高速船螺旋桨油压无键安装推入量计算分析
[13] 中国船级社.材料与焊接规范[S].北京:人民交通出版社,2015.
两者均为无键套合的螺旋桨轴，推进型式系数F=100，无键套合轴设计特性系数C=1.22，合金钢轴直径可以取计算值的0.9倍，将所有参数代入公式计算可得：
【作者单位】武汉易华船舶设计有限公司,武汉430063;武汉易华船舶设计有限公司,武汉430063;武汉理工大学能源与动力工程学院,武汉430063
分析规范公式，要使S1和S2获得合理结果，S2应大于S1，即S2-S10，对于常规钢质实心轴和铜质螺旋桨，式(1)和(2)里部分参数是规范规定的定值，另外是设计中的可控参数。
设计初期，通过易获得的参数按简单验算公式(9)进行核算，可以对螺旋桨油压无键安装设计结果获得预判。公式(9)计算结果不大于0时，即S2-S1为0或负数，甚至在值较小时，都应提前调整设计参数，或者改换安装方式，以避免后期修改。
根据实船结果及对规范计算公式的分析，在进行大功率的高速船螺旋桨和螺旋桨轴设计时，可以多选用抗拉强度大的螺旋桨材料，比如Cu4或其他新型的高强度材料；在螺旋桨轴设计时，不仅要考虑减轻轴系重量，必要时需要增大轴径以满足油压无键安装需要；在条件允许的情况下可以通过加长桨毂和减小锥体锥度的方式，使螺旋桨油压无键安装计算获得合理结果。
从式(1)(2)可知，ne越小，最小推入量S1的计算值越大。从式(9)可知，ne值越大，推入量差值S2-S1越大。
从式(4)可知，套合温度t对于推入量差值S2-S1没有影响，施工时注意环境温度在规范要求的范围内即可。一般轴系施工要求在没有振动，夜晚等温差较小的时候，按规范要求一般取温度5～35 ℃之间，设计时带入相应的值调整即可。随着温度的下降，接触面上的压力会不断上升，推入量需要不断增加。
[4] 中国船级社.海上高速船入级与建造规范[S].北京:人民交通出版社,2015.
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将C1、C2、K1、K2、E1、E2、A和α1、α2值分别代入公式(4)，得到式(5)。
由图1可知，y1和y2的值均随K2值加大而变小；但y1变化较平滑，y2随K2值变小的趋势更明显。在K2取值区间内，函数的变化近似于线性的。根据函数曲线。y2可以近似简化为y2=-8.67K237.96。
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[3] 秦大同,谢里阳.现代机械设计手册[M].3版.北京:化学工业出版社,2011.
主机功率和螺旋桨轴转速在设计初期定设备时确认；在确定螺旋桨轴材料后，还可以通过计算获得螺旋桨轴轴径；锥体锥度和锥体长度按设计需要选定；锥体中径可以通过螺旋桨轴轴径、锥体锥度和锥体长度计算获得；桨毂的平均外径由船体专业根据螺旋桨轴轴径和螺旋桨设计需要确定。
规范公式引入了参数C1、C2、K1和K2，并提供了相关的计算式。其中：为轴中孔直径，对于实心轴d0=0,K1=d0/d1=0；d2为桨毂的平均外径，根据经验公式，对整体式螺旋桨,即取值范围为1.8～2.1[11]；钢质螺旋桨轴的泊松比μ1=0.30，铜质螺旋桨材料的泊松比μ2=0.34；
对式(1)和(2)和推入量S2-S1的计算过程进行分析，讨论规范计算式中各参数对计算结果的影响。
根据规范要求，锥度K取值不大于1/15，一般取1/20[12]。锥度越小下滑力越小，不易发生螺旋桨脱离的事故。从公式(1)、(2)、(6)可知，螺旋桨轴端锥度K对S1、S2和推入量差值S2-S1的影响是线性的，随K值增大或缩小。锥度K还会对套合面积A有影响。由于实际施工中船厂需要一定余量，推入量差值S2-S1不宜太小。
表2 两船螺旋桨轴数据对比参数型船新船螺旋桨轴直径d/mm145145(合金钢材质)螺旋桨轴锥体长度l/mm412412螺旋桨轴端锥度K1︰151︰15螺旋桨轴锥体中径d1/mm(计算值)131.3131.3螺旋桨毂中径d2/mm258258
【摘 要】通过设计实例对比,分析导致无键安装推入量产生不合理结果的原因,分析计算公式各参数对无键安装推入量计算结果的影响,根据中国船级社(CCS)规范中的高速船螺旋桨油压无键安装推入量计算公式原理,推导出检验公式,对无键安装计算的结果进行预判.
对比表1数据，新船为减轻重量，螺旋桨轴材料采用了抗拉强度较大的合金钢，合金钢轴径可以取计算值的0.9倍[10]。新船的主机功率相对型船大，螺旋桨轴的计算直径反而比型船小。设计取值后，两船的螺旋桨轴直径相同，其余涉及油压无键安装计算的螺旋桨轴参数也相同。
对比表3数据，两船的最大推入量S2在各温度条件下相同；新船最小推入量S1大于型船，甚至大于最大推入量S2。最小推入量S1是桨毂传递载荷的保证，新船主机功率较大，需要传递更大的转矩，较大的径向推入量可以获得更大的摩擦力，工作时才不会出现滑动。
C1、C2、K1和K2是规范公式引入的参数。对于实心轴，C1和K1为定值，K2的值来自经验公式，C2由K2取值计算得到。
从式(1)(2)可知，主机功率Ne不影响最大推入量S2，但最小推入量S1的影响是随Ne线性增大的。主机功率越大，需要传递的转矩越大，S1的计算值也越大。从式(9)可知，推入量差值S2-S1随Ne增大而减小。高速船为满足高航速要求，通常选配功率大、重量轻的高性能高速柴油机作为主推进动力，以保证船舶性能[14]。主机选型通常在船舶设计初期即选型确定，不会因为螺旋桨连接方式而做改变，不属于可以调整的参数。
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从公式(1)(2)可知，d1值和套合面积A值对S1的值有影响。螺旋桨轴和螺旋桨的摩擦面摩擦系数规范提供的值为0.13，同等压力状态下，套合面积越大，所能传递的转矩越大，传递的功率就越大。理论上，螺旋桨与轴套合的部分是个标准的圆台，根据圆台的面积计算公式可以获得套合面积A。锥体长度(桨毂长度)根据经验公式要求取值，一般要求l≥2.5 d。根据圆台面积计算公式，套合面积A=πld1，A值随和的取值线随l增大而增大，但椎体长度l值会影响螺旋桨中心位置，需要由总体专业根据尾部线型、桨直径和舵装置位置及桨可拆空间等情况确定，不能为了安装需要无限制增大l值。
在进行某型海上高速船新船螺旋桨油压无键安装设计时，使用上述计算公式出现了最小径向推入量大于最大径向推入量的不合理情况，为此展开分析。
CCS在最新的《海上高速船入级与建造规范》和《内河高速船入级与建造规范》中采用了相同的螺旋桨油压无键安装推入量计算方法，并提供了如下的计算公式。
螺旋桨油压无键安装作为一种成熟的的安装方式，具有诸多优点，螺旋桨的转矩通过接触面压力所产成的摩擦力传递，桨毂和轴没有键槽，不易发生应力集中而产生裂纹[1-2]。螺旋桨油压无键安装时，桨毂与螺旋桨轴的连接属于不带中间套的圆锥过盈连接。满足最小推入量要求桨毂才能有效传递载荷，工作时才不会出现滑动的情况；满足最大推入量才能保证桨毂和艉轴不产生塑性变形[3]。
新船与型船的螺旋桨轴计算直径数值接近，经过设计取值后，两船螺旋桨轴相关数据见表2。
将表2参数代入公式(1)和(2)，由此得到5～35 ℃范围内两条船的油压无键安装径向推入量，见表3。
对比表3数据得到型船在5～35 ℃的推入量范围，其数值是合理的；新船的最小推入量S1大于最大推入量S2，推入量差值S2-S10，计算结果不合理，不能指导施工。
根据安装需要，螺旋桨套合到轴上的轴向推入量S应满足[6-8]：S1≤S≤S2。
经验算，轴系设计无误，为进一步分析此问题，参考某完工的型船，两船动力系统选型和参数对比见表1。螺旋桨材料选用镍钻青铜Cu3。
σs是螺旋桨材料的屈服强度。从式(1)、(2)可知，选取屈服强度大的材料对S1没有影响，但可以使最大推入量S2变大。从式(9)可知，σs值越大，推入量S2-S1越大。规范对铜质螺旋桨的材料只规定了镍铝青铜的Cu1、Cu2、Cu3和Cu4，其规定非比例延伸强度(屈服强度)依次为175、175、245和275 MPa[10]。如果需要选用其他铜合金，应提交有关技术资料提供给CCS，经批准后方可使用。使用新材料需要试验验证，耗时较长，成本较高，也不便于工厂备料。除非特殊情况，设计时较少采用。
