大型集裝箱船軸系高溫故障分析和對策

王樹寶

(揚(yáng)州中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司， 江蘇 揚(yáng)州 225211)

0 引 言

隨著世界貿(mào)易全球化的進(jìn)程不斷加快，船舶呈現(xiàn)出大型化的發(fā)展趨勢。在船舶大型化發(fā)展過程中，軸系校中問題逐漸引起業(yè)界的關(guān)注，給船舶建造行業(yè)帶來巨大挑戰(zhàn)。軸系高溫?fù)p壞事故在系泊試驗、航行試驗和船舶實際運(yùn)營過程中時有發(fā)生，會給船舶帶來巨大影響。特別是超大型油船(Very Large Crude Carrier, VLCC)和大型集裝箱船等大型船舶，一旦發(fā)生軸系高溫故障，將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本文結(jié)合某大型集裝箱船在運(yùn)營期間發(fā)生的軸系高溫故障，詳細(xì)分析該故障發(fā)生的原因，介紹軸系優(yōu)化的過程，為處理大型集裝箱船的軸系高溫故障，降低軸系設(shè)計和安裝方面的風(fēng)險提供一定的參考。

1 軸系高溫故障情況

在建造某大型集裝箱船期間對其進(jìn)行系泊試驗和航行試驗，艉軸正常運(yùn)轉(zhuǎn)。該船投入運(yùn)營3個月之后，在滿載、主機(jī)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的工況下運(yùn)行時，駕駛員操作的舵角超過右舵15°，出現(xiàn)艉軸承溫度升高到55 °C左右的情況。此時船長立刻發(fā)出減速航行指令，并避免大舵角操作。在該船后續(xù)運(yùn)行過程中，其艉軸承的溫度緩慢上升，船員密切關(guān)注艉軸承溫度的變化趨勢。輪機(jī)長在船舶?？看a頭時將采集的艉軸承滑油送至檢測公司檢測，發(fā)現(xiàn)艉軸滑油中的金屬成分超標(biāo)，由此判斷艉軸承可能已被燒蝕。

2 軸系布置情況

該船為13 000 TEU集裝箱船，機(jī)艙布置在中艉部，由1臺低速柴油機(jī)、2根中間軸、1根艉軸和1個固定式螺距共同組成單機(jī)單槳單軸系的驅(qū)動系統(tǒng)。軸系總長約35.5 m，中間設(shè)有2個中間軸承和艉軸前后軸承作為支撐。艉軸總長13 131 mm，直徑910 mm。艉軸管和艉軸前后密封組成一個完整的密封空間，使艉軸運(yùn)轉(zhuǎn)時與艉軸前后軸承接觸的地方浸沒在艉軸滑油中。

3 導(dǎo)致艉軸發(fā)生高溫故障的根本因素

首先分析導(dǎo)致艉軸發(fā)生高溫故障的根本因素。在正常狀態(tài)下，艉軸與軸承之間存在合理的軸承間隙，間隙中充滿艉軸滑油。在艉軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，軸承間隙中的艉軸滑油會被擠壓并產(chǎn)生反作用力，由于艉軸滑油本身帶有一定的黏度，使得艉軸與軸承之間形成一層油膜。在理想狀態(tài)下，艉軸與軸承并不發(fā)生直接摩擦，而是懸浮在油膜上面。油膜受到擠壓會產(chǎn)生一定的熱量，這些熱量可通過艉軸冷卻艙中的冷卻水或其他方式傳導(dǎo)出去，保持艉軸溫度在一個相對穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)。因此，有效建立油膜是控制艉軸溫度的關(guān)鍵。

艉軸與軸承之間的油膜能否成功建立主要取決于以下2個因素：

1) 艉軸與軸承之間存在的軸承間隙。合理的軸承間隙有助于在艉軸與軸承之間形成一個適當(dāng)?shù)男ㄐ慰臻g。艉軸在運(yùn)轉(zhuǎn)時，其滑油會因自身的黏度在該楔形空間內(nèi)建立起油膜。當(dāng)該楔形空間過大時，由于黏度的關(guān)系，滑油的重力會大于附著力，使油膜無法附著在軸徑表面，導(dǎo)致油膜建立失??；當(dāng)該楔形空間過于狹小時，滑油的存量比較少，不足以建立油膜。

2) 單位面積艉軸承上承受的壓力。在保證軸承間隙正常的情況下，艉軸通?？筛≡谟湍ど限D(zhuǎn)動，但可能會因艉軸向下的力過大而導(dǎo)致油膜不能承受該壓力，使艉軸與軸承直接摩擦。隨著船舶日益大型化，螺旋槳和艉軸的質(zhì)量都在不斷增加，導(dǎo)致軸承載荷過大，當(dāng)軸承后端的局部載荷超過軸承所能承受的極限時，會加速軸承磨損和失效，進(jìn)而縮短軸系的使用壽命。由于艉軸后端螺旋槳的質(zhì)量過大，使得艉軸有一定的形變，艉軸中心線與艉軸管中心線不再平行，而是存在一定的角度。通過斜鏜孔只改變艉管后軸承的中心線，使其與變形后的艉軸中心線平行，由此增大艉管后軸承的接觸面積，減小單位面積艉軸承上承受的壓力。中國船級社規(guī)定，在艉管后軸承支點(diǎn)處，螺旋槳軸與艉管后軸承的相對傾角在靜態(tài)下一般不超過3.5×10-4rad。

4 艉軸高溫故障產(chǎn)生的原因

導(dǎo)致該船油膜建立失敗的主要原因是上述2個因素中至少有1個不能達(dá)到要求。首先核對單位面積艉軸承上承受的壓力是否過大。在熱態(tài)時采用頂舉法對整個軸系中各軸承的負(fù)荷進(jìn)行復(fù)測。1號中間軸和2號中間軸的復(fù)測結(jié)果在可接受的范圍內(nèi)，艉管前軸承的負(fù)荷比計算值小。通過計算得出艉管后軸承后端的負(fù)荷超出了軸系校中計算書的要求。

隨后核查軸承間隙。船舶進(jìn)塢之后第一時間對其軸承間隙進(jìn)行測量。實測軸承間隙為2.90 mm；根據(jù)原軸系校中計算書的要求，軸承間隙應(yīng)為1.40 mm，而在建造安裝時測得的數(shù)據(jù)為1.45 mm。通過對測量結(jié)果進(jìn)行對比可預(yù)測艉軸承會有較大的磨損。該預(yù)測在拆船之后得到驗證，艉軸承后端有較大的磨損(見圖1)。

由測量結(jié)果和軸承燒蝕的部位可知：艉管后軸承后端單位面積上承受的壓力過大。為查找艉管后軸承負(fù)載過大的原因，對艉管后軸承的安裝精度進(jìn)行復(fù)測。該船的艉管后軸承設(shè)計有一定的傾角(見圖2)，艉管后軸承傾斜角度為雙斜率。艉軸后端有一個傾斜角度，使艉軸中心線更能與軸承中心線平行，使軸承后端受力更加均勻。在抽出艉軸之后對軸系的中心線進(jìn)行精準(zhǔn)復(fù)測，主要復(fù)測艉管后軸承的傾角是否符合規(guī)范和軸系校中計算書的要求。實際復(fù)測之后發(fā)現(xiàn)艉管中心線垂直方向偏差1.37 mm,水平方向偏差0.52 mm。艉管后軸承的傾角只有0.260 mm/m，既不滿足0.375 mm/m的規(guī)范設(shè)計要求，也不滿足0.350 mm/m的規(guī)范要求。由此可判斷艉管后軸承并不能與設(shè)計一樣很好地貼合艉軸，軸承負(fù)荷集中在后部，導(dǎo)致艉管后軸

圖1 艉軸承磨損情況

承發(fā)生磨損。但是，艉管后軸承后部還有一個傾角，對整個艉管后軸承的傾角進(jìn)行補(bǔ)充，使整個艉管后軸承的負(fù)荷不是集中在最后端，而是在最后端靠前一點(diǎn)的折角位置。這樣可解釋：在最初系泊試驗和航行試驗階段，因航行狀態(tài)比較好，螺旋槳負(fù)荷較小，軸系沒有發(fā)生故障；在正常運(yùn)營期間，因為船舶裝載情況不同，或海況較為惡劣，艉軸和螺旋槳有時會高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),使艉軸承上的油膜沒有建立或沒有完全建立起來，導(dǎo)致艉軸與軸承之間處于邊界潤滑或混合潤滑狀態(tài)，最終導(dǎo)致艉軸發(fā)生高溫故障。

5 解決方案

1) 根據(jù)軸承磨損的位置給出優(yōu)化建議。通過建模對整個艉管后軸承的受力情況進(jìn)行分析，建議增大艉管后軸承的傾角，使軸承載荷均勻分布。圖3為優(yōu)化后的艉軸承設(shè)計圖，傾角由原來的0.375 mm/m增大到0.460 mm/m；對后部雙斜率的位置進(jìn)行加長處理，使雙斜率傾角在過渡時更加合理。圖4為原軸系中各軸承負(fù)載示意，圖5為優(yōu)化后的艉軸負(fù)載示意。由圖4和圖5可知，原設(shè)計艉管后軸承的負(fù)載主要集中在艉管后軸承最后端，優(yōu)化后的艉管后軸承負(fù)載的分布比較均勻。

圖2 原艉管后軸承設(shè)計圖

圖3 優(yōu)化后的艉軸承設(shè)計圖

圖4 原軸系中各軸承負(fù)載示意

圖5 優(yōu)化后的艉軸負(fù)載示意

2) 對艉管后軸承安裝后的傾角進(jìn)行精準(zhǔn)復(fù)測。整個艉管的鏜孔精度必須得到保證。在鏜孔之前必須確認(rèn)鏜排安裝的位置，最重要的是確認(rèn)鏜桿的中心線與艉管的理論中心線重合。當(dāng)前比較先進(jìn)的鏜排的鏜桿多是空心的，若不是空心的，可在鏜桿兩端的中心上安裝光靶。將照光時確定的艉軸中心線作為參照，調(diào)整鏜桿前后光靶，使之與艉軸中心線重合。在安裝艉管后軸承之前要對鏜孔結(jié)果進(jìn)行復(fù)測，若有偏差，可在安裝艉管后軸承時進(jìn)行修正，確保艉管后軸承安裝之后的傾角滿足設(shè)計和規(guī)范的要求。

安裝艉軸承之后重新對軸系進(jìn)行校中，確定中間軸承的高度和主機(jī)的位置。校中分為軸系安裝和負(fù)荷測量，校中時船舶應(yīng)處于漂浮狀態(tài)。軸系校中計算書一般將螺旋槳的浸沒狀態(tài)分為50%浸沒、75%浸沒和全浸沒等3種。根據(jù)不同的浸沒狀態(tài)和軸系合理校中工藝給出的各法蘭的開口及偏移值進(jìn)行軸系安裝。該船在安裝軸系時設(shè)有3個臨時支撐，具體位置見圖6中的TS，從螺旋槳往前分別定義為TS3、TS2和TS1。首先施加一個向下的50 kN的力，通過調(diào)整TS3和TS2的高度來確定2號中間軸承的位置。隨后將螺旋槳軸與2號中間軸連接起來，并撤掉施加在螺旋槳軸法蘭上的力和TS3支撐。保持TS2的位置不變，通過調(diào)節(jié)TS1的高度來保證2號中間軸前端法蘭與1號中間軸后端法蘭的開口和偏移值滿足軸系校中計算書的要求，以此確定1號中間軸承的位置。將2根中間軸連接起來之后與主機(jī)校中，通過調(diào)整主機(jī)的位置使飛輪與中間軸法蘭的開口和偏移值滿足軸系校中計算書的要求，這樣就可確定主機(jī)的位置。在中間軸承的高度和主機(jī)的位置都確定之后將軸系連接起來，至此軸系安裝完畢。

圖6 軸系校中示意

軸系安裝完畢之后，重新對軸承負(fù)荷進(jìn)行測量。當(dāng)船舶處于平浮狀態(tài)時，根據(jù)軸系校中計算書的要求，采用頂舉法對各軸承的負(fù)荷進(jìn)行測量，不同的螺旋槳浸沒狀態(tài)對應(yīng)不同的結(jié)果。分別在冷態(tài)和熱態(tài)下對軸承的負(fù)荷進(jìn)行測量，測量結(jié)果均符合軸系校中計算書的要求。當(dāng)軸系在冷態(tài)和熱態(tài)下的負(fù)荷都滿足軸系校中計算書的要求時，軸系校中結(jié)束。這里以螺旋槳全浸沒狀態(tài)為例進(jìn)行分析，實測數(shù)據(jù)見表1。

表1 軸系頂舉試驗數(shù)據(jù) 單位：kN

全部復(fù)裝完畢之后進(jìn)行航行試驗，艉軸溫度一直保持在40 ℃，軸系運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。試驗結(jié)果表明軸系優(yōu)化方案比較合理。

6 軸系安裝操作要點(diǎn)

1) 在軸系設(shè)計和校中計算階段，應(yīng)保證艉管軸承上各點(diǎn)的負(fù)荷均勻分布，防止艉管軸承由于制造和安裝等方面的原因造成同軸度不好，導(dǎo)致某個部位的軸承載荷過于集中。

2) 在艉管艉軸承精加工階段，應(yīng)充分考慮鏜排擾度對艉管加工精度的影響。在對艉管進(jìn)行精加工之后應(yīng)測量艉管鏜孔的尺寸，確認(rèn)艉管本體中心線的偏差情況。在對艉軸承外圓進(jìn)行加工時，應(yīng)考慮上述偏差情況，視情況對艉管中心線的偏差量進(jìn)行加工補(bǔ)償。在艉軸承安裝完畢之后，應(yīng)測量并計算艉軸承處的位移、直線度和斜度，驗證艉軸承相對于理論中心線的斜度。

3) 在軸系合理校中階段，必須對從艉部到艏部的各連接法蘭逐一進(jìn)行軸系校中，僅能調(diào)整前方的軸段。確認(rèn)軸系布置和臨時支撐的位置與軸系校中計算書的要求一致。根據(jù)螺旋槳的浸沒狀態(tài)選擇對應(yīng)的校中方案。在對軸系進(jìn)行校中的同時，測量主機(jī)基座的撓度、拐檔差和主機(jī)各軸承間隙，測量結(jié)果應(yīng)符合主機(jī)制造廠的要求。

4) 在使用軸系之前進(jìn)行充分磨合，在使用軸系過程中謹(jǐn)慎操作。新造船在試航期間或出廠之后應(yīng)在低負(fù)載、小舵角的情況下充分磨合；在正常運(yùn)營過程中，應(yīng)特別注意空載淺吃水、惡劣天氣等因素導(dǎo)致螺旋槳露出水面高速轉(zhuǎn)動的情況。

7 結(jié) 語

近年來，大型船舶軸系高溫故障頻發(fā)，軸系校中、安裝和軸承負(fù)荷計算成為研究的熱點(diǎn)。本文通過系統(tǒng)分析大型集裝箱船的軸系高溫故障，根據(jù)故障原因?qū)S系進(jìn)行了優(yōu)化，總結(jié)了各階段的操作要點(diǎn)，有助于將艉軸高溫故障風(fēng)險降到最低。