浅谈船舶柴油机支承设计

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　　摘 要：本文主要介绍了目前船舶柴油机在设计应用过程中经常采用的各种支承型式，并分别对各种支承型式的设计进行了简单介绍。
　　关键词：柴油机支承；刚性支承；弹性支承； 钢质垫片支承；环氧垫片支承
　　中图分类号：U664.12 文献标识码：A
　　Supporting Design of Marine Diesel Engine
　　HUANG Senhua， WANG Guangfang， PENG Naidong
　　（Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250）
　　Abstract： This paper mainly introduces the various supporting types often used in the design and application process of marine diesel engine.
　　Keywords： Diesel engine supporting； Rigid support； Elastic support； Steel gasket support； Epoxy gasket support
　　1 前言
　　柴油机支承是指柴油机机脚与船体基座之间的各种联接。按支承传递力及其变形的特征，柴油机支承可分为刚性支承及弹性支承二大类。刚性支承主要应用于大部分民用运输船舶；弹性支承主要应用于要求减小振动的民用船舶及军用舰船。
　　支承的任务主要是承受来自柴油机机脚和基座上的各种静载荷与动载荷，保证柴油机在各种航行状态下的固定位置和机体稳定，对振动、冲击、噪声进行隔离，以保证柴油机正常工作，改善周围环境。
　　支承所受的各种动/静载荷主要有：机体的重量；主机的不均匀扭矩；主机与推力轴承共一底座时，轴系的推力和纵向振动；运动部件的不平衡惯性力和惯性力矩；船舶在航行时产生的横摇、纵摇或迅速改变航向所引起机体的惯性力、惯性力矩；由于波浪、不均衡水作用力、壳板温差等原因产生船体变形所引起的基座弯曲应力；机体和机上部件与外接件之间热变形所引起的附加应力；船体结构的总振动和基座结构的局部振动及冲击载荷等。
　　由于支承受力十分复杂，在实际设计中不可能也没有必要全面考虑，至今也没有完整可靠的计算方法。一般可把以上载荷分解成垂直力、水平力，采用类比方法进行估算。但在考虑载荷时，以动载荷为主。
　　2 刚性支承
　　目前，国内外常采用的刚性支承主要有钢质垫片支承及环氧垫片支承两种。
　　2.1 钢质垫片支承
　　2.1.1 结构型式
　　钢质垫片其结构型式是采用楔形垫块，由螺栓紧固，柴油机的机脚不是直接与船体基座连接，而是在二者之间设垫块，垫块起支承作用，也可作调整高度之用，以达到定位要求。
　　2.1.2 垫块的布置
　　垫片、紧配螺栓及止推块的布置应根据机体的刚性、柴油机外形尺寸及是否有推力轴承进行综合考虑。
　　垫块可分为圆形垫块及矩形垫块：
　　（1）圆形垫块
　　这种垫块成对配置，便于调节安装，多用于大修期较短的中小型柴油机上。
　　外形尺寸：直径Φ70～Φ120mm；高度15～25mm；
　　斜度为1：20。
　　（2）矩形垫块
　　这种垫块支承牢固可靠，广泛用于各种柴油机，特别是重型低速柴油机。
　　外形尺寸：宽度100～200mm；高度20～70mm；
　　长度：150～400 mm；斜度：1：100
　　2.1.3 螺栓
　　螺栓是用来固定柴油机在任何时候都不发生位移，因此要求螺栓固定时要产生有足够的摩擦力，有足够的紧配螺栓以承受剪切力。
　　（1）螺栓的数量及大小
　　一般根据主机的机脚螺孔来定， CCS规定紧配螺栓的数量不少于螺栓总数的15%，但如果采用适当的止推板，则可以减少或取消。对不承受螺旋桨推力的柴油机，可减少紧配螺栓。
　　（2）螺栓的结构型式（如表1所示）
　　表1 螺栓的结构型式
　　（3）螺栓的材料
　　螺栓承受高强度、高扭矩，常要求其机械性能达到8.8级以上。
　　螺栓、螺母的使用组合，如表2所示。
　　表2 螺栓、螺母的使用组合
　　（4）螺栓与螺孔的配合
　　一般螺栓与螺孔的配合分为：精装配、中等装配和粗装配。紧配螺栓与螺孔的配合及加工精度如表3所示。
　　表3 紧配螺栓与螺孔的配合及加工精度（mm）
　　（5）螺栓拧紧力矩
　　一般柴油机机脚螺栓的拧紧力矩由厂家推荐，如果厂家没有提供推荐值，也可按表4计算。
　　表4 螺栓拧紧力矩简易算式
　　（6）螺栓拧紧方法
　　（a）感觉法：靠操作者在扭紧时的感觉和经验，一般认为对有经验的操作者，误差可达±40%。
　　（b）力矩法：用测力矩扳手或定力矩板手控制预紧力，这是国内外长期以来应用广泛的控制预紧力的方法，一般认为误差有±25%。若表面有涂层、支承面、螺纹表面质量较好，则误差可显著减小。
　　（c）测量螺栓伸长法：用于螺栓在弹性范围内时的预紧力控制，误差在±（3～5）%，使用麻烦，费用高，用于特殊需要的场合。
　　（d）螺母转角法：采用此法，需先把螺栓副拧紧到“密贴”位置，再转过一定角度，误差在±15%，在美国和德国的汽车工业和钢结构中广泛使用。
　　（e）应变计法：在螺栓的无螺纹部分贴电阻应变片，以控制螺钉杆所受拉力。误差可控制在±1%以内，但费用昂贵。 　　（f）螺栓预胀长法：用电阻加热到一定温度后扭上螺母（有预紧），冷却后即产生预紧力，控制加热温度即可控制预紧力。
　　（g）液压拉伸法：用专门的液压拉伸装置拉伸螺栓到一定轴向力，拧上螺母后，除去外力即可得到预期的预紧力。
　　2.2 环氧树脂垫片支承
　　2.2.1 环氧树脂垫片技术条件
　　（1）技术指标（如表5）
　　表5 环氧树脂垫片技术指标
　　（2）设计要求
　　一般计算书应包括下列内容：
　　柴油机的型号、重量；
　　螺栓尺寸、材料牌号和数量；
　　垫片分布图和垫片尺寸；
　　垫片有效面积；
　　螺栓紧固力及拉应力；
　　螺栓扭力矩或液压拉伸器的压力。
　　（3）设计参数（如表6）
　　表6 环氧树脂垫片设计参数
　　3 弹性支承
　　柴油机产生振动的原因很多，但归结起来就是运动部件产生力的不平衡。这种不平衡力围绕某个平衡位置连续产生反复的变化，就产生振动。
　　柴油机的强烈振动带来的不利影响主要有：会引起基座和船体结构的附加应力，结构强度减小甚至船板断裂，设备连接可靠性减小；会破坏各种设备正常运转，特别是仪器等；工作人员工作环境恶化，影响健康；对于潜艇/水面舰船，强烈振动产生的噪音直接传到水中，影响隐蔽性。
　　为此，必须控制柴油机的振动，安装隔振弹性支承，减小振动向基座的传递。
　　隔振系统可分为积极隔振及消极隔振两类。常见推进装置弹性支承设计如表7所示。
　　表7 常见推进装置弹性支承设计
　　4 结束语
　　本文主要介绍了目前船舶柴油机的各种支承型式，并简单介绍了各种支承型式的设计。至于柴油机的支承采用何种型式，应根据船舶的使用要求、建造厂的施工工艺及习惯和船东的意见合理选用。船舶柴油机在船上的安装质量，决定了动力装置的安全性和可靠性。安装时应和轴系对中一起考虑，并与轴系安装协调进行。
　　参考文献
　　[1] 轮机工程手册.人民交通出版社出版.
　　[2] 船舶设计实用手册（第3版）轮机分册.国防工业出版社
　　[3] 机械设计手册（新版）第2卷.机械工业出版社.
　　[4] 标准紧固件手册.机械工业标准化技术服务部.
　　[5] 船用环氧机座垫片技术条件.CBT 3514-1992.
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