半潜式打捞船轴系安装工艺_王彧.pdf

技术交流 Technical Communication 2023/3 船舶标准化工程师 59 半潜式打捞船轴系安装工艺半潜式打捞船轴系安装工艺1 1 王 彧（大连中远海运重工有限公司，辽宁大连 116113）摘 要：摘 要：为减少磨损、便于长轴系的安装，基于某120 000 kN抬浮力半潜式打捞船，对其设计情况进行介绍，并对安装工艺的难点和重点进行分析。在此基础上，对轴托工艺进行设计，并进行有限元分析，以保证轴系的正确安装。研究表明：该工艺可有效减小轴系挠度，便于轴系安装。研究成果可为船舶轴系安装工艺提供一定参考。关键词：关键词：半潜式打捞船；长轴系；有限元分析 中图分类号：中图分类号：U674.941 文献标志码：文献标志码：A DOI：10.14141/j.31-1981.2023.03.015 Shafting Installation Technology of Semi-Submersible Salvage Ship WANG Yu(COSCO Shipping Heavy Industry(Dalian)Co.,Ltd.,Dalian 116113,Liaoning,China)Abstract:In order to reduce wear and facilitate the installation of long shafting,the design of a 120 000 kN buoyant semi-submersible salvage ship is introduced,and the difficulties and key points of the installation process are analyzed.On this basis,the shaft support process is designed and finite element analysis is conducted to ensure the correct installation of the shafting.Research shows that this technology can effectively reduce deflection and facilitate installation.The research results can provide some references for the installation process of ship shafting.Key words:semi-submersible salvage ship;long shafting;finite element analysis 作者简介：王 彧（1978），男，高级工程师。研究方向：船舶与海洋工程建造与改装设计。0 引言引言 目前，航运已成为最重要的国际运输方式之一。2012 年以来，我国经济总量已达到全球第2 位，海上运输量也已排名国际前列。繁忙的海上运输往往会导致船舶事故频发。根据近10 年的统计，每年沉没在我国海域的船舶数量超过300 条，尤其是发生在港口和航道内的事故，往往会导致航运全面瘫痪1。自2006 年以来，半潜式船舶迎来迅速发展，逐渐成为抢险打捞工程作业中不可或缺的关键装备2。相较于普通货船和集装箱船舶，半潜式打捞船具有更大的甲板平台，可运输更多的货物。近年来，我国对能源的需求高速增长。为了满足日益增长的能源需求，石油天然气的开发也从陆地、近海走向深远海，深海油气平台及相关辅助设施的运输及安装需求日益增加，而半潜船正是可以高效安全运输这些设备的绝佳工具。此外，作为一种具有强大运载能力的船型，半潜船随时可调整为一个大型海上运输平台，战略意义十分显著3。本文基于某120 000 kN 抬浮力半潜式打捞船，对其设计情况进行介绍，并对安装工艺的难点和重点进行分析。在此基础上，对轴托工艺进行设计，并进行有限元分析，以保证轴系的正确安装。60 船舶标准化工程师 2023/3 1 项目介绍项目介绍 本文研究的120 000 kN半潜式打捞船属于电力推进的自航半潜打捞工程船，其尾部布置有2 个可拆移动式浮箱，并能通过船上的专用设备进行移动和重新布置。在浅水区域，该船采用8 点锚泊定位系统进行定位；在深水区域，该船采用动力定位系统进行定位。船舶总长169.0 m，型宽39.8 m，型深10.9 m，设计吃水7.5 m，打捞吃水8.8 m，最大半潜吃水21.4 m，甲板有效作业面积5 300 m2，载重量26 000 t，单船单边最大抬浮力120 000 kN，设计航速不低于14 kn。由于半潜船常用于运输超大型货物，故其设计有宽阔的甲板。因此，半潜船的型深较小而船宽较大。由于型深较小，螺旋桨的桨径尺寸有限，故其单桨尾流工作面积较小，进而导致螺旋桨的效率变低。本船采用双轴系提高螺旋桨的效率，由于受到艉部线型的影响，半潜船的主推进电机布置在距离螺旋桨很远的位置，这就导致轴系过长。综合考虑上述因素，本船采用长距离(17 m)的双轴系推进系统，轴径375 mm，轴系凸台处尺寸为390 mm，轴头连接至减速齿轮箱。2 长轴系安装工艺长轴系安装工艺 如图1 所示，本船的艉管轴承可分为前段、中段和后段。在设计轴系时，轴承位置会加粗，而其他部分较细。轴系的前段轴承位于船壳内，部分中间段轴承及后端轴承位于船壳外，见图 2。在穿轴的过程中，当整个螺旋桨轴的质心进入艉管后段轴承时，整个轴系的前部会向下倾斜，这个过程中轴系有很大的可能会碰到艉管内的滑油管和仪表管等，进而导致轴系自身表面发生剐蹭。因此，需要在合适的位置上增加轴托，以减少因悬空产生的形变。图1 艉管轴承示意图 图2 轴系布置示意图 2.1 轴托工艺设计轴托工艺设计 轴托由顶丝和轴托头组装而成，可满足轴系顶撑的需求。轴托顶丝示意图见图 3，底部设计为六角螺母以便固定顶丝，顶部进行钻孔处理，预留轴托头的安装位置。为减小摩擦，顶丝头进行去锐角化处理。轴托顶丝整体采用一体式车床加工，材质为45 号钢。为减小摩擦、减轻轴系表面的磨损，轴托头的顶部设计为半球体（见图4）。轴托头的材质为聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE），相较于钢材，PTFE 强度较低，质地较软，可有效减轻轴系表面的磨损。技术交流 Technical Communication 2023/3 船舶标准化工程师 61 图3 轴托顶丝示意图（单位：mm）图4 轴托头示意图（单位：mm）2.2 长轴系弯曲变形理论分析长轴系弯曲变形理论分析 在安装长轴的过程中，当轴系通过艉轴管后，处于与后段轴承接触但未达到中间轴承的状态，此时可将轴系视为一个悬臂梁模型，其弯曲变形公 式为 ()()1M xR xEI=（1）式中：x为轴线坐标；M为弯矩；R为曲率半径；E为弹性模量；I 为截面抗弯惯性矩。平面挠曲线上任一点的曲率方程4为 ()22322d1dd1dwxR xwx=+|（2）式中：w为挠度。由于轴的变形量非常小，转角可忽略不计，因此式（2）可进一步表示为 22ddwMEIx=（3）假定轴系受均匀载荷，其弯矩方程为 ()()21,02M xq lxxl=-（4）式中：q为均匀载荷；l为自由端至固定端的长度。将式（4）代入式（3），可得最大挠度wmax5为 4max8qlwEI=（5）由式（5）可知，随着固定端至自由端的长度越长，轴系的最大挠度越大，即轴系的变形量也越大。2.3 有限元仿真有限元仿真 本小节基于SolidWorks Simulation软件对长轴系在安装过程的变形情况进行有限元仿真。建立模型，划分网格，输入材料参数，定义外部载荷和边界条件。定义2种极端工况进行仿真：1）工况1，即长轴在通过后段轴承即将达到中段轴承的状态。2）工况2，即长轴在通过中段轴承尚未达到前段轴承的状态。2种工况下轴系的变形情况分别见图5和图6。对于工况1，轴系悬空长度超过7 m，最大挠度变形为16.6 mm。对于工况2，轴系悬空长度约5 m，最大挠度变形为3.8 mm。图5 轴系变形情况仿真结果（工况1）65 62 船舶标准化工程师 2023/3 图6 轴系变形情况仿真结果（工况2）若艉管后段轴承与中段轴承之间不设轴托，轴系最前端在未达到中段轴承前很可能碰撞滑油管。因此，考虑在艉管轴承和中间轴承的中间位置增加1组轴托。增加该轴托后，可将轴系的悬空长度控制在5 m范围内，且会有效减小悬空部分的挠度。2.4 轴托安装过程轴托安装过程 若轴托高度太低，可能会导致轴头碰到滑油管；若轴托高度太高，整个轴的质量会全部落到轴托上，不仅会增大摩擦，还可能会损坏轴系。根据反复测试与研究，当轴托高度为85 mm时，可使直径为375 mm的轴系完全落位在艉轴轴承上。当第一个凸台完全经过轴托时，将轴托再抬高5 mm，让整个直径为375 mm轴系的质量均落在艉轴承及轴托上。当第2个凸台到达轴托时，将轴托的高度降低为85 mm，避免质量集中在轴托上。经过计算，轴头能够正常进入前轴承，且不会发生碰撞。在轴头穿过前轴承后，可在轴头增加吊带，辅助整个轴系安装到位。该安装方法解决了弯曲变形导致的安装难题，可有效避免滑油管等其他结构对轴系安装造成的影响。3 结论结论 半潜式打捞船往往拥有较长的轴系，挠度变形也较大。在安装的过程中，轴系常与周边的滑油管接触，产生安装困难的问题。本文基于某120 000 kN抬浮力半潜式打捞船，对其设计情况进行介绍，并对安装工艺的难点和重点进行分析。在此基础上，对轴托工艺进行设计，并进行有限元分析，以保证轴系的正确安装。本文主要可得到如下结论：1）本文提出的轴托设计工艺，可在长轴系安装过程中为悬空部位的轴系提供必要的支撑力。2）轴系悬空长度越长，挠度变形越大。3）在没有轴托的情况下，轴系最大挠度变形为16.6 mm；增加轴托后，可将轴系的最大挠度变形减小至3.8 mm。4）当轴托高度为85 mm时，本文提出的安装方法解决了弯曲变形导致的安装难题，可有效避免滑油管等其他结构对轴系安装造成的影响。参考文献：参考文献：1 冯志根.半潜船船型特点及其发展前景J.上海造船,2006(1):49-51.2 黄志军,张福川,杜春城,等.某大型海事巡逻船超长轴系校中和安装工艺研究J.广东造船,2021,40(5):69-72.3 张俊武,周剑平,李梓.某型自航半潜船轴系校中分析和安装工艺J.船海工程,2011,40(3):115-118.4 王建午,楼京俊,李欣一,等.基于梁变形微分方程与奇异函数的轴系校中计算研究J.舰船科学技术,2019,41(11):71-75.5 范钦珊,殷雅俊,虞伟建.材料力学M.北京:清华大学出版社,2008.