船舶軸系中間軸承的探索與研究

李若騏 吳永紅 丁凱峰

摘要：推進(jìn)軸系作為船舶動(dòng)力裝備，其運(yùn)行的穩(wěn)定性及可靠性是保障船舶生命力的重要條件。中間軸承作為船舶推進(jìn)軸系的主要支承單元，其工作性能的好壞將直接影響艦船推進(jìn)動(dòng)力性能，進(jìn)而影響到艦船整體的推進(jìn)效率、可靠程度及使用壽命等服役性能。

關(guān)鍵詞：中間軸承；船舶軸系；探索研究

船舶軸系是船舶推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分，它把主機(jī)功率傳遞給推進(jìn)器，并把推進(jìn)器產(chǎn)生的推力傳遞給船體，以推進(jìn)船舶的航行。船舶軸系能否安全可靠的運(yùn)行工作，直接影響船舶安全航行及船員的生命力。 船舶軸系的狀態(tài)關(guān)系到船舶推進(jìn)動(dòng)力裝置的可靠性，因此是船舶設(shè)計(jì)、制造與使用管理的重要內(nèi)容。在船舶建造時(shí)，船舶軸系安裝質(zhì)量及軸承負(fù)荷的合理分布決定了軸系工作的可靠性。

1 中間軸承的結(jié)構(gòu)說(shuō)明

目前大多數(shù)船舶的中間軸承采用白合金的滑動(dòng)軸承。我國(guó)滑動(dòng)式中間軸承結(jié)構(gòu)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。某輪屬于尾機(jī)型船舶，屬于剛性軸，即僅有一根中間軸聯(lián)接到螺旋槳。該輪采用了固定油盤式中間軸承。此種中間軸承適用于中間軸工作軸頸圓周線速度在3一10m/s范圍內(nèi)的大型船舶上。軸承座內(nèi)裝有軸瓦和套在中間軸上的圓盤（即油盤），油盤有徑向斜凹槽。油盤下部浸在軸承座底部的油槽中。當(dāng)中間軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，油槽中的潤(rùn)滑油被圓盤（儲(chǔ)存在徑向斜凹槽內(nèi)）帶至上部鋁合金分油盤中，對(duì)軸頸和軸瓦進(jìn)行潤(rùn)滑，然后再流回到油槽中去?；跐?rùn)滑的重要性，每次機(jī)艙巡回檢查應(yīng)查看分油盤上的油量及油的顏色，若量少應(yīng)加入適量潤(rùn)滑油。油槽內(nèi)設(shè)有蛇形冷卻水管，引入弦外海水冷卻油槽中熱的回油。

2 滑動(dòng)軸承與滾動(dòng)軸承的比較

滾動(dòng)軸承包括球軸承和滾子軸承，設(shè)計(jì)滾動(dòng)式中間軸承往往要比設(shè)計(jì)滑動(dòng)式中間軸承容易得多，因?yàn)樗恍韪鶕?jù)所需設(shè)計(jì)的中間軸承軸徑和轉(zhuǎn)速以及載荷從軸承樣本上選擇合理的軸承，再根據(jù)所選軸承設(shè)計(jì)出軸承的殼體就可以了。對(duì)于載荷和轉(zhuǎn)速不太苛刻的許多應(yīng)用場(chǎng)合，滾動(dòng)軸承能更適應(yīng)于油脂填充的密封結(jié)構(gòu)工作，在整個(gè)使用期內(nèi)不需要或很少需要再加油脂和維護(hù)。因?yàn)闆]有什么磨損表面要修復(fù)，所以若有備用的滾動(dòng)軸承更換就很方便，同時(shí)滾動(dòng)軸承的摩擦系數(shù)要比滑動(dòng)軸承小得多。但是，滾動(dòng)式中間軸承的中間軸至少有一端是可拆聯(lián)軸節(jié)。

滑動(dòng)式中間軸承是目前船舶上用得較多的中間軸承，即使是最新型的滑動(dòng)軸承也比滾動(dòng)軸承容易更換，特別是由于大多數(shù)滑動(dòng)軸承都容易做成剖分式結(jié)構(gòu)，故不需移動(dòng)中間軸就可以將它們拆卸?；瑒?dòng)軸承的承載能力可以比滾動(dòng)軸承大很多，也適合在較高轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)?；瑒?dòng)軸承傾向于逐漸地磨損，而不會(huì)沒有預(yù)兆就突然損壞?，F(xiàn)在的滑動(dòng)式中間軸承設(shè)計(jì)時(shí)都安裝了溫度傳感器或表盤式溫度計(jì)，可以對(duì)中間軸承軸瓦的工作溫度和潤(rùn)滑油溫度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，一旦出現(xiàn)軸瓦溫度和潤(rùn)滑油溫度偏高或燒瓦現(xiàn)象就可以立即分析原因，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行解決?；瑒?dòng)式調(diào)心中間軸承現(xiàn)在在船舶行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。調(diào)心中間軸承軸瓦采用球體結(jié)構(gòu)，可以在軸承殼體內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，這降低了軸承的安裝要求。但是由于軸瓦和軸承殼體的配合為球面配合，故其對(duì)軸瓦和殼體的加工要求比以前更高了，加工難度也比以前大。軸承的冷卻是通過(guò)冷卻盤管的熱交換來(lái)進(jìn)行的，冷卻盤管是由B10鎳銅管彎曲制成，這就減少了冷卻海水對(duì)軸承殼體的腐蝕。

3 滑動(dòng)式中間軸承冷卻性能分析

熱器的數(shù)值分析方法在國(guó)外已經(jīng)發(fā)展了四十余年。1972年，英國(guó)學(xué)者S.V.Patankar和D.B.Spalding最先將CFD（ComputationalFluidDynamics，CFD）方法應(yīng)用在實(shí)際的管殼式換熱器中，研究了換熱器殼側(cè)無(wú)相變時(shí)的流體流動(dòng)與傳熱過(guò)程。受當(dāng)時(shí)條件的限制，他們提出分布式阻力的概念以表征殼程處固體表面對(duì)流體流動(dòng)的影響，并提出體積多孔度概念，形成簡(jiǎn)化了的換熱器流動(dòng)和傳熱數(shù)學(xué)模型。這種處理方法在簡(jiǎn)化了換熱器復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還保留了使用微分方程描述殼程式流體流動(dòng)與傳熱的優(yōu)點(diǎn)，第一次以數(shù)值模擬的方法對(duì)管殼式換熱器殼程流場(chǎng)進(jìn)行分析。2001年MichaelSchafer和IlkaTeschauer研究了一種基于塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的專門用于計(jì)算復(fù)雜幾何體流固耦合問(wèn)題的多重有限容積法。該方法采用了基于壓力修正的非線性多重網(wǎng)格法，因此精度較高。后來(lái)，研究者針對(duì)這種算法做了一系列的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。近年來(lái)，F(xiàn)abienWlassow和FlorentDuchaine研究了高壓汽輪機(jī)內(nèi)部葉片的流固耦合傳熱問(wèn)題。該研究將流動(dòng)的Navier-Stokes求解器和固體導(dǎo)熱的求解器進(jìn)行耦合，預(yù)測(cè)葉片的溫度場(chǎng)分布，通過(guò)對(duì)比數(shù)值分析的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明數(shù)值分析的準(zhǔn)確性。EnderOzden和IlkerTarl研究了管殼式換熱器的傳熱問(wèn)題，對(duì)比一階、二階離散方法、不同湍流模型及兩種網(wǎng)格密度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。P.Rollet-Miet，D.Laurence和J.Ferzige開發(fā)了LES（LargeEddySimulation，LES）的有限元程序，對(duì)柵格湍流、通道流及管束的交叉流進(jìn)行了計(jì)算，最后與Simonin和Barcouda的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證對(duì)于以上流動(dòng)問(wèn)題LES比RANS（ReynoldsAveragedNavier—Stokes，RANS）具有更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)性。NasserGhorbani，HessamTaherian及MofidGorji等做了許多實(shí)驗(yàn)來(lái)研究管徑、盤管間距、殼程與管程質(zhì)量流率對(duì)換熱器換熱性能的影響，實(shí)驗(yàn)包括了盤管層流及湍流流動(dòng)問(wèn)題。同時(shí)，研究人員計(jì)算了換熱器的穩(wěn)態(tài)換熱問(wèn)題。結(jié)果表明，殼程與管程質(zhì)量流率對(duì)換熱器軸向溫度分布有顯著影響。

國(guó)內(nèi)也有許多研究人員應(yīng)用CFD法研究流固耦合的流動(dòng)及傳熱問(wèn)題。近年來(lái)，姜培學(xué)、柯道友、任澤霈等對(duì)有內(nèi)熱源的耦合換熱問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值求解，得到了物體內(nèi)的最高溫度分別在直角坐標(biāo)系和貼體坐標(biāo)系下的變化規(guī)律。李隆鍵，黃旭方把有源液池內(nèi)的自然對(duì)流和冷卻盤管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流的傳熱進(jìn)行耦合研究，給出換熱系數(shù)的變化的曲線，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。駱清國(guó)，劉紅彬，龔正波等對(duì)柴油機(jī)氣缸蓋的流固耦合傳熱問(wèn)題進(jìn)行了分析，得到了額定工況下冷卻水的流場(chǎng)、缸蓋溫度場(chǎng)以及耦合面的溫度分布圖。陳紅巖，李迎，李孝祿對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞組-缸套-冷卻水-機(jī)體之間耦合傳熱的問(wèn)題進(jìn)行了研究，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況下的換熱情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了耦合系統(tǒng)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)。最后對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到數(shù)值計(jì)算合理的結(jié)論。Jian-FeiZhang，Ya-LingHe，Wen-QuanTao等對(duì)中度折疊螺旋折流板管殼式換熱器的換熱性能進(jìn)行了數(shù)值仿真及實(shí)驗(yàn)研究。該研究計(jì)算了換熱器的殼程壓力場(chǎng)與溫度場(chǎng)，對(duì)比了整個(gè)換熱器的平均Nu數(shù)、整體壓降的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及不同循環(huán)的平均Nu數(shù)的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在工程精度允許的范圍內(nèi)，仿真結(jié)果能有效地預(yù)測(cè)該型換熱器的換熱特性。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，針對(duì)于船舶軸系的研究和應(yīng)用需要結(jié)合實(shí)際情況，經(jīng)過(guò)縝密的分析和選擇，設(shè)計(jì)和采用成本較低、維護(hù)和操控過(guò)程中消耗較少、對(duì)操作和維護(hù)人員技術(shù)要求不高、安裝和維護(hù)都方便簡(jiǎn)單、性能可靠的中間軸承來(lái)用于承受船舶中間軸系負(fù)荷?？偠灾?，船舶軸系中間軸承的設(shè)計(jì)和選用需要根據(jù)具體情況而定，如果出現(xiàn)什么問(wèn)題可以請(qǐng)教軸承制造廠的相關(guān)人員。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳樂東.一起中間軸承異常漏油故障原因分析[J].航海技術(shù)，2011（05）.

[2] 張力.船用滑動(dòng)式中間軸承潤(rùn)滑及冷卻性能耦合分析研究[D].華中科技大學(xué)，2015.

（作者單位：江蘇南極機(jī)械有限責(zé)任公司）