新建船舶尾管后軸承高溫磨損的原因與改進(jìn)

周聯(lián)宇，汪家政，劉立軍，鄧志慶

（金海重工股份有限公司，舟山 316291）

新建船舶尾管后軸承高溫磨損的原因與改進(jìn)

周聯(lián)宇，汪家政，劉立軍，鄧志慶

（金海重工股份有限公司，舟山 316291）

剖析船舶在運(yùn)行過程中艉管后軸承高溫報(bào)警的案例，從多個(gè)方面闡述了軸承磨損的誘發(fā)原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法，給船廠在提高船舶軸系安裝質(zhì)量方面帶來了實(shí)際效果。

船舶；艉管軸承；磨損原因；改進(jìn)

0 引言

隨著國內(nèi)造船行業(yè)的迅速發(fā)展，中國造船業(yè)在世界的市場(chǎng)份額在 2013年上半年分別達(dá)到完工量35.3%、新接訂單量46.1%和手持訂單量44.3%，赫然位居世界第一位。然而，現(xiàn)代化造船水平卻與日韓相去甚遠(yuǎn)，無論是造船模式、技術(shù)水平，還是施工人員的素質(zhì)上，很客觀地體現(xiàn)在船舶建造周期長(zhǎng)、建造成本高和建造質(zhì)量差。近幾年來船舶艉軸承過熱磨損的問題時(shí)常出現(xiàn)在各大小船廠，這類問題的出現(xiàn)常常迫使船舶進(jìn)塢返修，給造船企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，本文就船舶軸系頻頻出現(xiàn)的質(zhì)量問題展開討論，主要分析研究艉管軸承過熱磨損問題，并提出了一系列的改進(jìn)意見以供參考。

1 引用案例描述

要正確避免問題地出現(xiàn)，必須了解問題的根源，以下是某船舶企業(yè)一艘好望角型散貨輪的艉管后軸承事故案例回顧。

1.1 事件概述

某船在2011年9月試航過程中進(jìn)行緊急正車試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)報(bào)警顯示艉管后軸承溫度為55℃，超出正常范圍?，F(xiàn)場(chǎng)立刻做出停車指令，但溫度仍繼續(xù)上升至70℃以上（高溫報(bào)警設(shè)定值為65℃）?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)滑油濾器拆檢后，發(fā)現(xiàn)有金屬屑及2mm～3mm的金屬絲（疑似襯套磨損物），在對(duì)濾器進(jìn)行清洗后，并將系統(tǒng)內(nèi)艉管滑油全部更換后，低速運(yùn)轉(zhuǎn)主機(jī)，緩慢提升轉(zhuǎn)速，溫度保持正常。

1.2 事件調(diào)查分析

船廠對(duì)該事故進(jìn)行了一系列的檢查以確定事故原因，設(shè)計(jì)解決方案。

1）碼頭檢查。船舶返航?？看瑥S碼頭后，相關(guān)人員上船檢驗(yàn)主機(jī)、軸系的負(fù)荷，在4種主機(jī)曲軸狀態(tài)下分別測(cè)試，并同時(shí)測(cè)量了曲軸的甩檔、各軸承間隙，情況良好，數(shù)據(jù)取得后交予MAN主機(jī)服務(wù)商認(rèn)證，得出的結(jié)論是主機(jī)、軸系的負(fù)荷均在范圍內(nèi)。

2）船塢檢查。船舶進(jìn)入船塢進(jìn)行拆檢，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)拆檢情況，螺旋槳錐孔及艏艉密封不銹鋼套完好無損，艉軸拉出后，發(fā)現(xiàn)艉管后襯套后端下方磨損約200mm寬，深度約0.20mm痕跡（圖1）。

圖1 襯套內(nèi)圓磨損200mm寬、0.2mm深

將艉軸抽出后，發(fā)現(xiàn)艉軸后端有一處磨損約0.15mm寬、0.1mm深的溝槽，如圖2所示。

圖2 艉軸磨損0.15mm寬、0.1mm深

3）軸系安裝檢驗(yàn)記錄校核。船廠隨后對(duì)該船的軸系照光、復(fù)光、艉管鏜孔、后襯套尺寸、艉管后襯套壓配、艉軸安裝間隙、軸系校中的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)記錄與工藝進(jìn)行校核發(fā)，均符合要求。

4）軸系負(fù)荷測(cè)量記錄校核。主機(jī)環(huán)氧墊片澆注后，對(duì)軸系負(fù)荷、主機(jī)甩檔、主軸承間隙進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量后將測(cè)量報(bào)告發(fā)給MAN確認(rèn)，得到回復(fù)是測(cè)量結(jié)果可以接受。

5）艉管滑油管路投油校核：艉管滑油管路投油將近持續(xù)了近兩個(gè)月的時(shí)間，在整個(gè)投油過程中，用木錘敲擊管路，濾器一開始是用500目濾紙，后又換成2500目，符合工藝要求。

6）系泊試驗(yàn)。該船主機(jī)系泊試驗(yàn)轉(zhuǎn)速維持在32r/min，持續(xù)6小時(shí)，艉軸和襯套進(jìn)行磨合，主機(jī)系泊試驗(yàn)時(shí)未發(fā)生高溫報(bào)警，狀態(tài)良好。

7）試航情況反饋。

（1）試航時(shí)，海況正常；

（2）緊急倒車、緊急正車試驗(yàn)操作正常，符合試航大綱要求；

（3）該船試航期間艉密封系統(tǒng)運(yùn)行正常；

（4）該船試航過程中，主機(jī)耐久、測(cè)速及大角度轉(zhuǎn)舵試驗(yàn)項(xiàng)目完全完成后，艉管溫度良好，保持在38℃的正常狀態(tài)。之后根據(jù)試航大綱規(guī)范開始做急停、急倒試驗(yàn)，也未發(fā)現(xiàn)艉管高溫現(xiàn)象。在做急速正車時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速加到71r/min，檢測(cè)面板上艉管溫度迅速上升至52℃，試航人員立即采取降速措施，并即刻停止運(yùn)行主機(jī)。但溫度仍繼續(xù)上升至70℃以上。對(duì)艉管滑油、艉管濾器及艉管溫度傳感器進(jìn)行拆檢。濾器內(nèi)只發(fā)現(xiàn)艉軸與村套磨合后產(chǎn)生的細(xì)微金屬粒，滑油成色未發(fā)黑也屬于正常。

1.3 船廠得出的結(jié)論

1）船舶軸系在加工方面對(duì)加工的精度要求很高。艉軸管、艉軸軸承、艉軸等軸系部件的安裝配合都有嚴(yán)格的尺寸配合要求，這些尺寸都是以絲為單位（即 0.01mm），對(duì)測(cè)量人員的技術(shù)水平要求極高，而不同的人測(cè)量的習(xí)慣方法、手感都有差異，稍有不慎就將造成尺寸誤差，在軸系安裝過程如果這些誤差累計(jì)在一起，就將影響到安裝質(zhì)量。對(duì)于軸系等需要較高精度的測(cè)量要求的重要系統(tǒng)，公司本應(yīng)有專業(yè)的人才隊(duì)伍以及一套有效地保證測(cè)量精度要求的工藝方法及管理措施，這些工作目前都由流動(dòng)的勞務(wù)外包隊(duì)伍來完成，這也是本次安裝質(zhì)量事故的間接原因。

2）由于船舶在軸系照光-鏜孔-軸承加工等一系列過程中，機(jī)床、鏜排等工具缺乏保養(yǎng)，測(cè)量工具缺乏檢查，精度難以保證并且測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，這些偏差通過積累，造成累計(jì)誤差，最終造成了船舶艉管后軸承負(fù)荷分配不均，導(dǎo)致后軸承發(fā)生磨損。

3）根據(jù)調(diào)查反饋，加工艉軸襯套的機(jī)床加工精度在0.01mm，機(jī)床使用說明書要求：“機(jī)床在使用過程中，某些負(fù)載大的相對(duì)回轉(zhuǎn)和相對(duì)移動(dòng)的零部件會(huì)產(chǎn)生磨損或由于偶然事故而使機(jī)床精度下降，振動(dòng)加劇等都影響機(jī)床使用性能的現(xiàn)象。因此需要定期（一般為半年時(shí)間）進(jìn)行檢查和調(diào)整?！倍鶕?jù)施工部門反饋，該機(jī)床自2007年購入以來，從未進(jìn)行檢查和調(diào)整，鏜排的維護(hù)與保養(yǎng)也缺乏依據(jù)，并且由于軸的加工設(shè)備布置在填海區(qū)域的廠房?jī)?nèi)，地基有下沉現(xiàn)象。所以這也是造成該次質(zhì)量事故的原因之一。

軸系校中時(shí)，為了保證艉軸法蘭與中間軸法蘭存在約1mm～2mm的間隙，中間軸法蘭與主機(jī)飛輪間存在1mm～2mm的間隙，在完成軸系校中后，要將法蘭用螺栓連接起來，連接時(shí)要消除這個(gè)軸系校中時(shí)留下的間隙。根據(jù)工藝要求，必須通過向船艉移動(dòng)主機(jī)的做法來消除間隙。而根據(jù)調(diào)查反饋，安裝工人為了施工方便，采取向船艏移動(dòng)艉軸及中間軸的做法來消除間隙，沒有保證艉密封軸套與艉管內(nèi)艉密封油管直角接頭之間的距離，導(dǎo)致艉密封油管直角接頭磨損，磨損產(chǎn)生的碎屑隨滑油進(jìn)入艉管軸承，造成艉管軸承磨損，是本次事故的直接原因。

2 原因深度解析

艉軸和軸承在加工、安裝和運(yùn)行過程中環(huán)節(jié)復(fù)雜，必須從源頭找起，逐步擴(kuò)展才能找到行之有效的解決措施。

2.1 直接原因

根據(jù)以上案例可知高溫報(bào)警的直接原因：根據(jù)該船入塢拆檢情況，初步分析推斷，造成此次艉管后軸承高溫報(bào)警質(zhì)量事件發(fā)生的直接原因?yàn)樵谠嚭竭^程中，艉軸與艉管后襯套后端下方產(chǎn)生非正常摩擦損壞所致。

所謂的非正常摩擦是指，沒有滿足最低條件的摩擦。何為最低條件呢，就是沒滿足壓強(qiáng)，即單位面積受力的標(biāo)準(zhǔn)，軸承受力面的壓強(qiáng)需要滿足最低要求。一般船舶設(shè)計(jì)時(shí)就會(huì)考慮好足夠的受力面積來減小單位面積地受力，使運(yùn)動(dòng)部件不至于磨損。破壞這個(gè)平衡條件的原因可以確定為幾條：一是潤(rùn)滑條件，要想減小摩擦力，必須提供足夠的潤(rùn)滑油，不斷供入的潤(rùn)滑油會(huì)在兩個(gè)配合件之間的微小縫隙里形面一層油膜，使配合件不至于直接接觸，并使各點(diǎn)受力均衡[1]，所以潤(rùn)滑油的型號(hào)和質(zhì)量是必須保證的，配合件之間的粗糙度也是需要保證的；二是溫度，不斷運(yùn)動(dòng)的軸與軸承間會(huì)產(chǎn)生大量的熱，或者其它原因?qū)е铝舜罅康臒?，高溫加速油分子活躍而使油粘度降低引起摩擦加劇并形成惡性循環(huán)，同時(shí)高溫還會(huì)熔化巴氏合金軸承，從而徹底破壞受力平衡；三是配合面接觸角度問題，也就是接觸角度的不正確而引起接觸面過小，從而引起壓強(qiáng)過大。

2.2 誘發(fā)因素

潤(rùn)滑油在生產(chǎn)、包裝、運(yùn)輸、注入和使用地過程中都有可能受到污染，作為船廠來說，可以控制的是在注入之前對(duì)油的干凈程度進(jìn)行抽樣檢測(cè)，在注入的過程中加強(qiáng)管理以及對(duì)船上儲(chǔ)存油的地方進(jìn)行徹底地清洗，船上儲(chǔ)存潤(rùn)滑油的地方應(yīng)包括油柜、潤(rùn)滑系統(tǒng)管路及附件、艉軸管油腔及腔內(nèi)部件，管路安裝前應(yīng)檢查管內(nèi)是否存在異物，特別是在管路的沖洗過程中應(yīng)使用振蕩器來清除管路中滯留的焊渣、鐵屑等，油質(zhì)的不合格或異物地進(jìn)入都會(huì)引起潤(rùn)滑不良或直接地破壞運(yùn)動(dòng)部件的配合面。

船舶運(yùn)行時(shí)，潤(rùn)滑系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)保持正常，需要檢查油泵油壓以確保能不斷地提供循環(huán)的油來降低溫度；以船廠通常的習(xí)慣，在軸系校中時(shí)，艉軸法蘭與中間軸法蘭會(huì)預(yù)留約1mm～2mm的間隙，中間軸法蘭與主機(jī)飛輪間預(yù)留1mm～2mm的間隙，以方便軸系校中，校中后在消除間隙時(shí)，安裝工人靠移動(dòng)軸系的做法來消除間隙，如果事先未預(yù)留準(zhǔn)確的余量，有可能會(huì)引起艉密封軸套與艉管內(nèi)艉密封油管直角接頭接觸，在軸系運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦產(chǎn)生高溫和碎屑，都會(huì)造成艉管軸承磨損（圖3）。

圖3 密封軸套與管附件觸碰

軸與軸承的理論接觸角度的設(shè)計(jì)是根據(jù)軸系校中計(jì)算來確定的，通常船廠會(huì)提供船舶軸系的配置情況給主機(jī)生產(chǎn)廠家，委托其進(jìn)行計(jì)算，再將計(jì)算書送審船級(jí)社，計(jì)算書會(huì)按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)提供一個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)角值，轉(zhuǎn)角值滿足“校中計(jì)算時(shí)，應(yīng)使尾管后軸承支點(diǎn)處軸的轉(zhuǎn)角不超過3.0×10-4rad，否則應(yīng)提出相應(yīng)措施使其符合規(guī)定”[4]。這些都無需擔(dān)心，設(shè)計(jì)部門會(huì)將計(jì)算的數(shù)據(jù)提供給軸承廠家，由軸承廠家來“采取相應(yīng)的措施”[4]（圖4）。

圖4 轉(zhuǎn)角超過標(biāo)準(zhǔn)后采取的措施

2.3 誘發(fā)因素分析及改進(jìn)

在核對(duì)確保設(shè)計(jì)無誤的前提下，如何保證安裝過程中不至于發(fā)生錯(cuò)誤而改變了實(shí)際的安裝角度是船廠管控重。

1）艉軸管鏜孔加工精度的控制，為了降低成本，很多船舶的設(shè)計(jì)仍樂意采用現(xiàn)場(chǎng)鏜孔加工的方式，由于實(shí)際加工環(huán)境差、量具保養(yǎng)不當(dāng)、鏜排自身重力引起的撓度等都會(huì)造成鏜孔質(zhì)量問題，特別是前后軸承兩孔的同心度的偏差會(huì)直接導(dǎo)致軸與軸承接觸角度的變化；

2）軸承外圓加工精度的失控會(huì)導(dǎo)致軸承外圓中心線偏離理論線過多，從而直接引起軸與軸承接觸角度的改變；

3）測(cè)量誤差和誤差累積，以目前國情來看，大多船廠都采用雇傭外協(xié)施工隊(duì)伍的形式，這樣的方式從很大程度上使船廠能夠靈活地調(diào)度人力資源，起到降本增效的作用，然而外協(xié)人員往往技術(shù)水平參差不齊，責(zé)任心不高，人員技術(shù)水平差，易造成測(cè)量誤差和誤差累積；

4）某些企業(yè)為了趕進(jìn)度，縱容施工人員在軸系校中時(shí)弄虛作假，實(shí)際軸系校中未能達(dá)到要求，使得軸承受力不圴、軸系彎曲角度過大或過小，另外過輕或過重的負(fù)荷還會(huì)造成軸系不正常地振動(dòng)甚至跳動(dòng)，從而破壞軸承；

5）質(zhì)量檢驗(yàn)方式及標(biāo)準(zhǔn)脫離實(shí)際。

6）軸承間距的設(shè)計(jì)過于理想化引發(fā)的軸承負(fù)荷變化過大，從而造成軸承的受力不圴最終受到破壞。

針對(duì)以上問題，可以采取的措施是：

1）設(shè)計(jì)必須滿足軸承材料規(guī)定的最大壓強(qiáng)條件，轉(zhuǎn)角超差補(bǔ)償按規(guī)范要求進(jìn)行，盡量推行使用環(huán)氧樹脂澆筑型艉軸管，使艉軸管的加工過程提前到車間內(nèi)進(jìn)行，能有效提高加工質(zhì)量；

2）加強(qiáng)機(jī)床、鏜排、量具等設(shè)備及專用工具的定期保養(yǎng)，及時(shí)更換磨損的設(shè)備部件，設(shè)備使用前應(yīng)進(jìn)行復(fù)查，特別是鏜排的跳動(dòng)情況；

3）鏜孔時(shí)注意消除鏜排自身撓度[5]，有條件的船廠可以在光刀前使用準(zhǔn)直儀等設(shè)備進(jìn)行校排；

4）對(duì)于軸系等需要較高安裝技術(shù)水平的工作，施工人員必須經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)并持證上崗，同時(shí)船廠要培養(yǎng)出一批專業(yè)的人員，專門長(zhǎng)期地從事此類加工和安裝工作；

5）軸承負(fù)荷調(diào)整必須滿足設(shè)計(jì)要求范圍，并盡量靠近理論中間值，軸系校中工作應(yīng)嚴(yán)肅對(duì)待，杜絕一切理弄虛作假的行為；

6）質(zhì)量檢驗(yàn)人員應(yīng)具備相應(yīng)素質(zhì)，檢驗(yàn)的重點(diǎn)應(yīng)放在配合面的各種尺寸、公差上，思維清晰，不盲目信任標(biāo)準(zhǔn)，特別要注意針對(duì)有過軸承轉(zhuǎn)角補(bǔ)償措施的船舶，艉軸安裝完畢，螺旋槳安裝之前，后軸承的軸瓦間隙檢驗(yàn)時(shí)，底部應(yīng)有相應(yīng)的間隙，而不是像早期的要求“尾軸裝入就位后，檢查軸承與軸之間的間隙，就符全圖樣和技術(shù)文件規(guī)定，對(duì)軸承底部用0.05mm塞尺檢查不應(yīng)插入”[3]。

7）尾軸承間距按如下要求進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]：

對(duì)于單軸系，由于結(jié)構(gòu)上的原因，尾管中的前后軸承間距較短，常會(huì)引起前軸承負(fù)荷較小，甚至無負(fù)荷。鄰近尾管的中間軸承的位置對(duì)尾管前后軸承負(fù)荷的分布影響，需經(jīng)校中計(jì)算才能確定尾管前軸承負(fù)荷合理與否。通常解決的辦法是在安裝時(shí)，將主機(jī)及中間軸承壓低。如果尾管前后軸承間距過短，建議取消尾管前軸承。

如未能按以上要求進(jìn)行合理的設(shè)置軸系的軸承間距以及保留足夠的裕度，就會(huì)影響整個(gè)軸系的負(fù)荷平衡，繼而發(fā)生振動(dòng)、破壞等問題，軸承的破壞自然直觀地體現(xiàn)在高溫報(bào)警上。

另外還有一些其它因素也可能造成問題的產(chǎn)生，同樣需要引起重視，在軸系運(yùn)轉(zhuǎn)前、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)必須消除的隱患，如：錯(cuò)誤的操車，未能按照規(guī)定的操車程序，造成軸承長(zhǎng)期負(fù)載過大、振動(dòng)過大；軸接地裝置安裝不正確，造成軸自帶靜電達(dá)到一定壓值時(shí)在軸承處釋放電弧破壞軸承；軸承的材質(zhì)和出廠尺寸不合格。但是船廠往往都會(huì)忽略了這些問題。

3 結(jié)束語

總而言之，船舶艉軸承高溫的原因是多種多樣的，涉及的面也非常地廣，但通過系統(tǒng)地分析，有針對(duì)性的采取措施，所有的問題機(jī)率都將變?yōu)樽钚』１疚耐ㄟ^案例分析，從技術(shù)管理控制入手，解決船舶企業(yè)的實(shí)際問題，為船舶企業(yè)提供了參考。

[1] 周學(xué)良. 潤(rùn)滑油[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007.

[2] 中國船舶工業(yè)總公司. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè): 輪機(jī)分冊(cè)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2007.

[3] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì). CB/T3607-93, 尾軸與螺旋槳安裝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S]. 1993.

[4] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì). CB/Z338-2005, 船舶推進(jìn)軸系校中[S]. 2005.

[5] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì). CB/T4000-2005, 中國造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S]. 2005.

Cause and Improvement of High Temperature Wear For New Ship After Stern Tube Bearing

Zhou Lian-yu, Wang Jia-zheng, Liu Li-jun, Deng Zhi-qing
(Jinhai Heavy Industry Co., Zhoushan, 316291, China)

By analyzing high temperature alarm causes of the case of stern tube bearing during ship operation, this paper illustrates corresponding solutions and proposes improved methods, taking actual effects on improving shafting fitting quality for shipyard.

ship; stern tube bearing; wear causes; improvement

U664.21

A

1005-7560(2014)01-0049-05

周聯(lián)宇（1980-），男，工程師，研究方向：船舶推進(jìn)系統(tǒng)安裝設(shè)計(jì)。