船舶艉管后軸承高溫分析及防范

陳繼康

(中船澄西船舶修造有限公司,江蘇 江陰 214400)

船舶艉管后軸承高溫分析及防范

陳繼康

(中船澄西船舶修造有限公司,江蘇 江陰 214400)

針對(duì)近年來(lái)在建船舶屢次發(fā)生艉管后軸承高溫，導(dǎo)致主推進(jìn)系統(tǒng)無(wú)法正常工作的情況，以發(fā)生后軸承高溫問(wèn)題的船舶為研究對(duì)象，從軸系設(shè)計(jì)、軸系安裝校中及后期調(diào)試、艉管滑油選用、船舶吃水及淺水效應(yīng)等方面進(jìn)行分析，從而找到相應(yīng)的防范措施。

軸系；艉軸管；后軸承；軸承高溫

0 引言

船舶艉管后軸承是大型船舶封閉式艉管的組成部分之一，其任務(wù)是支撐艉軸(也稱作螺旋槳軸)，使其可靠地通出船外。艉管后軸承承擔(dān)著艉軸與螺旋槳的靜態(tài)負(fù)荷及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)負(fù)荷，工作狀況較為惡劣。軸承在艉管內(nèi)與艉軸以及首尾密封構(gòu)成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立密閉且填充合適潤(rùn)滑油的腔體，腔體外側(cè)是艉管冷卻水艙。其工作原理是：當(dāng)主機(jī)帶動(dòng)艉軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，艉軸與艉軸承之間形成了楔形空間，在這個(gè)楔形空間里，潤(rùn)滑油被擠壓后形成一定壓力的油膜介于軸與軸承之間，避免了軸與軸承發(fā)生直接接觸產(chǎn)生干磨擦，同時(shí)潤(rùn)滑油帶走軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的熱量，與艉管冷卻水艙里的淡水交換熱量，以確保軸與軸承之間的溫度保持在合適的范圍內(nèi)。一旦軸與軸承之間的油膜遭到破壞或油膜建立不好，軸與軸承之間就會(huì)產(chǎn)生干磨擦，導(dǎo)致接觸部位局部溫度升高。當(dāng)溫度達(dá)到后軸承材料巴氏合金的許用溫度100 ℃時(shí)，軸承表面的合金就會(huì)遭到破壞，產(chǎn)生金屬碎片，使摩擦進(jìn)一步加劇，溫度急劇升高，導(dǎo)致艉軸咬死等故障發(fā)生。

近年來(lái)，長(zhǎng)江沿線船廠的在建船舶發(fā)生過(guò)不同程度的艉管后軸承高溫故障，而一旦發(fā)生這樣的問(wèn)題，船舶就需要進(jìn)塢修理，更換軸承，軸系重新進(jìn)行校中，主機(jī)重新定位安裝。其修理費(fèi)用一般要在200萬(wàn)左右，同時(shí)使船舶建造周期延長(zhǎng)，船廠面臨著合同違約的風(fēng)險(xiǎn)。

目前，引起艉管后軸承高溫的原因主要?dú)w納為軸系設(shè)計(jì)、軸系安裝校中、環(huán)保生物油、船舶吃水及淺水效應(yīng)等。

針對(duì)船舶艉管后軸承高溫這一現(xiàn)象，本文首先從軸系設(shè)計(jì)上對(duì)比三軸承設(shè)計(jì)和兩軸承設(shè)計(jì)的變化和特點(diǎn)，以及兩者發(fā)生艉管后軸承高溫現(xiàn)象的概率；其次針對(duì)傳統(tǒng)的軸系安裝工藝，船廠在解決艉管后軸承高溫問(wèn)題的實(shí)踐過(guò)程中需要采取的具體措施與方法；再則針對(duì)使用環(huán)保生物油造成艉管軸承高溫問(wèn)題，船廠可采取的措施；最后分析船舶在試航過(guò)程中，為避免問(wèn)題發(fā)生所采取的措施，以及在發(fā)生艉管軸承高溫現(xiàn)象后，應(yīng)當(dāng)采取的控制措施。

1 軸系設(shè)計(jì)

根據(jù)美國(guó)船級(jí)社(ABS)對(duì)某船廠26艘在建船的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，艉管后軸承發(fā)生高溫或損壞的16艘船舶中，13艘船沒(méi)有設(shè)置艉管前軸承；沒(méi)有發(fā)生問(wèn)題的10艘船舶中，9艘設(shè)置了艉管前軸承。由此可以初步判定，配有前軸承的艉管發(fā)生軸承高溫故障概率相對(duì)較低。

軸系設(shè)計(jì)一般采用三軸承設(shè)計(jì)，即設(shè)置艉管后軸承、艉管前軸承及中間軸承，其布置圖如圖1所示。隨著設(shè)計(jì)方法的提高、經(jīng)驗(yàn)的積累和商業(yè)化的需求，在保證船舶總長(zhǎng)度不變的情況下，為減小機(jī)艙的尺度以增加貨艙艙容，逐步簡(jiǎn)化為雙軸承設(shè)計(jì)，僅有艉管后軸承和中間軸承，取消了艉管前軸承，其布置圖如圖2所示。

雙軸承設(shè)計(jì)存在問(wèn)題如下：

(1)后軸承負(fù)荷偏大。由于沒(méi)有了前軸承，導(dǎo)致后軸承的負(fù)荷更容易受到中間軸承偏移量的影響，使后軸承負(fù)荷偏大。

(2)后軸承與艉軸的貼合程度不易把握。由于后軸承留有一定的設(shè)計(jì)裕度，因而即便負(fù)荷超出一些，也不是很致命的問(wèn)題。但是如果艉軸與后軸承貼合度不好的話，極易導(dǎo)致后軸承負(fù)荷分布不均勻，從而在局部產(chǎn)生超出軸承許用負(fù)荷的情況，使軸承油膜無(wú)法建立，發(fā)生干磨擦，產(chǎn)生高溫?fù)p壞。

針對(duì)上述問(wèn)題，目前已對(duì)雙軸承設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化處理：即對(duì)艉管后軸承斜度進(jìn)行雙斜度處理，其處理方案如圖3所示。通過(guò)這種方法來(lái)提高艉軸與后軸承的貼合度，增加接觸面積，使得軸承的負(fù)荷較為均勻地分布，避免局部負(fù)荷過(guò)重的情況出現(xiàn)。

2 軸系安裝校中及后期調(diào)試

由于雙軸承設(shè)計(jì)有別于傳統(tǒng)的三軸承設(shè)計(jì)，使得中間軸承的偏移對(duì)艉管軸承負(fù)荷影響比較大，增加了軸系的安裝精度要求，因此為提高校中的精度，需要采取以下措施：

(1)加強(qiáng)設(shè)備的入庫(kù)檢驗(yàn)。對(duì)艉管軸承或艉管總成，應(yīng)側(cè)重對(duì)艉管軸承斜率的測(cè)量，保證外購(gòu)艉管軸承斜率的正確性。

(2)加強(qiáng)工裝設(shè)備的檢驗(yàn)，保證激光儀、鏜排等測(cè)試、加工設(shè)備精度。

(3)艉管軸承壓入前，增加激光望光軸線檢驗(yàn)，檢查艉管軸承、艉管的同心度，消除因?yàn)殓M排撓度對(duì)鑄鋼件的加工精度。

(4)艉管軸承壓入過(guò)程中，核實(shí)艉管軸承的壓入力。壓入后，增加激光望光對(duì)軸線進(jìn)行復(fù)檢，確認(rèn)艉管軸承的同心度及艉管斜率。

(5)按照校中計(jì)算書(shū)用千斤頂頂升法測(cè)量中間軸承及其他軸承負(fù)荷，確保整個(gè)軸系總的靜負(fù)荷滿足校中計(jì)算書(shū)的要求，從而估算出艉管后軸承的實(shí)際負(fù)荷是否在軸承許用負(fù)荷之內(nèi)。如有條件，可以采用應(yīng)變片測(cè)量的方法，檢測(cè)艉管后軸承的負(fù)荷分布情況。

(6)系泊試驗(yàn)和航行試驗(yàn)過(guò)程中，要密切監(jiān)視軸承的溫度變化情況。正常情況下，軸承溫度值約為40 ℃，其高溫報(bào)警設(shè)定為60 ℃。

(7)增加艉軸與艉管后軸承的磨合時(shí)間。一般情況下，主機(jī)進(jìn)行系泊試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間較短，艉軸與后軸承尚未充分磨合，因此需要在船舶試航前運(yùn)行主機(jī)50 h左右，以便于艉軸與后軸承充分磨合。

3 艉管滑油的選用

2013年前，船舶艉管潤(rùn)滑油采用的石油均為提煉的礦物油。美國(guó)環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)(EPA)于2013年發(fā)布了商用船舶進(jìn)入美國(guó)水域的船舶排放標(biāo)準(zhǔn)(VGP)，規(guī)定進(jìn)入美國(guó)海域的船舶必須使用環(huán)保生物油以滿足VGP的要求。

自從環(huán)保生物油作為艉管潤(rùn)滑油使用以來(lái)，艉管后軸承出現(xiàn)高溫問(wèn)題的頻率較高。盡管目前沒(méi)有足夠的證據(jù)來(lái)證明使用環(huán)保生物油的船舶艉管后軸承易發(fā)生高溫問(wèn)題，但是從幾家船廠調(diào)研的情況來(lái)看，使用環(huán)保生物油的船舶大多發(fā)生此類問(wèn)題。

采用環(huán)保生物油易導(dǎo)致艉管后軸承發(fā)生高溫問(wèn)題，采用礦物油則滿足不了美國(guó)環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)(EPA)的要求，為解決這一問(wèn)題，可將原來(lái)傳統(tǒng)的油封形式改為氣封形式，其模型圖如圖4所示。

這種空氣式密封的原理是在尾密封的第2道骨架密封和第3道骨架密封之間充滿壓縮空氣，取代傳統(tǒng)的潤(rùn)滑油。即使壓縮空氣的壓力大于第1道和第2道骨架密封之間的海水壓力，向海水中滲漏的是壓縮空氣而不是滑油，因此船舶艉管仍可以采用礦物油潤(rùn)滑而不必?fù)?dān)心礦物油發(fā)生泄漏造成污染的問(wèn)題。

4 船舶吃水及淺水效應(yīng)

船舶吃水較淺的情況下，當(dāng)1/3螺旋槳槳葉露

出水面時(shí)，推力偏心點(diǎn)會(huì)下移，由第1象限移至第4象限。這就意味著，垂直方向上的彎矩將由向上變?yōu)橄蛳隆＿@顯然會(huì)加重艉管后軸承上的負(fù)荷，支點(diǎn)處的相對(duì)轉(zhuǎn)角也會(huì)隨之增加，還會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷更加集中于艉管后軸承的后端，邊緣載荷增大，極易加大艉管后軸承發(fā)生高溫故障的風(fēng)險(xiǎn)。

此外，船舶在吃水較深而航道水深相對(duì)較淺時(shí)，此時(shí)船底距河床距離較小，底部水流相對(duì)較快，流壓相對(duì)變小，船舶航行時(shí)會(huì)發(fā)生吸底的現(xiàn)象，同樣也會(huì)增大艉軸及后軸承的負(fù)荷，加大后軸承發(fā)生高溫故障的風(fēng)險(xiǎn)。

由于長(zhǎng)江沿線船廠的地理?xiàng)l件所限，船舶試航時(shí)會(huì)遇到航道較淺而不得不減少船舶吃水的情況，此時(shí)，需要注意降低主機(jī)的速度，減小螺旋槳淺水效應(yīng)，控制操舵的角度以減小艉軸與后軸承的附加負(fù)荷，從而確保艉軸與后軸承的實(shí)際負(fù)荷仍在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。

試航過(guò)程中，如果發(fā)生后軸承高溫的情況，此時(shí)需結(jié)合航道或海面的情況，采取主機(jī)降速至微速前進(jìn)或停車，就近找到錨地拋錨后，立即將艉管中的環(huán)保生物油更換為礦物油，以確保船舶的安全。

鑒于使用礦物油的實(shí)際使用效果要遠(yuǎn)好于使用環(huán)保生物油的效果，近年來(lái)，一些船廠同船東商量使用礦物油出海試航，在完成所有試驗(yàn)項(xiàng)目后，在海上更換成環(huán)保生物油返航。經(jīng)實(shí)航證明，能夠確保艉管后軸承正常工作。

5 結(jié)語(yǔ)

鑒于艉管后軸承的高溫問(wèn)題直接影響到船舶的主推進(jìn)系統(tǒng)，為避免此類問(wèn)題的發(fā)生提出以下建議：

(1)對(duì)于設(shè)計(jì)已經(jīng)定型的船舶，根據(jù)其建造程度的不同，更換密封形式的方案為首選。如果船舶已經(jīng)開(kāi)工或下水，則需要在系泊試驗(yàn)時(shí)增加主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間以使艉軸與后軸承充分磨合，或使用礦物油出海試航，待試航結(jié)束后再換成環(huán)保生物油。

(2)對(duì)于處于設(shè)計(jì)初期的船舶，則可以考慮增加艉管前軸承，以分擔(dān)后軸承的負(fù)荷，或采用雙斜度的后軸承，以改善后軸承負(fù)荷的分布情況。

(3)改進(jìn)軸系校中工藝，以提高對(duì)中精度。

(4)船舶試航時(shí)需要根據(jù)航道的情況，盡量在潮水水位高時(shí)通過(guò)淺水航道，且主機(jī)慢車通過(guò)以減小淺水效應(yīng)。

船廠在采取了上述部分措施之后，2016年以來(lái)艉管后軸承高溫的問(wèn)題已經(jīng)得到有效的控制。

[1] 黃恒祥. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)：輪機(jī)分冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

[2] 應(yīng)長(zhǎng)春.船舶工藝技術(shù)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2010.

2017-01-23

陳繼康(1976—)，男，工程師，從事船舶與海洋工程研究。

U664.21

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