小型气垫船推进轴系设计特点浅析

引 言

全垫升气垫船是介于常规排水型船舶与飞机之间的一种新型运载工具［1］，为克服航行中的波浪阻力和兴波阻力以获得较高的航速，设置垫升风机为船体底部的围裙充气，从而产生气垫将船托起，航行时船体全部脱离支撑表面，其推进装置多采用空气螺旋桨。根据使命任务及动力设备布置特点，小型全垫升气垫船动力传动系统一般包括推进系统和垫升系统两部分，本文着重介绍推进系统中推进轴系的设计。

1 某小型全垫升气垫船推进垫升系统

小型全垫升气垫船所需的推进与垫升功率较小，受布置空间和重量控制等因素制约，常选用前、后输出的小型风冷柴油机作为主动力，同时驱动垫升风机及空气变距螺旋桨，典型的动力传动系统布置如下页图1所示。其中推进系统由主机飞轮端连接的主动轴系、螺旋桨推进轴系、齿形同步带、空气变距螺旋桨、及液压变距油缸组成。螺旋桨推进轴系由主动轴系通过齿形同步带驱动，用于向空气变距螺旋桨输出功率，并将螺旋桨旋转产生的推力传递给船体［2］，同时内部套轴还兼作螺旋桨变距的传动部件。

图1 某小型气垫船传动系统布置图

2 空气螺旋桨及其变距机构

螺旋桨选用航空空气变距螺旋桨，由于桨叶直径短、变距执行力小，故其变距所需转动力矩较小，采用曲柄连杆机构即能满足变距需求，螺旋桨变距结构如图2所示。

图2 空气螺旋桨变距结构图

其主要包括桨毂（含桨壳、推力轴承、机械变距机构等）、桨叶、配重组件、变距推杆。其中桨毂内置的机械变距机构，可在变距推杆的作用下将液压变距油缸的往复运动转变为桨叶的旋转运动，调整桨叶螺距角，从而改变螺旋桨的推力大小及其方向。采用该变距机构，桨毂内无需设置变距油缸及变距油路，结构形式简单可靠，无需润滑油，维护保养方便。

3 推进轴系设计

考虑螺旋桨变距推杆的布置及运动特性，将推力轴设计为中空轴形式，变距推杆贯穿于推力轴的中孔。整套推进轴系包括推力轴、内部变距推杆轴、推力轴承、支撑轴承、同步带带轮（被动端）、变距转换轴承等，见下页图3。

3.1 轴系校核

3.1.1 推力轴基本尺寸确定

轴材料为高强度合金钢，参照相关规范计算推力轴基本轴径，再根据与变距推杆配合间隙要求确定推力轴的中孔直径，并对轴的实际外径进行计算修正。

针对推力轴法兰厚度、法兰根部过渡圆角半径、同步带轮与轴连接键尺寸、推杆轴与桨壳结合面紧配螺栓直径根据规范进行校核。

图3 某小型气垫船推进轴系

3.1.2 轴系负荷计算

采用三弯矩方程计算推进轴轴承及带轮中心的支反力和弯距，计算简图如图4所示，计算结果可用作后续强度校核的计算输入。

图4 推进轴系受力简图

图中，A、C为推力轴承及支撑轴承支点，B为同步带中心，主要受力包括螺旋桨质量Q1、同步带张紧力Q2以及推力轴自重产生的均布载荷。

3.1.3 危险截面强度计算

针对推力轴上各轴承支点处、法兰圆角、同步带键槽以及所有变截面处进行应力校核，并确定各点安全系数，计算结果需满足规范规定的许用设计应力及许用安全系数要求。

应力校核包括平均应力和交变应力计算，平均应力是由扭矩引起的平均扭转应力以及由推力引起的压缩应力，按照最大剪切应力理论合成平均应力；交变应力是弯距引起的弯曲应力和交变扭矩引起的交变扭转应力，再合成交变应力，其中弯曲应力根据重力弯矩、安装附加弯矩和偏心弯矩的复合弯矩进行确定。

安全系数是根据轴系受力后的应力水平与轴材料的强度极限进行比较而确定，计算公式［3］见式（1）：

式中： 为合成平均应力，N/mm2； 为合成交变应力，N/mm2； 为轴材料屈服强度，N/mm2；为对称循环交变应力下的疲劳极限，N/mm2。

3.1.4 弯曲刚度校核

由于同步带产生较大的张紧力，为掌握该点弯曲变形量，采用叠加法进行了最大静挠度计算［4］。由同步带张紧力Q2引起的静挠度f1、推力轴自重引起的静挠度f2分别为：式中：E为轴弹性模量，N/m2； I为轴截面惯性矩，m4。

为保证刚度要求，最大静挠度需小于其中为轴承间跨距。

3.2 轴承设置

3.2.1 推力轴承

推力轴承两侧分别设置变距螺旋桨及齿形皮带轮，故其需同时承受较大的轴向和径向载荷，因此推力轴承选用单列角接触球轴承。为适应螺旋桨正、负螺距而产生的两个方向推力，采用两个单列角接触球轴承，背靠背安装，使其获得双向负荷承载能力。

角接触球轴承的接触角变化范围较大，接触角加大，轴向承载能力增加，而径向承载能力降低［6］；对比轴承负荷及螺旋桨推力，确定合适的接触角，考虑径向载荷由两列轴承分担，通过加大接触角满足较大的轴向承载要求。

3.2.2 支撑轴承

支撑轴承主要承受径向负荷作用，选用双列调心滚子轴承，这类轴承径向承载能力较大、轴向承载能力较小；同时调心滚子轴承具有自动调心功能［6］，可在一定范围内自动调整轴系角度偏差，弥补船体弹性变形、轴的挠曲及轴和轴承座之间定位误差导致轴系对中不良的缺陷。

3.2.3 变距转换轴承设计

由于变距推杆既随桨毂进行旋转，同时需跟随变距油缸进行往复直线运动，故变距转换轴承作为变距推杆的支撑结构，需同时承受径向和轴向负荷，变距转换轴承设置双列角接触球轴承，刚性较好，且可承受较大的倾覆力矩。

变距转换轴承通过销轴连接跟随变距油缸进行往复直线运动，从而带动变距推杆驱动螺旋桨变距；为适应变距油缸轴向位置变化，轴承座底部设有导向螺钉，可在结构支架的导向滑槽内移动，见图5。

图5 变距转换轴承

3.3 齿形同步带选型

齿形同步带以其结构简单、传动间距以及速比选择灵活、运转平稳、传动效率高、缓冲吸振能力强、维护成本低等特点，在国内小型气垫船上获得广泛应用。

根据传递功率、主动轴及被动轴转速、带轮中心距等要求，确定齿形带节距、带宽、主/被动齿齿数及直径，选择适用的主、被动轮及同步带型号，计算运转线速度需小于最大速度限制要求，通过受力分析计算同步带张力作为轴系静挠度计算的输入。

3.4 回旋振动计算

推进轴系转速快、布置位置高、支撑基础弱，振动问题较为突出，并且由于铝质船体以及围裙气垫的影响，其轴承的支承刚度无法准确确定。

参照其他气垫船设计经验，在1×105～3×106 N/mm范围内针对不同轴承支撑刚度进行组合设置，并计及螺旋桨陀螺效应，采用有限元法开展回旋振动计算，图6为计算模型。

图6 推进轴系回旋振动计算模型

为保证轴系运行安全，临界转速裕度系数k需满足相关规范的要求，一般要求k≥20%。

式中：nk为计算临界转速，r/min；ne为轴系额定转速，r/min。

4 结 论

本文以某小型全垫升气垫船为例，探讨了推进轴系设计方法。鉴于动力装置布置及螺旋桨变距要求，小型全垫升气垫船推进轴系具有显著的设计特点：

（1）由于推进轴线位置较高，受尺寸空间、质量、减速比等约束，无法采用齿轮箱等常规减速传动方式，选择简单可靠的同步齿形带，主动轴系和推进轴系的轴线距离可大幅增加、传动速比可通过改变带轮齿数灵活调整，避免了系统结构复杂、维护保养困难等问题。

（2）推力轴承同时承受较大的正、负推力和径向反力，选用可以承受径向和轴向联合负荷的单列角接触球轴承，并成对使用，通过计算分析确定接触角合理分配承载能力；气垫船为铝合金船，船体变形量较大，选用具有自动调心功能的调心滚子轴承作为支撑轴承，用以消除因安装误差及船体变形等造成的不良影响。

（3）与常规变距螺旋桨通过固定式油管给变距机构供油方式不同，小型气垫船空气螺旋桨通过变距推杆驱动变距机构，设置移动式变距转换轴承，保证变距推杆随桨毂旋转，同时跟随变距油缸进行往复直线运动驱动变距推杆。

（4）气垫船由于铝质船体以及围裙气垫的影响，尤其是推进轴系位置较高，其轴承支承刚度无法准确确定，通过扩大轴承支撑刚度的选择范围，针对不同参数进行组合式计算，对其振动特性进行综合评估。