动装设计ppt课件(第2章第7~8节).ppt

船舶动力装置原理与设计课件（第2章 第7节第8节）吕庭豪 设计2004年12月第2章推进装置设计2-7轴系零部件的材料轴系零部件的材料一、基本要求轴系是传递主机功率与螺旋桨推力的重要部件，在运转中，由于受力情况比较复杂，因此要求轴系材料具有足够的温度，高的冲击韧性和疲劳强度，以及良好的耐磨性，同时要符合“船规”的要求等二、常用材料1、轴系主要零部件材料具体各零部件的材料如表2-7-1所示见P90P91)2、船用螺旋桨常用材料与分级如表2-7-2所示见P92）部件零件名称材料牌号备注推力轴与轴承推力轴直径300mm40，4535，40，4530，35，40推力轴轴瓦HT200,HT250,ZG200-400,ZG230-450推力轴承合金ZChSnSb11-6,ZChSnSb8-4推力块15，20，ZG200-400，ZG230-450，QT40-17推力轴承座壳体HT150，HT200，ZG200-400，ZG230-450大型壳体可用钢板焊板推力轴承座地脚螺栓35，40表2-7-1轴系主要零件使用材料表（部分）2-8轴系合理校中设计轴系合理校中设计一、轴系合理校中的目的与意义在船舶轴系的强度和校中计算中，都要计算轴系的弯矩和支反力，对于一些大型船舶还要计算各轴承的影响数，即计算各轴承由于某一轴承单位（变位0.1mm）而引起的支反力的变化。

影响数小表示轴承变位对其他轴承影响不大，轴承间距布置可认为是满意的，这也表示对安装校中工艺的要求可以降低反之，影响数大，表示轴承变位对其他轴承较为敏感，轴承布置应予以修改，因为这样布置即使安装工艺有严格的要求，也可能使轴承容易出现事故通过影响数的说明，可发现：轴系不必一定要安装于同一直线上，可有意调整各轴承在垂直方向上的高低位置，使各轴承负荷高者降低，小者增大，这就称为合理曲线校中，以使各轴系的负荷均匀、寿命长、工作安全可靠校中计算的方法有几种，如三弯矩法、有限单元法、力矩分配法等力矩分配法属于位移法类型的一种渐近法，在计算过程中采用逐步近似的步骤，其计算结果的精确度随计算次数的增加而提高这种方法较简便，易于掌握与应用本书即采用力矩分配法作为船舶轴系校中及强度计算的基础力矩分配法计算的原理如下1、受力分析一般可将船舶轴系看作是一分段均布载荷的连续梁现假设某连续梁受载荷P作用后，其变形如图（2-8-1a）中虚线表示首先设想在结点B加一个阻止其转动的约束（附加刚臂），以使结点B不能转动，于是得到一个由单跨超静定梁组成的基本结构（图2-8-1b）然后把载荷作用到基本结构上，这时在基本结构中的各杆杆端就产生了固定弯矩。

图2-8-1b）中的BC跨因无载荷作用，故MBC=0二、力矩分配法原理实际上在基本结构的结点B处，各杆的固定弯矩一般也常是不能互相平衡的，这就必然会在附加刚臂上产生约束反力矩MB，其值可由结点B的弯矩平衡条件所求得，即MB=MBA+MBC约束反力矩MB称为结点上的不平衡力矩，它等于汇交于该结点的两杆端固端弯矩之代数和（以顺时针方向为正）在连续梁的结点B，本来没有转动的约束刚臂，也没有约束力矩MB作用因此，图2-8-1b)的杆端弯矩并不是结构受力的实际状态，必须对此加以修正才行为此，我们放松结点B处的约束，梁即回复到原来的状态（图2-8-1a），这一过程相当于在结点B上加了一个外力矩，其值等于约束力矩MB，但方向与约束力矩相反（即MB），这个外力矩将产生如图2-8-1c)所示的变形力矩分配法的中心内容就是研究在连续梁各结点处的不平衡力矩如何求得，相应的外力矩M是如何分配和传递，它们对邻近各档支承的影响结果又怎样下面逐一来分析这些问题2、计算模型的建立轴系的实际受力是比较复杂的，这里主要从静力学出发进行静态校中问题的讨论为了求得个支承处的弯矩与支反力，须把轴系的受力（指各部分重量）及结构（指其截面）情况进行简化，确定计算的数学模型。

1）轴承支点在计算轴承负荷时，必须决定轴承的支点位置，对于中间轴承常取其中点，对于后尾轴承的支点取法可参考本章第4节（P38）2）螺旋桨的重量可直接从设计图纸上或用类比法获得桨的重量；在无第一手资料时，也可通过所选用的桨直径及其重量等用经验公式算得；组合式桨的重量比整体式大20%通常计算时把整个螺旋桨的重量作集中载荷处理，一般尚应扣除螺旋桨在水中浮力的影响3）轴段的重量与截面的处理船舶轴系在各轴段连接处有法兰，尾轴、推力轴与中间轴连接处都有过渡段，而且过渡段都不在轴承处因此，整个轴系实际上是一个变截面的连续梁1）工程应用中，通常将各轴段中的法兰、轴套、过渡段等的重量进行平均分摊，并将其作为均布载荷处理；（2）轴段的重量也常这样确定：通过计算先求得实心光轴的单位重量q，再将其乘以修正系数，用以求得相当的带有法兰或轴套等的轴段重量根据大量统计数据所得到的螺旋桨轴、中间轴、推力轴的修正系数值，列于图2-8-2、图2-8-3、图2-8-4中图中的上限和下限为两根点划线，一般取其中间值（图中实线所示）这样，各轴段的平均载荷可按下式求得；q=qo式中：qo不考虑发兰等重量的载荷，即实心刚轴载荷，N/m；修正系数；q轴段平均计算载荷，N/m。

在轴段截面的简化方面，由于螺旋桨重量、轴承支点等都是近似的，加之桨的水动力不均所产生的偏心力等等也没有考虑进去，所以没有必要将轴系作为变截面梁来处理通常这样计算的结果，其误差在工程允许的范围之内为了计算方便，其面积惯性矩和轴段载荷可作如下处理：一般把两支承间的分段等截面化作平均等截面来计算这里所说的等截面是指同一跨内截面不变，对不同跨距允许有不同的截面如图2-8-5所示，轴段AB是由两个不同的等截面轴段组成，惯性矩I1、I2所相应的轴段长度分别为l1、l2，则其平均惯性矩I可按下式计算：如有两个以上截面时，可推得：在某跨距承受不同载荷的轴段，也可按上述方法同样处理设分段AB由不同的均布载荷组成，一段长l1，相应均布载荷为q1，另一段长l2，相应均布载荷为q2，则平均载荷q（见图2-8-6）为：有两种以上的均布载荷时，可推得：这样就可把各跨内不等截面的轴段，化成每两支承之间只有一个均布载荷的连续梁来处理当各分段直径和载荷的差异不是太大时，采用上述近似处理，一般能满足要求对于传动轴上的较大的联轴器（法兰）、飞轮，可以根据其实际结构尺寸算出其重量，并将他们当做集中载荷，使其作用于轴线上的相应位置来处理。

4）负荷的限制条件在轴系计算中，所谓轴系的负荷实际上是指轴承的支反力，它既不能太高，也不宜出现负值，并要求任何轴承的上端不受力，下端不致于出现脱空的现象，轴承的最大允许负荷Rmax应不超过由下式确定的数值：式中：d轴承衬长度内的轴外径，mm；l轴承衬长度mm；p轴承衬材料的许用比压，Mpa在一般情况下，p应不超过下列数值；白合金尾管轴承，p0.49Mpa；铁梨木尾管轴承，p0.294Mpa；中间轴承，p0.588Mpa；推力轴承，p2.744Mpa；减速器大轮齿轴承，p0.98Mpa所谓轴承的负荷过重就是指轴承的最大负荷超过了许用比压p，如发生这种情况，设计者可通过重新布置轴系或减小轴系跨距来解决，不能单纯加大轴系长度来降低比压5）固端弯距的计算公式现将用力矩分配法计算轴系时常用的的固端弯距计算公式列示于2-8-1中，供轴系计算时参考6）传递系数图2-8-7所示为一端简支、一端固定的梁；简支端就是前面所说的放松结点，现在要求由弯矩MA引起的弯矩MB因为A端的挠度等于零，根据材料力学的“弯矩面积法”第二定理，可由力矩图写出下面公式：=0 图2-8-7 变形受力及弯矩图2-8-8 梁的变形式中：l跨距；E弹性系数；I截面惯性矩。

设整个跨距中E和I为常数，即轴系材料相同且等截面，则上式便化成：MB=0.5MA式中：令MB/MA=C1称为传递系数在等截面梁中，这个传递系数总等于0.5这就是说，在固定端梁中，一端的弯矩变化对另一端的影响是0.5（这端固定C=0.5）在变截面梁中不成立，传递系数随远端的结构型式不同而异，如远端铰支，C=07）单位刚度和分配系数轴承的支承（结点）处常存在着不平衡弯矩，此不平衡弯矩对结点的两侧如何分配呢？它与其两侧梁本身的单位刚度有关图2-8-1所示AB杆，当其A端旋转单位角度=1时，在A端所施加的弯矩，称为AB杆在A端的转动刚度或单位刚度，并用K表示而转角与其施加的弯矩MA的关系可用材料力学“力矩面积法”第一定理求得：(2-8-8)将MB=0.5MA代入上式，得：(2-8-9)令K=4EI/l (2-8-10)则得:MA=K(2-8-11)从式（2-8-10）可知杆件的EI越大（或轴段的轴径越大），跨距l越小，则单位刚度也就越大，故单位刚度K可表示杆端抵抗转动的能力如施加端只发生转角，不发生线位移,满足此条件，即可得：远端固定K=4EI/l远端简支K=3EI/l远端自由K=0有了单位刚度，就可以求出分配系数。

在图2-8-8中，假定有一个力矩M作用在连续梁的结点“B”上，其远端“A”，“C”均为固定支承，因为该梁是刚性连接，所以B点的转角1=2，按式（2-8-11）可得：（2-8-12）图2-8-7 变形受力及弯矩图2-8-8 梁的变形式中：KBA，KBC分别为左，右两支梁的单位刚度；MBA，MBC分别为左，右两支梁分配到的力矩；称为分配系数，并分别以BA、BC来表示在一般情况下，轴都是由钢材制成，所以E是一个常数，但在轴系中有弹性联轴器时就要作相应的调整例如橡胶弹性联轴器时，应除以Es/Er（即钢材和橡胶弹性模数之比）Es一般在20.4104MPa左右，但Er由于配方成分不同，硬度不同，变化很大，因而，其比例Es/Er可由几十到几万Er可从橡胶制造厂获得从上式可得：（2-8-13）8）力矩正负方向的规定对结点或支座而言，顺时针方向为正；对杆端而言，逆时针方向为正如图2-8-9所示图2-8-9力矩方向的规定3计算的步骤现结合图2-8-10所示载荷对称分布的连续梁计算例题来说明，并设其E和I都相同图2-8-10连续梁载荷跨距图假设各支承点在同一水平面上用表2-8-1的公式计算1）求分配系数先求出单位刚度：杆ABKAB=4EI/2杆BCKBC=4EI/(1.5+1.5)=4EI/3杆CDKCD=4EI/2再求各结点的分配系数：因为A端固定所以AB=0因为D端铰支所以DC=1BA=0.6BC=0.4或BC=1-0.6=0.4因为C端与B端对称，所以CB=0.4，CD=0.6将算得各点分配系数值填入表2-8-2中第一行相应的方格中。

2）求固定弯矩各跨距的固定弯矩可参考表2-8-1中有关弯矩表求得：MAB=-MBA=900=300NmMBC=-MCB=750NmMCD=-MDC=900=300Nm将所计算的各点固定弯矩填入表2-8-2中第二行相应的方格中3）将各结点的不平衡力矩变号，求得平衡所需的外力矩：B端所需外力矩值为-（750-300）=-450NmC端所需外力矩值为-（-750+300）=450Nm4）把各点的外力矩按分配系数进行分配在结点B处的分配力矩，其左侧为-4500.6=-270，右侧为-4500.4=-180把-270与-180两数填写在B点下的第三行中同理，可求出C点的分配力矩为180与270由于A点的分配系数为0，所以分配力矩恒为0，由于D点的分配系数为1，所以其分配力矩为恒数5）力矩传递将各点分配力矩MB=0.5MA进行传递如B点左面的力矩传递到A点的力矩为-2700.5=-135Nm；B点右面的力矩传递到C点的力矩为-1800.5=-90Nm同理，可进行其余各点的计算，经过67次分配与传递以后，便可得到全部平衡这里所说的全部平衡实际上是相对的在工程应用中，分配力矩到1%左右就可以认为满意，不必再传递了。

表2-8-2力矩分配传递计算过程6）结果的整理当各结点完全平衡后，将各结点每边的弯矩相加，其代数和为最后结果7）求各结点的支反力各结点的弯矩求得后，下面。