轴系是船舶推进装置中的一个重要的组成部分。一般来说,为了加工、制造、运输、及拆装的方便,往往将轴系分成许多段,然后用联轴器连接起来,形成一个整体。联轴器性能的好坏又与它连接的螺栓有很密切的关系,所以选择合适的螺栓连接方式是非常必要的。


船舶轴系螺栓连接技术简述(图1)

一般轴系常用螺栓有普通螺栓(非紧配螺栓)和紧配螺栓两种形式。普通螺栓是通过预紧力来防止联轴节法兰的相对滑动和运动。在传递扭矩时,预紧力转化为摩擦力,但传递的扭矩应不大于法兰平面间摩擦力产生的扭矩,否则会产生打滑现象。摩擦力大小则是由预紧力决定的,螺栓的预紧力越大,法兰平面间的摩擦扭矩越大,对螺栓产生的拉应力也越大。因此,普通螺栓传递扭矩主要是承受拉应力,而且拉应力不应超过螺栓材料的许用拉应力。采用普通螺栓连接时,法兰上的螺栓孔直径一般会比螺栓的螺杆部分直径大0.5-1mm。


普通螺栓直径的计算可参照CCS出版的《海上高速船入级与建造规范》,螺栓的螺纹根部直径应不小于下式计算值:




式中:Ne---- 轴传递的额定功率;


          ne---- 轴传递Ne时的转速;


          Z ---- 螺栓数目;


          D ----螺栓孔的节圆直径;


          σb ---- 螺栓材料的抗拉强度。



船舶轴系螺栓连接技术简述(图2)

关于螺栓的拧紧力矩和预紧力计算可参照下式:


拧紧力矩Mt=K×P0×d×10-3 N.m


K:拧紧力系数  d:螺纹公称直径P0:预紧力


预紧力P0=σ0×As


As=π×ds2/4ds:螺纹部分危险剖面的计算直径(As也可由查表得出)


ds=(d2+d3)/2,d3= d1-H/6,


H:螺纹牙的公称工作高度


σ0=(0.5~0.7)σsσs―螺栓材料的屈服极限N/mm2


(螺栓预紧力就是在拧螺栓过程中拧紧力矩作用下的螺栓与被联接件之间产生的沿螺栓轴心线方向的预紧力。)


紧配螺栓又可分为铰制孔紧配螺栓和液压紧配螺栓,目前船舶轴系上更多使用的是铰制孔紧配螺栓。


铰制孔紧配螺栓是通过螺杆部分直径和螺栓孔的过渡配合,利用螺栓本身的抗剪作用来传递扭矩。因此,铰制孔紧配螺栓传递扭矩主要是承受剪切力,而且剪切力应不超过螺栓材料的许用剪切力。采用铰制孔紧配螺栓时,法兰上的螺栓孔直径会比螺栓的螺杆部分直径略小。






     铰制孔紧配螺栓直径的计算可参照CCS出版的《海上高速船入级与建造规范》,螺栓的直径df应不小于下式计算值:



船舶轴系螺栓连接技术简述(图3)


式中:Ne---- 轴传递的额定功率;


          ne---- 轴传递Ne时的转速;


          Z ---- 螺栓数目;


          D ----螺栓孔的节圆直径;


          σb ---- 螺栓材料的抗拉强度。




铰制孔紧配螺栓的安装方法有打入、压入和低温冷装等方法。采用打入法装配时,轴与孔的公差一般取零对零或过盈0.005mm,用20~30磅大锤打入。使用这种打入法,安装时方便简单,修理时也容易拆装。采用压入法和低温冷装法装配时,轴与孔的公差一般取过盈0.01~0.02mm。但使用这两种方法,特别是压入法,需要一套专门工艺装备和固定止推装置,才能把螺栓顶进去。而低温冷装法,则仅需要保温瓶及保温箱之类的设备,冷却介质使用干冰、液氮以及干冰混合物。使用这种冷装法效率高,安装方便,同时也减轻了工人的体力劳动。


     液压紧配螺栓是一种带有可扩张中间锥套的紧配螺栓,它由带斜锥套的杆身和具有相应圆锥内孔的中间锥套以及两只螺母组成。它利用过盈紧配合的轴向力使得法兰面产生摩擦力传力,所以其传递扭矩的形式是通过两方面来实现的,一是依靠螺栓在螺孔中的膨胀所产生的抗剪力;二是依靠螺栓预紧力所产生的法兰面间的摩擦效应,这样使得联接更可靠。它的最大优点是:结构简单,拆装方面。由于安全系数和强度的提高,与传统的紧配螺栓联接相比,在直径和数量上可以减少,相应法兰的直径也可减少,从而使联轴器更为紧凑,费用减少。缺点是液压紧配螺栓的材料要求较高,配合面间的加工精度要求较高,拆装时需要专用高压油泵和配套工具,有较高的安装技术要求,这使得其在应用上受到一定程度的限制。




安装时,将螺栓连套筒放入轴系法兰螺栓孔内,这时套筒与螺栓安装孔有一定间隙,用拉伸器拉动螺栓,通过锥形杆与锥形套之间相对位移使锥套与螺孔之间形成压配合状态,并达到安装位置,此时在螺栓的一端装上螺母后,再用液压紧固另一端螺母,释放高压油后,其预紧力就作用在螺栓上。预紧力将引起螺栓直径稍微的减小,但中间锥套的过盈量可弥补螺栓的径向收缩。拆卸时,将液压泵联接到螺栓的中心孔上,泵油后将螺栓从套中推出,一旦螺栓从膨胀锥套中滑出,锥套会立即恢复到原有的直径。工作室,轴系传递的扭矩是通过中间锥套,中间锥套与法兰孔之间产生过盈应力三者紧密结合来传递扭矩。此外,预紧力的作用也使得法兰结合面产生摩擦力传递扭矩。


船舶轴系在运转中,除传递变化的扭矩外,还要承受各种振动的影响。轴系在运转过程中主要存在三种振动形式,即扭转振动、回旋振动和纵向振动。从实际运行的角度出发,对轴系正常运行危害最大的情况是发生共振。在轴系设计时,要求共振转速不能超出轴系的常用转速范围,而共振转速又取决于轴系的刚度和质量。另一方面。当轴系收到巨大冲击时,螺栓孔不均匀的间隙会使螺栓承受巨大的不均匀剪切力,导致联轴器出现错位,直接影响轴系的稳定运行。因此,为了保证轴系安全、可靠地运转,选择紧配螺栓安装,可以保证联轴器精确对中,使得两端轴进行刚性联结,降低对整个轴系的刚度影响。


但由于紧配螺栓安装工艺劳动强度大、消耗工时多,所以在合适的情况下,也可考虑采用非紧配螺栓(松联接螺栓安装)。采用非紧配螺栓安装工艺,可以减轻劳动强度、提高劳动效率。但安装时应尽可能保证每个螺栓均具有均匀的预紧力,对接法兰平面之间应无油脂。


此外,如果螺栓直径是按紧配螺栓计算公式确定的,安装时采用50%螺栓数作为非紧配螺栓的安装工艺,该方法不妥,建议不要采用。但如果螺栓直径是按非紧配螺栓计算公式确定的,为了安全,安装时采用50%螺栓数作为紧配螺栓的安装工艺,该方法是可行的。