基于油液監(jiān)測的大型船舶艉管異常磨損故障分析*

黎秋瑩 賀石中 李秋秋 何偉楚 覃楚東 楊智宏

(1.廣州機械科學(xué)研究院有限公司,設(shè)備潤滑與檢測研究所 廣東廣州 510530;2.工業(yè)摩擦潤滑技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心 廣東廣州 510530)

大型船舶是水上最重要的交通和運輸工具之一，因其具有載貨量大、成本低廉、運輸平穩(wěn)等特點，被廣泛運用于海上和內(nèi)河貨物運輸作業(yè)中。由于大型船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計相對復(fù)雜，且機械維修成本較高，因此保證船舶的運行可靠性具有重要的意義。

船舶艉管是船舶軸系里的一個部件，艉軸是連接主機和螺旋槳之間的傳動軸。艉管和艉軸之間通過密封裝置來進行密封，密封裝置里面用潤滑油來進行潤滑。艉軸艉管一旦出現(xiàn)故障，將影響整個船舶的動力輸出，因此加強對船舶艉軸艉管故障的深入研究，保證船舶的可靠運轉(zhuǎn)就顯得尤為重要。

對于船舶艉軸艉管的故障，很多學(xué)者在潤滑特性方面進行了相關(guān)研究。楊帆[1]對船舶軸封滑油消耗異常問題進行了分析；鐘駿杰等[2]研究了船舶艉軸承的變形對其潤滑特性的影響；武起立[3]對船舶推進軸系滑動軸承的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)，闡述了進行軸系滑動軸承潤滑研究的重要意義，建立了軸承潤滑數(shù)值計算模型，并探討各影響因素的變化對軸承潤滑性能的影響；嚴(yán)雄飛等[4]計算得到艉軸承傾斜加工角度與軸承油膜參數(shù)的關(guān)系；陳繼康[5]從軸系設(shè)計、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)等方面分析了艉管后軸承的高溫問題；潘穗鋒[6]對環(huán)保滑油引起的艉管后軸承高溫現(xiàn)象進行了分析；張緒猛和朱漢華[7]建立了艉軸與艉軸承之間潤滑的數(shù)學(xué)模型,研究了艉軸轉(zhuǎn)速和潤滑油黏度對艉軸與艉軸承之間的油膜壓力分布和承載力的影響，并分析了艉軸承高溫現(xiàn)象發(fā)生的主要原因。以上研究解決了艉軸艉管的各類相關(guān)故障問題，卻少有關(guān)于艉軸艉管基于油液監(jiān)測的潤滑和磨損故障研究。

潤滑是降低摩擦、減少或避免磨損的最有效技術(shù)[8]。潤滑油是機械設(shè)備的“血液”，含有很多設(shè)備運行情況的相關(guān)信息，如粉塵、油泥、磨損顆粒等。潤滑不良往往是造成設(shè)備磨損的首要因素，通過監(jiān)測設(shè)備在用潤滑油的理化性能和磨損顆粒信息，能夠分析預(yù)測甚至預(yù)防機器設(shè)備因潤滑不良而可能出現(xiàn)的故障[9]。因此油液監(jiān)測技術(shù)已被廣泛運用于各行各業(yè)設(shè)備的故障預(yù)測與健康管理中[10-14]。在船舶的油液監(jiān)測方面，涂建軍和郭井加[15]提出了對船舶裝備油液監(jiān)測的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，來提升船舶的運維水平。在未來，將油液監(jiān)測與性能參數(shù)監(jiān)測[16]、振動噪聲監(jiān)測[17]、溫度監(jiān)測[18]、無損監(jiān)測等多種監(jiān)測手段結(jié)合起來，將形成對船舶中的關(guān)鍵設(shè)備如艉軸艉管的綜合故障診斷體系。

某船舶檢修后，因要試航且試航在近海區(qū)，受環(huán)保要求，艉管加入了環(huán)保生物潤滑油。當(dāng)船舶航行出了近海區(qū)后，又將潤滑油換成了礦物油。在換回礦物油并使用一段時間后，艉管便開始持續(xù)地異常發(fā)熱。為探討艉管溫度異常的原因，本文作者通過油液監(jiān)測技術(shù)，對油品的理化指標(biāo)、光譜元素、紅外光譜、鐵譜磨粒進行了檢測和分析，并用最小油膜厚度公式計算了艉軸艉管的油膜厚度。

1 艉管的潤滑情況及實驗方案

1.1 艉管的潤滑情況與結(jié)構(gòu)

艉軸是船舶軸系里面最易磨損的一段軸，艉管是艉軸通過的裝有密封和支撐裝置的管段。艉管內(nèi)的密封空間會充滿潤滑油，其潤滑方式為通過重力油柜的管路通入油來進行潤滑。艉管使用的潤滑油，一般為與主柴油機牌號相同且黏度等級為SAE40的柴油機油，或者使用黏度等級為ISO VG 100或ISO VG 150的齒輪油。艉軸艉管摩擦副的主要潤滑方式為流體動壓潤滑。由于艉軸艉管位置和工況的特殊性，常常會發(fā)生進水和異常磨損的情況。艉軸艉管的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 艉軸艉管結(jié)構(gòu)

1.2 實驗方案

油液監(jiān)測技術(shù)是通過檢測油品的理化和磨損指標(biāo)，來判定機械設(shè)備的潤滑和磨損狀況，從而可以分析得出故障產(chǎn)生的原因。為了分析該船舶艉管異常發(fā)熱的原因，對艉軸艉管分別在異常發(fā)熱的3個不同時間段的在用油進行取樣，分別簡稱為在用油樣1、在用油樣2、在用油樣3。對3個在用油樣和新油樣，分別從理化指標(biāo)、光譜元素、鐵譜磨粒、紅外光譜4個方面進行了分析，得到油品的理化性能、污染情況和油品中磨粒含量，從而綜合分析艉管的運行狀態(tài)。

對船舶艉管潤滑油的新油樣品制定的檢測分析項目為：40 ℃運動黏度、100 ℃運動黏度、黏度指數(shù)、堿值、傾點、紅外光譜、光譜元素、鐵譜磨粒；在用油樣品制定的檢測分析項目為：100 ℃運動黏度、堿值、水分、閉口閃點、紅外光譜、光譜元素、鐵譜磨粒。

2 油液監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析

2.1 理化指標(biāo)分析

新油和在用油的理化指標(biāo)檢測結(jié)果如表1所示。可知，艉管異常發(fā)熱后抽取的3個在用油樣品的100 ℃黏度變化趨勢平穩(wěn)，但是相比新油的黏度要高一些；水分均處于痕跡，說明軸承的密封狀態(tài)良好；3個在用油樣品的堿值與新油堿值相比，有一定的下降。堿值下降一方面表明油液存在高溫運行和冷卻不良的情況，導(dǎo)致油品可能被氧化變質(zhì)，另一方面也反映出在用油品添加劑含量下降。

表1 理化指標(biāo)檢測數(shù)據(jù)

2.2 光譜元素分析

分別對新油和3個在用油進行光譜元素分析，以判斷油品的磨損元素、污染元素、添加劑元素的含量情況。具體的檢測結(jié)果如表2所示。

表2 光譜元素分析數(shù)據(jù)

從表2可知，磨損金屬元素Fe、Cu、Pb、Sn的含量較新油有輕微的上升，表明設(shè)備可能存在一定程度的磨損。由于光譜元素分析的檢測局限性，只能檢測出小于5 μm的顆粒，因此油樣中可能存在大于5 μm的磨損顆粒而未被檢出，需要結(jié)合鐵譜磨粒分析來進一步判斷。污染元素Al、Si的含量與新油持平，表明艉軸艉管的密封狀況良好，不存在外界的污染。3個在用油的添加劑元素Ca、Zn的含量與新油相比，存在明顯下降的情況，這與堿值的下降情況向?qū)?yīng)，表明在用油品可能存在添加劑降解或者油品混用的情況。

2.3 紅外光譜分析

為了進一步判斷油品是否存在混油情況，分別對在用礦物油的新油、在用油樣品1、生物油進行了紅外光譜分析，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，在用油樣1在1 745、1 155 cm-1處有明顯特征峰，峰位及峰形與生物油一致。結(jié)合表2中添加劑元素Ca、Zn含量的變化，可以進一步判斷艉管的在用油中混入了生物油。

圖2 新油、在用油、生物油的紅外光譜圖

2.4 鐵譜磨粒分析

為了進一步判斷機械設(shè)備的磨損情況，對3個在用油制備了鐵譜片，并在鐵譜顯微鏡下觀察，結(jié)果分別如圖3—5所示。

從圖3可看出，在用油樣1中存在油泥和軸承合金顆粒，且軸承合金顆粒尺寸較大，最大尺寸超過了100 μm，表明艉管或軸承已經(jīng)出現(xiàn)異常磨損，初步判斷軸承軸瓦表面的合金開始剝落。

從圖4可看出，在用油樣2中同樣存在油泥和軸承合金顆粒，軸承合金磨粒的最大尺寸超過了30 μm。此外，還發(fā)現(xiàn)了尺寸細(xì)小的銅合金顆粒，表明艉管的磨損進一步惡化。

從圖5可看出，在用油樣3中同樣存在油泥和軸承合金顆粒，而且銅合金顆粒較在用油樣2明顯增多，且尺寸更大。銅合金磨粒的最大尺寸超過了100 μm，且存在高溫氧化現(xiàn)象，表明艉管的磨損持續(xù)惡化，艉管軸瓦的銅合金基體已經(jīng)開始磨損。

艉管的軸瓦一般分為三層，即軸承合金層、銅合金層、鋼套層。油樣中出現(xiàn)了較大顆粒的銅合金，表明軸瓦的軸承合金層已經(jīng)被磨穿，開始磨損到銅合金層，表明此時軸瓦磨損已經(jīng)非常嚴(yán)重。

圖3 在用油樣1中的磨粒

圖4 在用油樣2中的磨粒

圖5 在用油樣3中的磨粒

3 最小油膜厚度計算

根據(jù)鐵譜分析的結(jié)果可知，在3個油樣的取樣時間內(nèi)，艉管的磨損存在嚴(yán)重加劇的情況，磨損顆粒的濃度和尺寸均明顯增大，表明有可能磨粒的尺寸超過了艉軸艉管之間的潤滑油膜厚度，產(chǎn)生了破膜的情況，從而造成異常磨損。

為了計算艉軸艉管之間的油膜厚度，文中引用徑向動壓滑動軸承的油膜厚度計算公式[19]來計算膜厚。用最小油膜厚度hmin來表征艉軸艉管的實際油膜厚度。

hmin=C-e=C(1-ε)=rψ(1-ε)

(1)

式中:C=R-r為半徑間隙;R為軸承孔半徑;r為軸頸半徑；ε=e/C為偏心率；e為偏心距；ψ=C/r為相對間隙，計算公式為

(2)

其中：v為軸頸表面的線速(m/s)。

最小油膜厚度hmin必須滿足：

(3)

式中:Rz1、Rz2為軸頸和軸承的表面粗糙度。

船舶艉軸艉管的實際軸徑參數(shù)如表3所示。

表3 船舶艉軸艉管的實際尺寸參數(shù)

根據(jù)上述公式，代入該船舶艉軸艉管的實際尺寸參數(shù)和運行參數(shù)，可以計算得知該艉軸艉管的最小油膜厚度hmin=4.38 μm。但是實際磨損產(chǎn)生的顆粒尺寸已大于100 μm，大大超過了最小油膜厚度。證明艉軸艉管在實際運行過程中，因為過大的磨損顆粒，已經(jīng)產(chǎn)生了破膜的情況，從而進一步加劇了軸瓦表面的磨損。

4 故障原因分析

綜合上述檢測數(shù)據(jù)結(jié)果，可分析得出：在用油存在被生物油污染的情況，導(dǎo)致在用油的黏度和堿值較新油存在一定的差異，且存在一定程度的氧化現(xiàn)象；在用油被污染后導(dǎo)致添加劑元素Ca、Zn含量下降。因此，可分析得出該大型船舶艉管異常磨損的故障原因為：換油不徹底而導(dǎo)致了油品的混用，使得潤滑油的潤滑性能及抗磨性能下降，無法起到正常的潤滑作用，造成了艉軸軸瓦的早期磨損；隨著磨損的進行，油樣中出現(xiàn)過大的磨損顆粒造成油膜破裂，從而使得軸瓦在短期內(nèi)磨損異常加?。粐?yán)重的異常磨損，是造成艉軸的發(fā)熱現(xiàn)象的根本原因。

5 結(jié)論與建議

根據(jù)檢測數(shù)據(jù)、計算結(jié)果以及原因分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)造成黏度、堿值、添加劑元素異常的原因，是源于生物油的污染；

(2)換油不徹底而導(dǎo)致的油品的混用，使得潤滑油的潤滑性能及抗磨性能下降，無法起到正常的潤滑作用，造成了艉軸軸瓦的早期磨損；

(3)過大的軸承合金和銅合金異常磨損顆粒，造成艉軸艉管在運行過程中油膜破裂，又進一步加劇了艉軸軸瓦的磨損；

(4)嚴(yán)重的異常磨損，是造成艉軸的發(fā)熱現(xiàn)象的根本原因。

根據(jù)艉軸的異常發(fā)熱問題，提出以下建議措施：

(1)對機械設(shè)備潤滑而言，應(yīng)盡量保持使用同一品牌油品，油品的錯用或混用會影響設(shè)備潤滑效果；

(2)如果需要進行油品替換時，應(yīng)該將設(shè)備的原先在用油進行排放并且徹底清洗系統(tǒng)，再換上另一油品；

(3)當(dāng)油液添加劑含量出現(xiàn)異常時，可視情對設(shè)備的在用油進行添加/置換；

(4)當(dāng)出現(xiàn)異常磨損且磨損顆粒過大時，應(yīng)立刻對油品進行過濾處理，避免磨損的進一步加劇。