于计算状态来说主要分为热态、冷态以及安装状态三种。对于轴系校中的评定要做到全面，对于热态和冷态都要进行。
六、结语
要想使得船舶能够正常运行，就要保证轴系不发生故障，这就要求在充分分析实例找到发生故障的主要原因的基础上在船舶轴系设计中能够全面注意到上述各项问题，严格按照要求进行，最大限度的使得设计科学合理，从而使得船舶轴系具有高度的可靠性，进而保证整个船舶航行过程中不出现安全问题，避免不必要的损失。
参考文献：
[1] 曾凤金，王兆伟.轴承支承长度及间距对船舶轴系振动特性影响[J].中国机械，2014，（7）：210-210，211.
[2] 俞强，石雯婷.减少船舶轴系纵向震动减振器参数优化[J].大科技，2015，（25）：226.
[3] 欧海真，杨胜强.船舶轴系失中的原因分析及修理方案[J].广东造船，2014，（4）：89-93.