船檢局開展船舶軸系扭振研究

本刊記者 崔 燕

從1972年起，特別是在《1973年鋼質(zhì)海船建造規(guī)范》后，船檢局開始全面投入對規(guī)范科研方面的力量，不斷提升規(guī)范的含金量。對此，船檢局上海辦事處研究上報(bào)了一批科研項(xiàng)目，這是船檢局首批向交通部科技局申報(bào)的科研項(xiàng)目，船舶軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)研究就是其中之一。船檢局不僅對規(guī)范進(jìn)行了修訂，還針對現(xiàn)場船舶扭振事故分析、幫助改進(jìn)和解決問題。這也是船檢局首次以科研力量幫助船東解決實(shí)際問題，對保障船舶安全營運(yùn)，為船舶提供全生命周期服務(wù)，并促使我國軸系設(shè)計(jì)水平與質(zhì)量得到全面提高發(fā)揮了重要的作用。

開展軸系扭振測試、計(jì)算和分析工作

20世紀(jì)70年代初，船舶使用柴油機(jī)作為推進(jìn)動(dòng)力后，船檢局在日常檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，與船舶軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)故障所引發(fā)的事故頻繁出現(xiàn)。于是，要求上海辦事處專門組織力量開展關(guān)于新造船舶柴油機(jī)動(dòng)力裝置的軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的測試和計(jì)算分析工作。

許運(yùn)秀，原船舶檢驗(yàn)局/中國船級社上海規(guī)范所所長、中國船級社科研中心副主任，從事船舶規(guī)范/法規(guī)研究及其相關(guān)科研工作，曾多次擔(dān)任主要法規(guī)、規(guī)范的主編及重大科研課題組長，特別是在柴油機(jī)、軸系強(qiáng)度、軸系校中、機(jī)械和軸系振動(dòng)等多方面的理論和復(fù)雜的技術(shù)難題上，具有豐富的工作經(jīng)驗(yàn)。據(jù)許運(yùn)秀介紹，在研究外國船級社規(guī)范時(shí)，發(fā)現(xiàn)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)均列為規(guī)范要求。對此，船檢局在《1973年鋼質(zhì)海船建造規(guī)范》初稿中就將船舶柴油機(jī)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)進(jìn)行了全面研究，并決定在該版規(guī)范中輪機(jī)篇第六章里專門增加一節(jié)“扭轉(zhuǎn)振動(dòng)”，將軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的要求編入，其中除規(guī)定軸系扭振許用應(yīng)力、同型首艘船舶應(yīng)進(jìn)行軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測量等要求外，特別要求軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算書應(yīng)提交船檢局審批。問題又來了，由于當(dāng)時(shí)國內(nèi)各有關(guān)單位對軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)了解甚少，基本不能進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算。那么，船檢局又該如何幫船東解決船舶扭振事故分析、解決問題，以及如何幫設(shè)計(jì)單位提交關(guān)于軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算，成為船檢局憑借技術(shù)實(shí)力為業(yè)界解決實(shí)際困難的科研攻關(guān)。

隨后，經(jīng)交通部科技局批準(zhǔn)，船檢局上海辦事處和交通部上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所正式將《軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)研究》作為科研課題，由許運(yùn)秀任該課題組組長，全面開始了船舶軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)研究的計(jì)算方法及實(shí)船扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測量工作。

將理論依據(jù)融入實(shí)船故障分析

船檢局在船舶軸系振動(dòng)研究過程中，除幫助設(shè)計(jì)、科研和制造單位解決了大量設(shè)計(jì)、計(jì)算及測試中出現(xiàn)的問題外，還在處理實(shí)船重大故障中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

“紅救6”號大馬力拖輪，主機(jī)功率為2600匹，由上海船舶設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，東海船廠建造，該船使用一段時(shí)間后，返廠進(jìn)行修理，在碼頭系泊試驗(yàn)時(shí)，驗(yàn)船師發(fā)現(xiàn)軸系短軸發(fā)熱，經(jīng)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測量，認(rèn)為是軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)瞬時(shí)應(yīng)力超過規(guī)范許用值所引起的，應(yīng)予以解決。對此，上海船舶設(shè)計(jì)院專門召開研討會，會上許運(yùn)秀將規(guī)范中對“瞬時(shí)許用應(yīng)力的含義”進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和解讀，遺憾的是這個(gè)理論依據(jù)只能算風(fēng)險(xiǎn)因素之一，并沒有被廣泛接受。后來，“紅救6”號在完成側(cè)翻在黃浦江岸邊的“東安”輪施救過程中，主機(jī)起動(dòng)時(shí)突然發(fā)生短軸斷裂，這起事故的發(fā)生，對業(yè)界產(chǎn)生了很大震動(dòng)。交通部立即要求船檢局將此次事故分析的專題報(bào)告轉(zhuǎn)發(fā)至全國相關(guān)船舶設(shè)計(jì)、建造、船東和船檢等部門，以此為鑒進(jìn)一步促進(jìn)和推動(dòng)船舶軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)安全技術(shù)的研究和實(shí)施。

1972年至1979年，上海海運(yùn)局陸續(xù)建造25000噸散貨船“州”字系列共11艘。但該批船舶自1980年以來，陸續(xù)發(fā)生軸系故障，甚至產(chǎn)生螺旋槳軸斷裂、螺旋槳葉片斷裂的嚴(yán)重事故。這不僅嚴(yán)重影響人命財(cái)產(chǎn)安全，而且也影響船東的船舶運(yùn)力和經(jīng)濟(jì)效益。隨后，船檢局海船規(guī)范所（中國船級社上海規(guī)范所）與船東聯(lián)合成立課題組，由許運(yùn)秀牽頭，通過全面的理論研究和計(jì)算，以及必要的實(shí)例分析，查明25000噸散貨船嚴(yán)重軸系故障的主要原因，同時(shí)提出了解決措施。

通過調(diào)查和計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，軸系扭振和軸系校中不良以及螺旋槳槳葉疲勞強(qiáng)度不足等因素是導(dǎo)致該船舶螺旋槳軸和螺旋槳葉片斷裂事故的主要原因。在軸系方面，通過綜合計(jì)算分析，提出減少軸系直徑以降低共振轉(zhuǎn)速、減少螺旋槳直徑以減小主機(jī)負(fù)荷、軸系合理校中、螺旋槳采用過盈配合安裝措施，解決了這批運(yùn)煤船的軸系故障問題。此外，根據(jù)船體伴流分布、螺旋槳材料的腐蝕疲勞極限來校核槳葉疲勞強(qiáng)度和設(shè)計(jì)槳葉幾何參數(shù)的新方法，使“鄭州”輪設(shè)計(jì)新螺旋槳取得成功。

船檢局的解決方案實(shí)施后，一下子解決了困擾船東近10年懸而未決的技術(shù)難題，對保證該批船舶軸系的安全使用，恢復(fù)該批船舶的正常航行和提高運(yùn)力，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的同時(shí)，為保障上海市運(yùn)煤任務(wù)做出了重要貢獻(xiàn)。

1986年，羅馬尼亞用補(bǔ)償貸款的方式為中國建造了“德堡”“柳堡”和“南堡”等12艘5000載重噸多用途貨船，在試航和首航中多次發(fā)生推力塊熔損、減速箱大齒輪前軸承熔損、傳動(dòng)小齒輪周向斷裂等嚴(yán)重故障，其中“德堡”輪也可能因上述故障在首航中失去推進(jìn)動(dòng)力而導(dǎo)致傾覆沉沒，給國家造成巨大的人命財(cái)產(chǎn)損失。羅馬尼亞船廠為此事曾請德國RENK廠作技術(shù)研究，自己亦組織專家進(jìn)行多次研究，均未找出故障原因。為了查找軸系故障原因，并確保該批船舶軸系的安全，船東與羅馬尼亞船廠雙方進(jìn)行了長達(dá)3年的拉鋸戰(zhàn)式談判?！傲ぁ陛喴苍诮型２戳?年，期間，國內(nèi)船廠都不愿接受“柳堡”輪的修理工作。

國內(nèi)對于“堡”字輪軸系故障的說法更是眾說紛紜。對此，船檢局要求海船規(guī)范所許運(yùn)秀進(jìn)行研究，許運(yùn)秀和洪鈐通過調(diào)查、專題研究、分析計(jì)算，終于找出了產(chǎn)生故障的主要原因，并于1998年9月完成初步研究報(bào)告。

后來，香港友聯(lián)船廠接受了“柳堡”輪修理工作。香港友聯(lián)船廠技術(shù)科科長和技術(shù)員專程赴上海找許運(yùn)秀，說之所以愿意承接該船進(jìn)行修理，是因?yàn)榭吹皆S運(yùn)秀對“堡”字號軸系故障的分析意見，認(rèn)為很有道理，愿意委托船檢局進(jìn)行“柳堡”輪軸系的安裝工作。隨后，船檢局提出了軸系采用合理校中技術(shù)，并要求齒輪箱軸承應(yīng)傾斜布置。許運(yùn)秀專程趕赴香港友聯(lián)船廠進(jìn)行現(xiàn)場技術(shù)交流時(shí)，當(dāng)時(shí)輪機(jī)長去查看齒輪箱軸承的布置情況，確認(rèn)該齒輪箱軸瓦采用傾斜布置后，感到非常吃驚，從而更加信任船檢局的技術(shù)方案。在船廠安裝后，進(jìn)行系泊試驗(yàn)和航行試驗(yàn)，齒輪箱情況完全正常，大家緊張的心才松弛下來。

有了“柳堡”輪的成功經(jīng)驗(yàn)，后續(xù)10艘船舶的談判問題也提上日程。由交通部水運(yùn)司牽頭，廣州海運(yùn)局總輪機(jī)長和工會主席帶隊(duì)，許運(yùn)秀以交通部技術(shù)顧問身份參加與羅方船廠的技術(shù)談判。談判團(tuán)隊(duì)經(jīng)多次反復(fù)內(nèi)部研究和討論，決定由許運(yùn)秀擔(dān)任與羅方技術(shù)談判的主談。由于以可靠的理論為依據(jù)，經(jīng)過多回合談判，羅方船廠承認(rèn)是設(shè)計(jì)責(zé)任，并接受中方提出的解決方案，同時(shí)賠償廣州海運(yùn)局購置“柳堡”輪齒輪箱的費(fèi)用。

之后，在參加“南堡”輪的船廠現(xiàn)場軸系安裝，系泊試驗(yàn)和航行試驗(yàn)中，軸系技術(shù)情況完全正常，消除了軸系故障，解決了這一技術(shù)難題。余下這批船舶軸系安裝，船廠要求按照船檢局提供的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行施工，這不僅為國家挽回了經(jīng)濟(jì)損失，也解除了船東的后顧之憂。在這一過程中，船檢局的技術(shù)方案得到我國駐羅馬尼亞大使館商務(wù)參贊和交通部水運(yùn)局領(lǐng)導(dǎo)的肯定和表揚(yáng)。

上世紀(jì)90年代，上海海運(yùn)局在韓國大宇船廠建造了6艘9500/8500DWT成品油船。第1艘船使用不到1年時(shí)間，便發(fā)生軸系法蘭螺栓斷裂的嚴(yán)重事故，后來又連續(xù)有幾艘船不同程度出現(xiàn)類似軸系故障現(xiàn)象。由于沒有找到軸系故障的關(guān)鍵原因，提不出有效的根除故障的措施，致使船舶不能正常航行，船東不但在經(jīng)濟(jì)上遭到很大損失，船員的安全也難以保證。船檢局上海規(guī)范所接受船東的委托，于1996年1月開始對軸系故障進(jìn)行分析研究，提出軸系故障是由共性原因產(chǎn)生的結(jié)論，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，并將研究報(bào)告提供給上海海運(yùn)局。

為解決這批船舶軸系故障問題，上海海運(yùn)局根據(jù)許運(yùn)秀和洪鈐的研究報(bào)告，相繼與船廠和相關(guān)船級社進(jìn)行多次談判，最后達(dá)成共識，同意“這批船的軸系故障是由共性原因造成”的結(jié)論，認(rèn)為故障的根本問題是軸系校中不正確。決定對這批6艘船舶軸系全部重新進(jìn)行安裝。據(jù)了解，該批船舶采用軸系合理校中安裝后，使用情況正常，得到了船東的一致好評。

技術(shù)成果的應(yīng)用和推廣

船檢局積極推進(jìn)船舶軸系扭振研究項(xiàng)目，不僅促進(jìn)了國內(nèi)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，還針對現(xiàn)場船舶扭振事故分析、幫助改進(jìn)和解決問題，不僅促進(jìn)了國內(nèi)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，而且提高了船檢局在業(yè)界及國際上的影響力。

據(jù)了解，從1972年到1978年間，船檢局共測量70余艘船舶軸系，獲得了豐碩的一手?jǐn)?shù)據(jù)。由許運(yùn)秀任課題組長的《船舶軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)研究》課題獲交通部1978年科學(xué)大會獎(jiǎng)。

隨著課題研究的進(jìn)一步深入，為了進(jìn)一步提高研究效率，船檢局上海辦事處與上海船舶設(shè)計(jì)院不斷及時(shí)調(diào)整課題方案，由船檢局許運(yùn)秀負(fù)責(zé)計(jì)算方法的研究和參數(shù)的調(diào)整方案，黃卓超負(fù)責(zé)測量結(jié)果的分析整理，上海船舶設(shè)計(jì)院何軒軒負(fù)責(zé)電算程序的編制和實(shí)船軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)理論計(jì)算。最終，提出計(jì)算誤差較小的軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)應(yīng)力計(jì)算方法，經(jīng)有關(guān)專家鑒定，認(rèn)為該研究結(jié)果具有國內(nèi)領(lǐng)先水平，且具有實(shí)用價(jià)值，達(dá)到了預(yù)期課題研究目的。隨后，以《船舶中低速柴油機(jī)軸系扭振應(yīng)力計(jì)算準(zhǔn)確性探討》為題，參加的第二屆上海國際海事展覽會論文交流，獲得與會中外代表的一致好評。據(jù)業(yè)界知名《船舶世界》報(bào)道：“船檢局上海辦室處許運(yùn)秀所著的《船舶中、低速柴油機(jī)軸系扭振應(yīng)力計(jì)算準(zhǔn)確性探討》一文，利用大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了計(jì)算公式，受到了國內(nèi)外代表的好評”。

同時(shí)，《船舶中低速柴油機(jī)軸系扭振應(yīng)力計(jì)算研究方法》獲交通部重大科技成果三等獎(jiǎng)；《柴油機(jī)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)電算程序》和《船舶中低速柴油機(jī)軸系扭振應(yīng)力計(jì)算研究方法》獲上海市重大科技成果三等獎(jiǎng)；由許運(yùn)秀主編，人民交通出版社出版的《船舶柴油機(jī)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)》專著，獲我國優(yōu)秀科技圖書二等獎(jiǎng)等一系列殊榮。之后，船檢局上海規(guī)范所將這一研究成果成功轉(zhuǎn)化，作為船檢系統(tǒng)審圖和工程計(jì)算軟件。

20世紀(jì)80年代，全球造船界興起船舶節(jié)能浪潮，其中采取的措施是降低主機(jī)轉(zhuǎn)速、加長沖程，這樣一來就產(chǎn)生了柴油機(jī)軸系縱向振動(dòng)問題，并引起柴油機(jī)機(jī)架振動(dòng)，繼而引起船體振動(dòng)。船檢局與上海船舶設(shè)計(jì)院繼續(xù)開展了關(guān)于軸系縱向振動(dòng)的研究工作。這一次，許運(yùn)秀負(fù)責(zé)理論研究、計(jì)算方法研究、縱振許用應(yīng)力的研究等，鐘學(xué)添負(fù)責(zé)測量及其結(jié)果分析，上海船舶設(shè)計(jì)院何軒軒負(fù)責(zé)計(jì)算程序編制和船軸系縱向振動(dòng)計(jì)算。經(jīng)過課題組成員的共同努力，完成了《軸系縱向振動(dòng)研究》工作，經(jīng)國內(nèi)有關(guān)專家鑒定，認(rèn)為該項(xiàng)研究填補(bǔ)了國內(nèi)空白，具有國內(nèi)領(lǐng)先水平。據(jù)了解，《船舶軸系縱向振動(dòng)》不僅獲得了交通部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)；還與《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》（1988）合項(xiàng)，獲得了國家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。

隨著我國改革開放的步伐，建造出口船的數(shù)量不斷增長，產(chǎn)生軸系回旋轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)算問題，以及軸系合理校中問題。為此，六機(jī)部下達(dá)《船舶軸系程序集成系統(tǒng)》課題，由611所作為牽頭單位，船檢局作為參研單位，課題包含4個(gè)子項(xiàng)目：軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、軸系縱向振動(dòng)、軸系回旋轉(zhuǎn)動(dòng)、軸系校中。許運(yùn)秀擔(dān)任《軸系縱向振動(dòng)》課題組長，經(jīng)過課題組的協(xié)同作戰(zhàn)，順利完成六機(jī)部下達(dá)的軸系程序編制任務(wù)。其中，《船舶軸系程序集成系統(tǒng)》獲中船總公司科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。同時(shí)，船檢局上海規(guī)范所將這一研究成果轉(zhuǎn)化為船檢局海船規(guī)范所的計(jì)算程序，作為系統(tǒng)審圖和工程計(jì)算軟件之一。另外，《1983年鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》已編入關(guān)于軸系縱向振動(dòng)、軸系回旋振動(dòng)、軸系校中的規(guī)定，不僅可保證船舶軸系的安全使用，而且還可使國內(nèi)相關(guān)單位方便使用軸系轉(zhuǎn)動(dòng)與校中程序，大大提高了設(shè)計(jì)計(jì)算質(zhì)量和審圖質(zhì)量。