0 引　言

轴系是船舶推进系统的重要组成部分，其安装质量影响推进系统的运行状况。大型穿梭油轮的可调螺距螺旋桨（Controllable Pitch Propeller，CPP）轴重量大，长度长，安装时从艉部向艏部安装。传统的安装方法是大型气动葫芦吊装，利用卷扬机安装葫芦，为方便安装，需重复拆除和搭设脚手架，目前葫芦吊装状态不稳，穿轴过程中容易碰伤艉管内部轴承，给船舶运营带来质量隐患。穿梭油轮CPP轴的整个穿轴过程依赖指挥人员技能和操作人员体力完成，劳动强度大、生产效率低、生产周期长，同时存在安全隐患，需开展穿梭油轮CPP轴穿轴工装平台设计研究，王旭等^[1]对带倾角长艉轴的安装方法进行了研究，王勇^[2]对船舶结构有限元分析自动加载技术进行了研究。穿梭油轮CPP轴穿轴是穿梭油轮建造的关键步骤，穿梭油轮CPP轴重量大，长度长，艉管距坞底距离大，穿梭油轮CPP轴穿轴需要搭设大量操作平台，穿梭油轮艉部需留有足够吊运空间，亟需CPP轴穿轴工装平台实现穿梭油轮CPP轴的高效安装。本文设计了一款穿梭油轮CPP轴的穿轴工装，明晰了CPP轴穿轴原理及穿轴需求，基于力学理论构建了穿轴工装平台受力模型，仿真分析了工装平台受力特性及工作过程中的稳性，设计并完成了工装平台的研制，并在实船建造过程中进行了验证，本穿梭油轮CPP轴穿轴工装可节省船舶与坞墙间的距离，提升船坞利用率，为船舶工业精益化建造、船舶轴系安装提供理论及技术指导。

1 穿梭油轮CPP轴安装平台工装

CPP轴桨彀结构复杂，桨彀与CPP轴的组装通常在厂家完成，CPP轴的前端采用可拆式法兰，从船舶艉部向艏部安装，目前主要用葫芦进行吊装，穿轴的方式有以下2种：

1）直插法

船后端需留有足够空间，在船体外板焊接吊耳，用吊车将CPP轴起吊与艉轴孔平齐，利用葫芦直线移动CPP轴，插入艉管。

此方法是直线插入，只需在艉管的后端布置吊耳即可，但船艉需要足够的空间，若空间不够则无法实施。

2）横移直插法

在艉管处布置吊耳并沿着吊耳一侧横向布置多排吊耳，用吊机将CPP轴吊运至船舶的一侧，利用葫芦将CPP轴移至艉管的后端面，将CPP轴穿入艉管。

此方法后端不需留有吊装空间，利用船体的线型可将CPP轴吊到坞内。但需在船体上焊接、拆除大量吊耳，焊接部位补涂油漆以及横向移动CPP轴都需要高驾车配合，占用大量资源，工作量较大。

以上方法都应用大型葫芦进行，安装葫芦需要卷扬机、高驾车配合，工作量大，劳动度高。同时，需要反复多次搭设脚手架，生产周期长。按照CPP轴的穿轴特点，本文设计研究了一种CPP轴穿轴工装的工艺方法，具体研究流程如图1所示。

根据穿梭油轮CPP轴的穿轴原理，本着减少辅助工作，降低劳动强度，减少安全隐患和质量风险，提高船坞利用率，穿梭油轮CPP轴穿轴工装要点如下：

1）所有移动都采用小车移动，减少准动时间和劳动强度，不需要在船体结构上焊接吊耳，减少安装、拆除吊耳以及对船体结构油漆破坏的补涂作业，减少对高驾车等资源的使用；

2）CPP轴与艉管的校正采用液压油顶，相对于使用螺栓调整更方便、快捷；

3）CPP轴前后用2个支撑点，每个支撑点布置4只油缸上下调整，为了保证4只油缸同时动作，使用同步阀分配到每只油缸；

4）前支撑点顶部采用“V”型设计，纵向布置2个铜滚轮，前支撑点不移动，CPP轴在其上滚动的阻力小，不会损伤CPP轴；

5）为了便于施工人员操作，在顶部设计操作平台。

其次，穿梭油轮CPP轴的安装工作还要满足如下要求：

1）所有受力构件的刚度和强度满足于CPP轴所重量在工装上行走时的受力要求；

2）所有作业人员要在工件的上方和两侧进行，降低安全隐患；

3）CPP轴与艉管要精准校正，穿轴过程要运行平稳，保证穿轴过程中不损伤轴承和其他附件；

4）工装平台上设置吊装吊耳和绑扎吊耳，便于工装平台的吊装和CPP轴在工装平台上的固定；

5）保证结构有牢固性和穿轴过程中的平稳性。

2 穿梭油轮CPP轴穿轴工装平台设计 2.1 穿梭油轮CPP轴穿轴工装平台的受力情况

CPP轴和船坞的主要参数如表1、表2所示。

穿梭油轮CPP轴穿轴工装的稳性分析和强度分析。

CPP轴装在工装平台上后的组合件重心高度：

$ H=\frac{{W}_{1}{H}_{1}+{W}_{2}{H}_{2}}{{W}_{1}+{W}_{2}}。$

(1)

式中：$ H $为CPP轴与工装平台组装后的总体重心高度；$ {W}_{1} $为工装平台的重量；$ {W}_{2} $为CPP轴的重量；$ {H}_{1} $为工装平台的重高度；$ H、{H}_{1}、{H}_{2} $均以工装平台的底边为基准。

CPP轴装在工装平台上时，工装平台的弯曲应力：

$ \sigma =\frac{M\times y}{I}。$

(2)

式中：$ \sigma $为弯曲应力，Pa；$ M $为弯矩，N·m；$ y $为从中性轴到计算应力点的垂直距离，m；$ I $是截面惯性矩，m⁴。

以某船厂154000 t穿梭油船的CPP轴为例，CPP轴的重量48 t，轨道选用H400×408 H型钢，其允弯曲应力为310.5 MPa，轨道支撑立柱的矩离为2.280 m，惯性矩（x-x轴）为0.0119 m⁴，则实际弯曲应力为25.69 MPa，小于材料允用的弯曲应力，满足使用求。

CPP轴装在工装平台上时，工装平台的剪切应力：

$ \tau =\frac{{V}\times {Q}}{{I}\times {t}}。$

(3)

式中：$ \tau $为剪切应力，Pa；$ V $为总剪切力，N；$ Q $为面积一阶矩；$ I $为惯性矩；$ t $为截面厚度。工装平台采用框架结构，采用梁的弯曲剪应力进行计算。

CPP轴的重量为48 t，4个点受力，轨道选用的400×408的H型钢，允用前应力为170 N/mm²，惯性矩（x−x轴）为119000 cm⁴，面积一阶矩1930 cm³，计算出实际剪应力为9.07 N/mm²，小于材料允用剪应，满足使用要求。

CPP轴装在工装平台上运转的稳性：

质心计算：

$ {R}_{CM}=\frac{1}{M}\int r{\mathrm{d}}m 。$

(4)

式中：$ {R}_{CM} $为质心的位置向量；$ M $为物体的总质量；$ r $为物体内部某点的位置向量；$ {\mathrm{d}}m $为该点的微小质量。

惯性矩：

$ I=\int {{r}}^{2}{\mathrm{d}}m。$

(5)

式中：$ r $为物体内部某点到该轴的垂直距离；${\mathrm{ d}}m $为该点的微小质量。

稳性判断：

$ GM=GZ-BZ 。$

(6)

式中：$ GZ $为物体的质心到浮力作用点（浮心）的垂直距离；$ BZ $为浮心到物体的几何中心的垂直距离。

如果$ GM＞0 $，则物体是稳定的，如果$ GM＜0 $，则物体是不稳定的。

倾覆力矩与稳定力矩：

$ \begin{cases} {M}_{{\mathrm{capsize}}}={F}_{{\mathrm{capsize}}}\times {d}_{{\mathrm{capsize}}}，\\ {M}_{{\mathrm{righting}}}={F}_{{\mathrm{righting}}}\times {d}_{{\mathrm{ribhting}}}。\\ \end{cases} $

(7)

式中：$ {F}_{{\mathrm{capsize}}} $为倾覆力；$ {d}_{{\mathrm{capsize}}} $为倾覆力臂；$ {F}_{{\mathrm{righting}}} $为稳定力；$ {d}_{{\mathrm{righting}}} $为稳定力臂；如果$ {M}_{{\mathrm{capsize}}}＜{M}_{{\mathrm{righting}}} $，则物体稳定；如果$ {M}_{{\mathrm{capsize}}}＞{M}_{{\mathrm{righting}}} $，则物体不稳定。

2.2 CPP轴平台工装的结构设计

根据CPP轴的穿轴原理，结合船舶在坞内的布置情况，CPP轴固定在工装平台上后，横向移动到艉管后端面，通过调整机构调整CPP的位置，使CPP轴的中心在艉管的中心上，通过平台上的小车纵向移动，将CPP轴插入艉管内。为了便于装置移动，在工装平台底部加装横向移动轮子，同时，工装平台上的小车为纵向移动轮子，实现装置的横向和垂直调整。纵向移动动轮子是用于将CPP轴插入艉管内，横向和垂直调整装置用于CPP轴与艉管校中。

平台底部安装自带驱动和旋转功能的轮子^[3]，驱动功能使平台装置能自行移动，旋转功能能调整平台方向。轮子与平台采用螺栓连接，便于轮子的安装、拆除、维修和更换。轮子采用实心轮胎，可减少地面不平造成的受力不均匀影响。

平台框架中部用H型钢做成轨道，用无缝钢做为支撑，常用的有垂直支撑和“人”字支撑^[4]。在满足安装条件下，框架可做高以减少移动小车高度，从而减少移动小车体积，便于移动和安装。

平台上移动小车有前移动小车和后移动小车，分为底座和托架，底座装有地坦克，用于纵向移动，轨道两边装有限位块，底座上装有导向轮，控制运行轨迹。在底座上加装横向螺栓调整托架的横向位置，在底座与托架上加装轴承减少横向移动时的摩擦力。前移动小车与CPP轴之间有相对滑动，为了保护轴不受到伤害，在托架顶部装有2个纵向铜滚轮。设置专门的液压系统调整轴系的上下位置^[5-6]，为了使每台移动小车的4只油缸同时升降，在系统内设置同步阀。

2.2.1 主要尺寸设计

如图2所示，支撑平台高度H取决于艉管中心到船体基线的高度H₁以及坞墩高度H₂，已知某船舶艉管中心到船体距基线的高度H₂=4500 mm，坞墩高度为H₂=1450 mm。则：H=H₁+H₂=5950 mm。

CPP轴在工装平台上的总体高度h由平台高度h₁，后移动小车高度h₂，前移动小车高度h₃，轴毂的直径D=2040 mm，轴的直径d=650 mm，轴调整尺寸h₄组成。为了免避平台制做误差造成轴的中心超过尾管中心，无法将轴插入艉管，设调整尺寸h₄=100 mm，根据强度计算出h₂=510 mm。则上$ h_1=h-h_2-D/2-h_4= 4\;320\ \mathrm{mm} $，即工装平台的高度为4320 mm，轴毂和轴的直径差通过小车的高度调整，则平台上的前移动小车高度：$ {h}_3=h_2+(D/2-d/2)=1\;205\; \mathrm{mm} $。

2.2.2 移动小车的设计

图3为艉部移动小车的设计。CPP轴的总重量是48 t，其中桨毂重量为28 t，重心离桨毂中心1600 mm，重心偏后，当前CPP轴放置在前后两个移动小车上，后面一个移动小车承载约40 t，底部放置4个地坦克，每个承载重量是10 t，放1.5倍的安全系数，地坦克选用15 t的，为了保证移动小车运行轨迹可控，在旁边装有限位板，在小车侧向装有导向轮。移动小车底座上面装有平面直排导轨轴承用左右调整时减少摩擦力，轴承上装有钢板，钢板上方安装托架，托架角装有顶升螺栓，底座与托架间4个角装有液压油顶，上下调整时，先用油顶顶到位然后用顶升螺栓支撑，减少顶升难度。

后移动小车与CPP轴一起移动，而前移动小车不一定与轴一起移动，相互之间有滑动，为了防止伤轴，如图4所示，在前移动小车顶部安装2只纵向铜滚轮。

2.2.3 液压控制系统的设置

平台上每台移动小车底座与托架之间4个角装有油顶。由一台液压泵站提供动力，出口设置“1拖2”的分配器，在分配器后设置“1拖4”的同步阀，保证4只油顶同时上升或者下降。通常，同步阀的最大出口压力为21 MPa，后移动小车的每只油顶承载负荷是10 t，如果以21 MPa工作压力计算，油顶活塞的工作面积为：

$ S=\frac{F}{P}。$

(8)

式中：$ S $为油顶的活塞面积；$ F $为油顶工作压力；$ P $为系统的最大工作压强。

计算得出$ S=46.7\ \mathrm{cm}^2 $。查找油顶资料可知，选用30 t油顶。

2.3 工装平台的穿轴的工作原理

如图5所示，工装平台的底部安装有带驱动和旋转功能的轮子1。将工装平台放置在靠坞边，利用船体与坞之间的空隙将CPP轴放置在工装平台的托架上，用葫芦固定CPP轴，防止CPP轴滑移。启动驱动轮，将工装平台移到艉管后端面。用调整机构调整CPP轴的位置，使CPP轴与艉管对正，两侧用气动葫芦牵引CPP轴插入艉管。如图6所示，当前移动小车影响运行时，将前移动小车移除，然后将CPP轴穿到需要位置。

用工装平台CPP轴的安装流程如图7所示。工装平台的靠近艉管侧设置斜梯和扶手，便于操作人员上下平台。工装上面平台，除了轨道以外两边各设置了约1 m左右的平台，除了增加宽度增加稳性外，还用于操作平台，穿轴的所有工作均在操作平台上进行，便于操作的同时，还保证了操作人员的安全。移动小车的轨道采用H型钢，保证轨道宽度满足地坦克行走的要求，同时保证轨道的强度满足要求。在轨道两边设置有限位板，移动小车底座上设置有导向轮，保证行走时不会走偏的同时还不会卡死。移动小车分底座和托架两大部分，保证移动小能前后移动，同时可实现上下左右调整。底座上设置油顶底座，托架设置支撑点和调整螺栓，上下调整时，先用油顶调整到位，再用顶升螺栓支撑，提高调整效率，降低劳动强度。移动小底座上装有平面直排导轨轴承用左右调整时减少摩擦力，轴承上装有钢板，托架上的顶升螺栓顶在轴承上的钢板上，在底座的两侧装调整螺栓既可以调整CPP轴，又可以固定CPP轴。在船体两侧焊吊耳，装气动葫芦。葫芦的钩子挂在桨毂上，牵引CPP插入艉管，当艉密封靠近艉管时，移出前移动小车，将CPP轴安装到位。

3 CPP轴安装平台工装强度校核 3.1 CPP轴安装平台工装建模

根据CPP轴安装平台工装的结构和尺寸，利用三维软件建立CPP轴安装平台工装的三维模型，如图8所示。计算和分析工装极限工况下应力、应变是否满足结构设计和材料强度的要求，对于分析和评价船舶CPP轴安装平台工装设计的合理性具有重要参考意义^[7-8]。

3.2 CPP轴安装平台工装仿真

将建立的三维模型导入到有限元软件中，设置关键支撑结构及相关部件材料特性参数，划分模型网格，考虑到网格划分质量及计算效率，对于模型中次要处进行普通处理，而对关键位置网格进行加密^{[9 − 11]}。

整体结的有限元模型见图9，结构单元共1 722 755个，网格尺寸最大为 0.05 m。

后移小车由于桨毂直径大，相应小车底座的高度较，对后移动小车底座进行了模拟仿真，如图10所示。

运行过程中稳性分析：CPP轴安装平台工装，底部采用框架式结构，CPP轴的自重达48 t，桨毂需要平台工装上滑行插入艉管。以50 t的重量对结构强度进仿真，平台工装的主框架最大应力为54 MPa，最大变形量为1 mm；后移动小车底座的最大应力是144.4 MPa，最大变形是1 mm。所承受的应力小于材料的许用应力，变形也在允许范围内。强度满足要求，工装安全可靠。

4 应用验证

针对某船厂154000 t穿梭油船的CPP轴，CPP轴自身重量48 t，长度为11538 mm，重心在距桨毂后端往前4774 mm处。船体的后端面距坞墙的好看离为1500 mm。

根据设计，制作平台工装的主体结构，安装驱动轮及相应的电器元件，制作移动小车，提前组装并调试完毕。安装CPP轴时，提前将平台工装行径路线的障碍物清理干净，将平台工装用吊车沿着船体与坞墙的间隙放到坞底，移动小车按要求布置到位。将CPP轴吊装在移动小车的托架上，用葫芦绑扎固定，防止平台工装在移动过程中CPP轴滑移。移动艉管后端面，利用移动小车设置的调整装置将CPP轴与艉管校正。在船体两侧挂2只6 t的气动葫芦牵引CPP轴插进艉管，当艉密封快靠近艉管拍端时，移出前移动小车，将CPP轴安装到位。

表3所示为本案例安装平台与传统安装方法的对比，安装周期共1天、工时为80小时，与常规安装周期3天、工时240小时相比，缩短了2天，总安装工期和工时大大缩短。CPP的安装作在平台上进行，安全风险可控。安装过程，CPP轴在艉管里运移动平稳可控，没有损伤轴承和艉管附件的风险，降低安装过程中的质量风险。

5 结　语

1）通过结构力学计算和有限元分析，在满足强度的同时，有效减轻了工装重量。

2）在工装平台上设置操作平台，操作人员工作安全可靠。在移动小车上设置调整装置，实现了CPP轴与艉管精准校正。

3）每台移动小车4只顶升油顶前加装同步阀，保证4只油顶能同时上升或下降。平台工装底部加装带驱动功能的轮子，可横向、纵向移动，实现精准安装。

4）通过应用工装平台，安装周期及人工可节约80%，节省了船坞资源，本文研究内容可为船舶轴系精益安装提供理论和技术参考。