半潛式打撈船軸系安裝工藝1

王 彧

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

目前，航運已成為最重要的國際運輸方式之一。2012 年以來，我國經濟總量已達到全球第2 位，海上運輸量也已排名國際前列。繁忙的海上運輸往往會導致船舶事故頻發。根據近10 年的統計，每年沉沒在我國海域的船舶數量超過300 條，尤其是發生在港口和航道內的事故，往往會導致航運全面癱瘓[1]。

自2006 年以來，半潛式船舶迎來迅速發展，逐漸成為搶險打撈工程作業中不可或缺的關鍵裝備[2]。

相較于普通貨船和集裝箱船舶，半潛式打撈船具有更大的甲板平臺，可運輸更多的貨物。近年來，我國對能源的需求高速增長。為了滿足日益增長的能源需求，石油天然氣的開發也從陸地、近海走向深遠海，深海油氣平臺及相關輔助設施的運輸及安裝需求日益增加，而半潛船正是可以高效安全運輸這些設備的絕佳工具。此外，作為一種具有強大運載能力的船型，半潛船隨時可調整為一個大型海上運輸平臺，戰略意義十分顯著[3]。

本文基于某120 000 kN 抬浮力半潛式打撈船，對其設計情況進行介紹，并對安裝工藝的難點和重點進行分析。在此基礎上，對軸托工藝進行設計，并進行有限元分析，以保證軸系的正確安裝。

1 項目介紹

本文研究的120 000 kN半潛式打撈船屬于電力推進的自航半潛打撈工程船，其尾部布置有2 個可拆移動式浮箱，并能通過船上的專用設備進行移動和重新布置。在淺水區域，該船采用8 點錨泊定位系統進行定位；在深水區域，該船采用動力定位系統進行定位。船舶總長169.0 m，型寬39.8 m，型深10.9 m，設計吃水7.5 m，打撈吃水8.8 m，最大半潛吃水21.4 m，甲板有效作業面積5 300 m2，載重量26 000 t，單船單邊最大抬浮力120 000 kN，設計航速不低于14 kn。

2 長軸系安裝工藝

如圖1 所示，本船的艉管軸承可分為前段、中段和后段。在設計軸系時，軸承位置會加粗，而其他部分較細。軸系的前段軸承位于船殼內，部分中間段軸承及后端軸承位于船殼外，見圖2。在穿軸的過程中，當整個螺旋槳軸的質心進入艉管后段軸承時，整個軸系的前部會向下傾斜，這個過程中軸系有很大的可能會碰到艉管內的滑油管和儀表管等，進而導致軸系自身表面發生剮蹭。因此，需要在合適的位置上增加軸托，以減少因懸空產生的形變。

圖1 艉管軸承示意圖

圖2 軸系布置示意圖

2.1 軸托工藝設計

軸托由頂絲和軸托頭組裝而成，可滿足軸系頂撐的需求。

軸托頂絲示意圖見圖3，底部設計為六角螺母以便固定頂絲，頂部進行鉆孔處理，預留軸托頭的安裝位置。為減小摩擦，頂絲頭進行去銳角化處理。

圖3 軸托頂絲示意圖（單位：mm）

軸托頂絲整體采用一體式車床加工，材質為45 號鋼。為減小摩擦、減輕軸系表面的磨損，軸托頭的頂部設計為半球體（見圖4）。軸托頭的材質為聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE），相較于鋼材，PTFE 強度較低，質地較軟，可有效減輕軸系表面的磨損。

圖4 軸托頭示意圖（單位：mm）

2.2 長軸系彎曲變形理論分析

在安裝長軸的過程中，當軸系通過艉軸管后，處于與后段軸承接觸但未達到中間軸承的狀態，此時可將軸系視為一個懸臂梁模型，其彎曲變形公式為

式中：x為軸線坐標；M為彎矩；R為曲率半徑；E為彈性模量；I為截面抗彎慣性矩。

平面撓曲線上任一點的曲率方程[4]為

隨著人口老齡化和社會發展，終末期腎病的發病率越來越高， 血液透析是目前慢性腎衰竭患者腎臟替代治療方法，因患者增加，因此維持性血液透析患者群越來越大。這一群體中存在許多嚴重的心身問題，如焦慮抑郁情緒，嚴重影響患者的預后、依從性和生活質量。隨著透析技術的進步，心理健康對維持性透析患者依從性的提高以及生活質量的改善影響尤為重要。因此，有必要在血液凈化中心加強對于維持性血液透析患者的心理評估和干預，通過采用合理積極的心理護理干預，促成患者提高生活信心，依從性，克服疾病，促進患者身心健康的恢復[1-2]。本研究選擇2016年4月本研究分析了改善維持性血液透析患者心理健康的心理護理方法，現報告如下。

式中：w為撓度。

由于軸的變形量非常小，轉角可忽略不計，因此式（2）可進一步表示為

假定軸系受均勻載荷，其彎矩方程為

式中：q為均勻載荷；l為自由端至固定端的長度。

將式（4）代入式（3），可得最大撓度wmax[5]為

由式（5）可知，隨著固定端至自由端的長度越長，軸系的最大撓度越大，即軸系的變形量也越大。

2.3 有限元仿真

本小節基于SolidWorks Simulation 軟件對長軸系在安裝過程的變形情況進行有限元仿真。建立模型，劃分網格，輸入材料參數，定義外部載荷和邊界條件。

定義2 種極端工況進行仿真：

1）工況1，即長軸在通過后段軸承即將達到中段軸承的狀態。

2）工況2，即長軸在通過中段軸承尚未達到前段軸承的狀態。

2 種工況下軸系的變形情況分別見圖5 和圖6。對于工況1，軸系懸空長度超過7 m，最大撓度變形為16.6 mm。對于工況2，軸系懸空長度約5 m，最大撓度變形為3.8 mm。

圖5 軸系變形情況仿真結果（工況1）

圖6 軸系變形情況仿真結果（工況2）

若艉管后段軸承與中段軸承之間不設軸托，軸系最前端在未達到中段軸承前很可能碰撞滑油管。因此，考慮在艉管軸承和中間軸承的中間位置增加1 組軸托。增加該軸托后，可將軸系的懸空長度控制在5 m 范圍內，且會有效減小懸空部分的撓度。

2.4 軸托安裝過程

若軸托高度太低，可能會導致軸頭碰到滑油管；若軸托高度太高，整個軸的質量會全部落到軸托上，不僅會增大摩擦，還可能會損壞軸系。根據反復測試與研究，當軸托高度為85 mm 時，可使直徑為375 mm 的軸系完全落位在艉軸軸承上。當第一個凸臺完全經過軸托時，將軸托再抬高5 mm，讓整個直徑為375 mm 軸系的質量均落在艉軸承及軸托上。當第2 個凸臺到達軸托時，將軸托的高度降低為85 mm，避免質量集中在軸托上。經過計算，軸頭能夠正常進入前軸承，且不會發生碰撞。在軸頭穿過前軸承后，可在軸頭增加吊帶，輔助整個軸系安裝到位。該安裝方法解決了彎曲變形導致的安裝難題，可有效避免滑油管等其他結構對軸系安裝造成的影響。

3 結論

半潛式打撈船往往擁有較長的軸系，撓度變形也較大。在安裝的過程中，軸系常與周邊的滑油管接觸，產生安裝困難的問題。

本文基于某120 000 kN 抬浮力半潛式打撈船，對其設計情況進行介紹，并對安裝工藝的難點和重點進行分析。在此基礎上，對軸托工藝進行設計，并進行有限元分析，以保證軸系的正確安裝。本文主要可得到如下結論：

1）本文提出的軸托設計工藝，可在長軸系安裝過程中為懸空部位的軸系提供必要的支撐力。

2）軸系懸空長度越長，撓度變形越大。

3）在沒有軸托的情況下，軸系最大撓度變形為16.6 mm；增加軸托后，可將軸系的最大撓度變形減小至3.8 mm。

4）當軸托高度為85 mm 時，本文提出的安裝方法解決了彎曲變形導致的安裝難題，可有效避免滑油管等其他結構對軸系安裝造成的影響。