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摘要：文中主要介绍改装船舶“探索一号”科考船的轴系修理校中。在坞检过程中，发现该船艉轴承异常磨损。通过分析，这是由于船体老化变形、加装设备、作业习惯等因素，对原轴系中心线、主机中心线、舵系中心线、船体基线的相互关系产生了影响。提出了修理的思路和实施方案，使问题得到了解决。
关键词：长轴系;复合材料轴承;主机中线;负荷法;激光测量
中图分类号：TB4 文献识别码：B
Abstract： This paper mainly introduces the repair and alignment of the refitted research vessel“TAN SUO YI HAO”. During the inspection of the dock， abnormal wear of bearings was found .The influence of factors such as aging and deformation of hull， installation of equipment and working habits on the relationship between original shafting centerline， main engine centerline， rudder centerline and hull baseline is analyzed and introduced. The repair ideas and implementation plan were put forward， and the problem has been solved.
Key words： Long shafting; Composite bearing; Main engine centerline; Load test; Laser measurement
1 前言
“探索一号”原为“海洋石油299”多功能作业船，动力系统为四机、双轴、双桨、长轴系动力装置，而且轴系设计比较特殊。其主机输出端到前齿轮箱是由中鼓型齿式联轴器连接中间轴的，中间轴到后齿轮箱，再由后齿轮尾轴到螺旋桨。因而从尾轴到螺旋桨有三段轴结构性轴承支承，结构比一般船舶轴系复杂。该轮在2016年在文冲修船厂第一期改造为具备DP2动力定位能力的综合科考船;再分别通过2017年、2019年两次升级改选，成为一艘具有世界先进水平的深海科考母船。
2016年底进厂改造时，坞检发现左右双轴轴线异常偏差。根据判断，造成异常偏差的原因可以排除尾轴强度疲劳变形和轴承本身材质缺陷因素。原轴系中线发生了变化的原因，是由于船舶改装、设备变化、船舶用途变化等因素。针对测量的结果，充分考虑船舶技术性能、经济性、高效性，最后采取了综合性的解决方案，达到预期效果。
2 轴系修复可选方案情况
（1）第一种情况
根据常规修船方法，以主机曲轴中心线为基准，按原设计图纸的轴线模拟布置轴线，参照规范检查船体基线和舵中心线的关系。如果模拟轴线达到规范要求，则通过检查在此模拟轴系中心线上各轴承中心线是否重合来调整各个轴承;
（2）第二种情况
测量各个轴承中心线的数据若满足规范要求，则以各个轴承中心线为模拟轴系中心线，检查和船体基线、舵系中心线的关系是否符合规范要求，并通过调整主机曲轴中心线来达到预期，即移动主机。这种情况主要针对小船，其主机较小、调整简单。
（3）第三种情况
船舶出现海损，轴系中心线被破坏，单从主机曲轴中心线为基础受部件尺寸极限无法达到调整要求;单从轴承中心线为基础也无法达到调整要求，因而需要双方面都进行调整;
（4）第四种情况
本船轴系结构特殊，加上轴线测量数据偏差超标，故采用单一方法难解决问题，需要综合采取多种方法并用，分三个单元处理，即两台主机共用齿轮箱单元、中间轴单元、尾轴单元。
3 轴系数据测量和分析
3.1 左尾轴、尾轴承和尾管测量数据
（1）左尾轴、尾轴轴承的工作位，第一、二、三轴承测量数据正常，尾轴跳动在正常规范内;第一、二軸承测量正常，第三轴承磨损超标，并且出现偏磨，需要进行更换;第一、二、三轴承内孔精度超差，判断是因为轴承为合成材料，先安装再镗孔，工艺上对内径精度的要求不高的结果;
（2）前尾轴承后端和后尾轴承后端倒角太大，而且内孔下部磨损明显，无法获得精确测量数据。只能通过壁厚的比较，旧的轴承中心出现偏心，可能是轴承内孔发生了磨损，也可能轴承内孔是现场镗孔，而不是在车床精加工好再进行安装的;
（3）轴承的壁厚测量，单边厚度只有24mm，基本接近大多数材料极限厚度，这对后序的轴系校中和轴承的机加工有很大影响。
3.2 右尾轴、尾轴承和尾管测量数据
右尾轴系的测量情况和左轴的数据相近。说明船舶航行作业基本上都是双车并行而且一致;同时也说明船体尾部结构为整体性变化，没有局部变形，船体结构强度可靠。
3.3中间轴平轴法测量数据
左、右轴的偏移值、曲折值测量方法，如图1所示：
左、右中间轴，由前、后齿轮箱和三条中轴组成。考虑尾轴受尾轴承的限制可调整量不多，但左、右轴的平轴法测量数据，如按CB/T3420-1992船舶轴系修理装配技术要求和原船图纸技术参数要求，根本无法做到，故只能考虑综合性全面折中取中，值校正中间轴部分。 3.4主机输出端与主机齿轮箱前法兰中线测量数据
采用法兰同轴度测量方法，测量主机输出端与主机齿轮箱的状况，数据显示都超出规范要求，需要进行法兰对中调整，使其达要到求。
3.5尾轴系激光检查报告数据
左、右尾轴的激光测量报告中的数据趋势一致，但各个轴承孔的轴线偏离超差严重，而且不具线性规律，基本是离散的点。由于对结构复杂的长轴系的调整综合考虑的因素很多，如有某个配件或配合参数没考虑到，实施起来就会无法向下推进。
3.6 导流罩与尾轴管中心线偏差量数据
左、右螺旋桨直径都为4000mm，左轴中心偏差15mm，属于正常规范内;右轴偏差超过35mm，需要修复;由于导流罩距离第三轴承很近，结构性支撑调整有限，必须对轴承厚度进行补偿。
从左、右尾轴的工作位、尾轴的形位尺寸来看，尾轴本身没有问题;尾轴承第三段测量数据显示尾轴配合超标，主要是超磨损所致;其他尾轴承、尾管的测量数据表明，这些部件单独是符合要求的;从部件本身数据来看，之前船舶营运是属正常损耗，但从轴系中心线来看，其采用平轴法和激光测量法测量的数据情况一致，都严重偏离原来轴系中心线设计参数，这从整体来说应该是改装过程中船体基础发生变形造成轴线的变化。因此，对超长轴系的船舶进行改装或加装设备时，一定要在完工后进行轴系中线的测量检查，否则会因为轴系中线变化造成重大损失或事故。
4 最优组合修复方案
4.1左轴调整方案
通过上述整体测量情况的分析和尾轴激光检测报告，以及中间轴通过平轴法和负荷法校核，结合船舶轴系修理装配技术要求和原船轴系图纸技术要求，左（右）尾轴中心线的调整方案如下：
（1）尾轴中心线的确定
在满足CB/T3420-1992船舶轴系修理装配技术要求和原船轴系图纸的情况下，以最后的中间轴后端轴中线为基准向后修正，其调整趋势如图2所示：
（2）垂直方向的调整
该调整考虑到尾轴与尾轴管轴承间隙约为1mm，尾轴中心在坞里会因重力作用相应地降低0.5mm。后齿轮箱与尾轴的位置关系按原船轴系安装图的要求，如图3所示：
通过对各个部件垂直方向测量数据的分析计算，受到部件形位尺寸极限要求的限制，无法把偏差累积调整到一个部件上进行，故分别对后齿轮箱、第一道尾轴管、第二道尾轴管、第三道尾轴管都进行合理的调整。
（3）水平方向的调整
通过对各个部件水平方向测量数据的分析计算，受到部件形位尺寸极限要求的限制，无法把偏差累积调整到一个部件上进行，故分别对后齿轮箱、第一道尾轴管、第二道尾轴管、第三道尾轴管都进行合理的调整。
通过全盘的建模计算，最终得出按表1数据进行调整是最为合理及经济的，同时也是最可以保证质量的。
调整示意图，如图4所示。
（4）相关零部件尺寸极限调整
经查原船图纸，第一道尾轴管尾轴直径 360mm、内径 412.4mm、外径 650mm、槽深度20mm、壳体最薄处610mm、壳壁最薄处98.82mm。根据上述数据。调整实施如下：
（A）第一道尾轴管孔镗孔
尾轴管孔中心线最大偏上4.88mm、偏左1.92mm，即最大镗孔偏心量为5.24mm、内径增大为422.88mm、壁厚最大镗削量为10.48mm左右、最薄壁厚为88.33 mm，满足CB/T3418-92的要求;
（B）第二道尾轴管孔
尾轴承偏心加工处理以外径为基准，尾轴承前端的内孔中心抬高2.21+安装间隙的一半，偏左1.92mm;后端的内孔中心抬高0.03+安装间隙的一半，偏左2.35mm。按此偏心值精加工内外孔;
（C）第三道尾轴管孔（美人架）
尾轴承偏心加工处理以外径为基准，尾轴承前端的内孔中心抬高安装间隙的一半，偏右2mm;后端的内孔中心降低13.73-安装间隙的一半，左右不变。按此偏心值精加工内外孔;
（D）调整后齿轮箱中心
尾轴承、尾轴等安装好后，在浮船状态下以尾轴法兰用平轴法调整后齿轮箱中心线（按原船轴系安装图的要求），如图5所示.在环境温度10℃时，尾轴中心线比齿轮箱输出轴的中心线高0.25mm、偏右0.125mm;
（E）复校中间轴中心线
当调整尾轴中心线时后齿轮箱的位置会发生变化，可把全部中间轴视为同心进行调整，并与前后齿轮箱输出轴和输入轴偏移值为0连接，由此会出现如图6所示的曲折值：
（a）前齿轮箱与中间轴的中线状态：调整后的上下方向曲折值约为0.44mm/m（上开口）、左右方向曲折值约为-0.60mm/m（左开口），符合CB/T3420-1992船舶轴系修理装配技术要求中曲折值≤2mm/m的要求。偏移值的调整（见原船轴系安装图的要求），如图7所示：
（b）中间轴与后齿轮箱的中线状态：调整后的上下方向曲折值约为-0.17mm/m（下开口）、左右方向曲折值约为-0.02mm/m（左开口），将最大的曲折值0.17mm/m转化为角度值为0.014?，也符合原船轴系安装要求的0.4?—0.5?;偏移值的调整（见原船轴系安装图的要求），如图8所示：
（F）其他零部件的调整。
对前、后尾轴封的零部件安装与校核后，中心线的同心要求偏离情况进行调整。如：受形位尺寸的极限影响，根据现场的实际情况进行机加工或更换。
轴系调整工作完成后，顶举法测量轴系负荷，校核各轴承和尾轴管前轴承的负荷。轴承负荷的计算，参考CB/Z 338-2005 船舶推进轴系校中规定：
（A）轴承材料的许用比压一般应不超过下列允许值：白合金尾管轴承，0.8 MPa;复合材料尾管轴承，最大为0.3 MPa;中间轴承，0.6 MPa;
（B）中间轴承采用顶举负荷法校核，計算公式如下：
定义压力：P=（Pa+Pb）/2
实际负荷：F=0.1KSP
式中：s为千斤顶柱塞机面积，mm2;P为油压，Pa、Pb分别对应上升和下升顶举曲线的坐标;
（C）根据顶举法测量计算出各轴承的负荷，可通过加、减轴承垫片的方法来尽可能使轴承的最小负荷不低于该轴承所支承的轴的重量的20%，最大负荷不大于按轴承材料许用比压及按轴承结构尺寸计算的负荷;
（D）检查螺旋桨与导流罩内孔之间的间隙，其偏离度不大于螺旋桨与导流罩间隙的四分之一;
（E）尾轴管密封件压油试验，不允许有泄漏现象。;
（F）系泊试验完成后，用顶举法测量各中间轴承和尾轴管前轴承的负荷，应符合上述要求，误差不超过±20%。
5 小结
该轮轴系修理完成后一直运营正常，在各种海况下完成了各项科考任务，一直到第二次再升级进坞测量检查，轴系状态都正常良好。长轴系的船舶在有改装、加装设备过程中，会由于各种原因使轴系中心线发生变化，影响到船舶动力推进或航行安全，所以一定要引起高度重视;同时，在修复和校正轴系中心线的过程，由于轴系已经设计、建造、安装完成，并投入了运营，所有结构和零部件都相互关联和制约，所以在解决问题时采用单一的方法往往是不能解决问题的，需要多方面综合考虑各种因素，采用多种方法，确保质量和经济性及符合规范要求。
参考文献：
[1]中国船舶工业公司. CB/T 3416-3429-92《船舶轴系、螺旋桨和舵系修理技术标准》[S].1992年.
[2]姚寿广， 肖民. 《船舶动力装置》[M]. 国防工业出版社，2012年.
关键词：长轴系;复合材料轴承;主机中线;负荷法;激光测量
中图分类号：TB4 文献识别码：B
Abstract： This paper mainly introduces the repair and alignment of the refitted research vessel“TAN SUO YI HAO”. During the inspection of the dock， abnormal wear of bearings was found .The influence of factors such as aging and deformation of hull， installation of equipment and working habits on the relationship between original shafting centerline， main engine centerline， rudder centerline and hull baseline is analyzed and introduced. The repair ideas and implementation plan were put forward， and the problem has been solved.
Key words： Long shafting; Composite bearing; Main engine centerline; Load test; Laser measurement
1 前言
“探索一号”原为“海洋石油299”多功能作业船，动力系统为四机、双轴、双桨、长轴系动力装置，而且轴系设计比较特殊。其主机输出端到前齿轮箱是由中鼓型齿式联轴器连接中间轴的，中间轴到后齿轮箱，再由后齿轮尾轴到螺旋桨。因而从尾轴到螺旋桨有三段轴结构性轴承支承，结构比一般船舶轴系复杂。该轮在2016年在文冲修船厂第一期改造为具备DP2动力定位能力的综合科考船;再分别通过2017年、2019年两次升级改选，成为一艘具有世界先进水平的深海科考母船。
2016年底进厂改造时，坞检发现左右双轴轴线异常偏差。根据判断，造成异常偏差的原因可以排除尾轴强度疲劳变形和轴承本身材质缺陷因素。原轴系中线发生了变化的原因，是由于船舶改装、设备变化、船舶用途变化等因素。针对测量的结果，充分考虑船舶技术性能、经济性、高效性，最后采取了综合性的解决方案，达到预期效果。
2 轴系修复可选方案情况
（1）第一种情况
根据常规修船方法，以主机曲轴中心线为基准，按原设计图纸的轴线模拟布置轴线，参照规范检查船体基线和舵中心线的关系。如果模拟轴线达到规范要求，则通过检查在此模拟轴系中心线上各轴承中心线是否重合来调整各个轴承;
（2）第二种情况
测量各个轴承中心线的数据若满足规范要求，则以各个轴承中心线为模拟轴系中心线，检查和船体基线、舵系中心线的关系是否符合规范要求，并通过调整主机曲轴中心线来达到预期，即移动主机。这种情况主要针对小船，其主机较小、调整简单。
（3）第三种情况
船舶出现海损，轴系中心线被破坏，单从主机曲轴中心线为基础受部件尺寸极限无法达到调整要求;单从轴承中心线为基础也无法达到调整要求，因而需要双方面都进行调整;
（4）第四种情况
本船轴系结构特殊，加上轴线测量数据偏差超标，故采用单一方法难解决问题，需要综合采取多种方法并用，分三个单元处理，即两台主机共用齿轮箱单元、中间轴单元、尾轴单元。
3 轴系数据测量和分析
3.1 左尾轴、尾轴承和尾管测量数据
（1）左尾轴、尾轴轴承的工作位，第一、二、三轴承测量数据正常，尾轴跳动在正常规范内;第一、二軸承测量正常，第三轴承磨损超标，并且出现偏磨，需要进行更换;第一、二、三轴承内孔精度超差，判断是因为轴承为合成材料，先安装再镗孔，工艺上对内径精度的要求不高的结果;
（2）前尾轴承后端和后尾轴承后端倒角太大，而且内孔下部磨损明显，无法获得精确测量数据。只能通过壁厚的比较，旧的轴承中心出现偏心，可能是轴承内孔发生了磨损，也可能轴承内孔是现场镗孔，而不是在车床精加工好再进行安装的;
（3）轴承的壁厚测量，单边厚度只有24mm，基本接近大多数材料极限厚度，这对后序的轴系校中和轴承的机加工有很大影响。
3.2 右尾轴、尾轴承和尾管测量数据
右尾轴系的测量情况和左轴的数据相近。说明船舶航行作业基本上都是双车并行而且一致;同时也说明船体尾部结构为整体性变化，没有局部变形，船体结构强度可靠。
3.3中间轴平轴法测量数据
左、右轴的偏移值、曲折值测量方法，如图1所示：
左、右中间轴，由前、后齿轮箱和三条中轴组成。考虑尾轴受尾轴承的限制可调整量不多，但左、右轴的平轴法测量数据，如按CB/T3420-1992船舶轴系修理装配技术要求和原船图纸技术参数要求，根本无法做到，故只能考虑综合性全面折中取中，值校正中间轴部分。 3.4主机输出端与主机齿轮箱前法兰中线测量数据
采用法兰同轴度测量方法，测量主机输出端与主机齿轮箱的状况，数据显示都超出规范要求，需要进行法兰对中调整，使其达要到求。
3.5尾轴系激光检查报告数据
左、右尾轴的激光测量报告中的数据趋势一致，但各个轴承孔的轴线偏离超差严重，而且不具线性规律，基本是离散的点。由于对结构复杂的长轴系的调整综合考虑的因素很多，如有某个配件或配合参数没考虑到，实施起来就会无法向下推进。
3.6 导流罩与尾轴管中心线偏差量数据
左、右螺旋桨直径都为4000mm，左轴中心偏差15mm，属于正常规范内;右轴偏差超过35mm，需要修复;由于导流罩距离第三轴承很近，结构性支撑调整有限，必须对轴承厚度进行补偿。
从左、右尾轴的工作位、尾轴的形位尺寸来看，尾轴本身没有问题;尾轴承第三段测量数据显示尾轴配合超标，主要是超磨损所致;其他尾轴承、尾管的测量数据表明，这些部件单独是符合要求的;从部件本身数据来看，之前船舶营运是属正常损耗，但从轴系中心线来看，其采用平轴法和激光测量法测量的数据情况一致，都严重偏离原来轴系中心线设计参数，这从整体来说应该是改装过程中船体基础发生变形造成轴线的变化。因此，对超长轴系的船舶进行改装或加装设备时，一定要在完工后进行轴系中线的测量检查，否则会因为轴系中线变化造成重大损失或事故。
4 最优组合修复方案
4.1左轴调整方案
通过上述整体测量情况的分析和尾轴激光检测报告，以及中间轴通过平轴法和负荷法校核，结合船舶轴系修理装配技术要求和原船轴系图纸技术要求，左（右）尾轴中心线的调整方案如下：
（1）尾轴中心线的确定
在满足CB/T3420-1992船舶轴系修理装配技术要求和原船轴系图纸的情况下，以最后的中间轴后端轴中线为基准向后修正，其调整趋势如图2所示：
（2）垂直方向的调整
该调整考虑到尾轴与尾轴管轴承间隙约为1mm，尾轴中心在坞里会因重力作用相应地降低0.5mm。后齿轮箱与尾轴的位置关系按原船轴系安装图的要求，如图3所示：
通过对各个部件垂直方向测量数据的分析计算，受到部件形位尺寸极限要求的限制，无法把偏差累积调整到一个部件上进行，故分别对后齿轮箱、第一道尾轴管、第二道尾轴管、第三道尾轴管都进行合理的调整。
（3）水平方向的调整
通过对各个部件水平方向测量数据的分析计算，受到部件形位尺寸极限要求的限制，无法把偏差累积调整到一个部件上进行，故分别对后齿轮箱、第一道尾轴管、第二道尾轴管、第三道尾轴管都进行合理的调整。
通过全盘的建模计算，最终得出按表1数据进行调整是最为合理及经济的，同时也是最可以保证质量的。
调整示意图，如图4所示。
（4）相关零部件尺寸极限调整
经查原船图纸，第一道尾轴管尾轴直径 360mm、内径 412.4mm、外径 650mm、槽深度20mm、壳体最薄处610mm、壳壁最薄处98.82mm。根据上述数据。调整实施如下：
（A）第一道尾轴管孔镗孔
尾轴管孔中心线最大偏上4.88mm、偏左1.92mm，即最大镗孔偏心量为5.24mm、内径增大为422.88mm、壁厚最大镗削量为10.48mm左右、最薄壁厚为88.33 mm，满足CB/T3418-92的要求;
（B）第二道尾轴管孔
尾轴承偏心加工处理以外径为基准，尾轴承前端的内孔中心抬高2.21+安装间隙的一半，偏左1.92mm;后端的内孔中心抬高0.03+安装间隙的一半，偏左2.35mm。按此偏心值精加工内外孔;
（C）第三道尾轴管孔（美人架）
尾轴承偏心加工处理以外径为基准，尾轴承前端的内孔中心抬高安装间隙的一半，偏右2mm;后端的内孔中心降低13.73-安装间隙的一半，左右不变。按此偏心值精加工内外孔;
（D）调整后齿轮箱中心
尾轴承、尾轴等安装好后，在浮船状态下以尾轴法兰用平轴法调整后齿轮箱中心线（按原船轴系安装图的要求），如图5所示.在环境温度10℃时，尾轴中心线比齿轮箱输出轴的中心线高0.25mm、偏右0.125mm;
（E）复校中间轴中心线
当调整尾轴中心线时后齿轮箱的位置会发生变化，可把全部中间轴视为同心进行调整，并与前后齿轮箱输出轴和输入轴偏移值为0连接，由此会出现如图6所示的曲折值：
（a）前齿轮箱与中间轴的中线状态：调整后的上下方向曲折值约为0.44mm/m（上开口）、左右方向曲折值约为-0.60mm/m（左开口），符合CB/T3420-1992船舶轴系修理装配技术要求中曲折值≤2mm/m的要求。偏移值的调整（见原船轴系安装图的要求），如图7所示：
（b）中间轴与后齿轮箱的中线状态：调整后的上下方向曲折值约为-0.17mm/m（下开口）、左右方向曲折值约为-0.02mm/m（左开口），将最大的曲折值0.17mm/m转化为角度值为0.014?，也符合原船轴系安装要求的0.4?—0.5?;偏移值的调整（见原船轴系安装图的要求），如图8所示：
（F）其他零部件的调整。
对前、后尾轴封的零部件安装与校核后，中心线的同心要求偏离情况进行调整。如：受形位尺寸的极限影响，根据现场的实际情况进行机加工或更换。
轴系调整工作完成后，顶举法测量轴系负荷，校核各轴承和尾轴管前轴承的负荷。轴承负荷的计算，参考CB/Z 338-2005 船舶推进轴系校中规定：
（A）轴承材料的许用比压一般应不超过下列允许值：白合金尾管轴承，0.8 MPa;复合材料尾管轴承，最大为0.3 MPa;中间轴承，0.6 MPa;
（B）中间轴承采用顶举负荷法校核，計算公式如下：
定义压力：P=（Pa+Pb）/2
实际负荷：F=0.1KSP
式中：s为千斤顶柱塞机面积，mm2;P为油压，Pa、Pb分别对应上升和下升顶举曲线的坐标;
（C）根据顶举法测量计算出各轴承的负荷，可通过加、减轴承垫片的方法来尽可能使轴承的最小负荷不低于该轴承所支承的轴的重量的20%，最大负荷不大于按轴承材料许用比压及按轴承结构尺寸计算的负荷;
（D）检查螺旋桨与导流罩内孔之间的间隙，其偏离度不大于螺旋桨与导流罩间隙的四分之一;
（E）尾轴管密封件压油试验，不允许有泄漏现象。;
（F）系泊试验完成后，用顶举法测量各中间轴承和尾轴管前轴承的负荷，应符合上述要求，误差不超过±20%。
5 小结
该轮轴系修理完成后一直运营正常，在各种海况下完成了各项科考任务，一直到第二次再升级进坞测量检查，轴系状态都正常良好。长轴系的船舶在有改装、加装设备过程中，会由于各种原因使轴系中心线发生变化，影响到船舶动力推进或航行安全，所以一定要引起高度重视;同时，在修复和校正轴系中心线的过程，由于轴系已经设计、建造、安装完成，并投入了运营，所有结构和零部件都相互关联和制约，所以在解决问题时采用单一的方法往往是不能解决问题的，需要多方面综合考虑各种因素，采用多种方法，确保质量和经济性及符合规范要求。
参考文献：
[1]中国船舶工业公司. CB/T 3416-3429-92《船舶轴系、螺旋桨和舵系修理技术标准》[S].1992年.
[2]姚寿广， 肖民. 《船舶动力装置》[M]. 国防工业出版社，2012年.