艉軸損壞原因及拂配檢驗(yàn)要點(diǎn)淺析

梁震

摘 要：本文結(jié)合案例，通過(guò)建立力學(xué)模型，對(duì)艉軸的受力情況進(jìn)行分析，提出導(dǎo)致艉軸裂紋產(chǎn)生的主要因素，同時(shí)論述艉軸裝船前包括加工、拂配等工藝的檢驗(yàn)要點(diǎn)，并提出防范措施。

關(guān)鍵詞：艉軸;裂紋;偏心;拂配

中圖分類號(hào)：U664.2 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2019）11-0085-02

裂紋是艉軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中常見(jiàn)的缺陷，當(dāng)裂紋未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)而繼續(xù)擴(kuò)展的話甚至?xí)?dǎo)致發(fā)生軸體斷裂，螺旋槳掉落的嚴(yán)重事故，嚴(yán)重的威脅船舶航行安全。裂紋產(chǎn)生的原因諸多，螺旋槳自重與自重偏心產(chǎn)生的載荷在很大程度上是其誘發(fā)的主因之一。

1 ?案例

某公司所屬的散貨船，從歐洲的某港口離港過(guò)程中發(fā)現(xiàn)主機(jī)正車轉(zhuǎn)速偏慢，隨后船舶到錨地停船測(cè)試，其異常情況未見(jiàn)好轉(zhuǎn)，當(dāng)時(shí)船員初步判定故障原因是螺旋槳在離碼頭倒車過(guò)程中被冰塊擊傷受損所致。

故障發(fā)生后，船東安排潛水員對(duì)本輪進(jìn)行了探摸，根據(jù)螺旋槳損壞情況，對(duì)螺旋槳進(jìn)行了兩次修邊切割，隨后投入運(yùn)營(yíng)。同時(shí)船東訂購(gòu)了新的螺旋槳，半年后船舶進(jìn)塢更換新槳，之后一切恢復(fù)正常。兩年后，船舶再次進(jìn)塢修理并進(jìn)行塢內(nèi)檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)艉軸錐部與螺旋槳槳轂接觸處前端有圓周方向的徑向裂紋，對(duì)裂紋進(jìn)行打磨后發(fā)現(xiàn)深度超過(guò)超過(guò)了規(guī)范要求的裂紋深度。為防止將來(lái)艉軸斷裂掉槳，造成重大事故，驗(yàn)船師建議更換艉軸，重新拂配。

2 ?原因分析

螺旋槳正常運(yùn)行過(guò)程中，本身自重及偏心會(huì)對(duì)艉軸產(chǎn)生的影響， 主要原因來(lái)自螺旋槳本身重力及螺旋槳重力偏心引起的慣性力。

2.1 ?力學(xué)模型分析

根據(jù)艉軸在船體上的安裝形式，可將螺旋槳艉軸段看成是等直徑平滑圓軸，艉軸的載荷簡(jiǎn)圖如圖1所示：

圖1 ?艉軸的載荷簡(jiǎn)圖

其中螺旋槳的自重視為一偏心距為e的集中載荷 G， F為螺旋槳的自重偏心所產(chǎn)生的慣性力，其大小為：

F=（Ge/g）（nπ/30）2[1] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中 g為重力加速度 （取9.8m/s2 ） ，ω為角速度，e為偏心距（mm），n為螺旋槳的轉(zhuǎn)速（r/m in）。

因此螺旋槳處艉軸所受的最大的力Fmax為

Fmax =G +F = G（1+en2π2/900g） ? ? ? ? （2）

兩者共同作用導(dǎo)致槳軸的推力中心會(huì)產(chǎn)生一定距離的偏移，從而產(chǎn)生一定的偏心彎矩，在螺旋槳未發(fā)生損壞情況下是正常允許的。

案例中船舶的螺旋槳在損壞后依舊運(yùn)行一段時(shí)間，此時(shí)運(yùn)行時(shí)螺旋槳的偏心距e將明顯增大，考慮艉軸的支承形式， 可將其簡(jiǎn)化為如圖2的力學(xué)模型，

圖2 ?艉軸變形圖

其撓度方程[2]為：

AB段

y=Fmax（l2-x2）/6EI ?（0≤x≤l） ? ? ? ? ? ? （3）

BC段

y=Fmax（x -l）[a（3x-l）-（x-l） 2/6EI ?（l≤x≤x+a） ? （4）

重點(diǎn)考慮BC段（即艉軸與螺旋槳連接端），其最大撓度ymax為：

y max = Fmax a2 （ l + a） /3E I ? （x=l+a） ? ? ? ?（5）

由公式（1）-（5）可得出，偏心距e對(duì)艉軸變形的影響是一種線性關(guān)系，其影響如圖3所示：

由圖3可以看出，隨著e的增大，ymax也增大，當(dāng)e達(dá)到某一值時(shí)，ymax將可能超過(guò)軸的許用撓度，加之轉(zhuǎn)速的提升使慣性力增大，相互作用之下使得艉軸發(fā)生損傷。

2.2 ?主要因素分析

（1）因槳葉損傷修補(bǔ)、割邊后打磨處理不當(dāng)， 加之生產(chǎn)時(shí)留下的工藝誤差， 經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用，使各槳葉傾角、螺距因時(shí)效作用發(fā)生變化，加之葉片受化學(xué)腐蝕、空泡氣蝕、磨損等影響呈現(xiàn)不均衡。這些均會(huì)造成螺旋槳重心與槳轂中心軸線的不重合，此時(shí)在螺旋槳自重和其產(chǎn)生的慣性力作用下， 使船舶在運(yùn)行過(guò)程中加劇軸系同軸承間的摩擦和振動(dòng)， 促使原來(lái)軸系在熱、冷生產(chǎn)工藝和加工過(guò)程中就存在的客觀尺寸裂紋和內(nèi)部的微觀缺陷（如較大的非金屬夾渣、縮孔、氣孔、焊接缺陷等）[3] ， 進(jìn)一步發(fā)展成宏觀裂紋。

（2）船東在更換新槳時(shí)的拂配不到位，加劇了由偏心距e產(chǎn)生的慣性力對(duì)艉軸承負(fù)載產(chǎn)生的影響， 交變應(yīng)力的作用使軸系運(yùn)行極不穩(wěn)定， 軸承和軸頸的磨損加劇，最終造成軸系的工作環(huán)境進(jìn)一步惡化。加之軸和軸承表面存在細(xì)裂紋， 在應(yīng)力作用下極易導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展， 最終產(chǎn)生疲勞破壞斷裂。

3艉軸裝船前檢驗(yàn)

由于艉軸裂紋深度已超過(guò)規(guī)范要求的范圍，需要更換新的艉軸。按照設(shè)計(jì)圖紙，尋找滿足要求的原材料，經(jīng)機(jī)械加工、產(chǎn)品檢驗(yàn)后形成成品，經(jīng)銅套鑲嵌、軸槳拂配，法蘭鉸孔，涂層涂裝等工藝后上船安裝使用。

3.1 ?艉軸加工

根據(jù)艉軸設(shè)計(jì)圖紙，由配套廠提供滿足要求的毛坯件（提供檢驗(yàn)報(bào)告和產(chǎn)品證書(shū)），加工廠按圖對(duì)毛坯件進(jìn)行機(jī)械加工，并對(duì)加工后的艉軸尺寸和精度進(jìn)行檢驗(yàn)，滿足圖紙及規(guī)范要求后對(duì)艉軸進(jìn)行磁粉或著色表面探傷檢查，最后應(yīng)在艉軸顯眼位置使用鋼印打上船檢標(biāo)識(shí)并由船檢機(jī)構(gòu)發(fā)產(chǎn)品證書(shū)[4]。

3.2 ?前、后銅套車制、熱（紅套）鑲嵌

前、后銅套按材料配方要求，進(jìn)行配料、鑄造，粗成型，上車床內(nèi)外加工，車削，完工后與新艉軸進(jìn)行紅套鑲嵌，過(guò)盈配合，冷卻緊固后根據(jù)圖紙要求，再進(jìn)行倒角，銅套外表精加工滿足圖紙工藝精度。

3.3 ?與螺旋槳拂配

3.3.1 新艉軸錐體精加工后，需與螺旋槳錐孔進(jìn)行拂配

拂配工藝可分為豎拂、橫拂等，本次采用豎拂工藝，應(yīng)注意：

（1）應(yīng)有相應(yīng)的場(chǎng)地及吊重設(shè)施，吊鉤有效高度必須大于艉軸的樹(shù)立高度;

（2）螺旋槳錐孔大端朝上，水平牢靠固定;

（3）艉軸采用專用吊環(huán)起吊，注意軸體的保護(hù)，每次起吊前應(yīng)檢查連接是否可靠，簪緊裝置安裝在艉軸上方便艉軸起吊后的轉(zhuǎn)動(dòng)。

（4）拂配時(shí)注意檢查槳軸的合配情況，用塞尺檢查大小端間隙直至滿足要求。

3.3.2 ?螺旋槳拂配工藝要求[5]應(yīng)保證：

（1）錐孔拂配后接觸應(yīng)均勻，應(yīng)保證結(jié)合面在全長(zhǎng)上均勻貼合，錐部大端的接觸面積用色油檢查應(yīng)不少于70%均勻貼合，并要求在25×25mm?內(nèi)接觸油斑不少于3個(gè)接觸點(diǎn);

（2）螺旋槳錐孔加工時(shí)，應(yīng)四周均勻的修刮，以保持同軸度與垂直度;

（3）錐孔修刮后，艉軸錐體部分在錐孔內(nèi)的相對(duì)位置，應(yīng)滿足圖紙或工藝的要求;

（4）螺旋槳與槳軸拂配后，螺旋槳錐孔小端端面與艉軸小端錐面間距應(yīng)在15mm以上（視軸徑大小而定）。

3.4 ?艉軸法蘭鉸孔

新艉軸與中間軸連接法蘭的螺栓孔應(yīng)重新配鉸。鉸孔時(shí)軸應(yīng)對(duì)中，并重復(fù)配絞打磨，直至螺栓孔與其相配的螺栓精度滿足要求，內(nèi)孔粗糙度應(yīng)滿足圖紙要求。

3.5 ?新艉軸賽龍涂料涂裝

案例中船舶艉軸冷卻方式為水冷式，為防止海水腐蝕，艉軸應(yīng)采取涂裝保護(hù)。噴涂前艉軸應(yīng)進(jìn)行噴砂處理，然后移至車床，在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行涂料噴涂操作，涂料兩端接觸部位采用貝爾佐納包裹過(guò)渡，涂料固化并徹底干透后艉軸才能安裝。

4 ?防范措施

（1）螺旋槳的偏心距和偏心產(chǎn)生的慣性力對(duì)軸的強(qiáng)度有很大的影響，如螺旋槳出現(xiàn)損壞應(yīng)及時(shí)切割或修復(fù)槳葉，并注意槳葉邊緣的打磨處理，同時(shí)降低運(yùn)行轉(zhuǎn)速，以降低偏心距和慣性力的影響，避免艉軸的裂紋惡化。

（2）艉軸的制造要嚴(yán)格按照?qǐng)D紙和工藝要求進(jìn)行，盡量減少生產(chǎn)與加工過(guò)程中所產(chǎn)生的缺陷，盡量避免裂紋，減少軸尺寸突變，保證過(guò)度光滑，減少應(yīng)力集中產(chǎn)生。

（3）螺旋槳與艉軸的拂配要嚴(yán)格按照工藝進(jìn)行，準(zhǔn)確到位，避免因拂配不準(zhǔn)而導(dǎo)致軸系運(yùn)行不穩(wěn)、應(yīng)力集中等情況發(fā)生，最終造成艉軸損壞的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室， 編. 理論力學(xué)（II冊(cè)）. 第 8 版. 北京： 高等教育出版社， 2016.

[2]劉鴻文. 材料力學(xué) （I冊(cè)）. 第 6 版. 北京： 高等教育出版社， 2017.

[3]錢(qián)立保.蔣義海， 螺旋槳修理中的靜平衡檢驗(yàn)方法研究. 裝備制造技術(shù)， 2012.

[4] 陸俊岫，船舶建造質(zhì)量檢驗(yàn)，哈爾濱工程大學(xué)出版社，1996.CB/T 3420-1992，船舶軸系修理裝配技術(shù)要求，1992.

[5]CB/T 3420-1992，船舶軸系修理裝配技術(shù)要求，1992