某VLCC艉軸軸系校中優(yōu)化方案

任新民，莊雪生，趙福志，陳拔云

(友聯(lián)船廠(蛇口)有限公司，廣東 深圳 518054)

某30萬DWT超大型VLCC油船，總長(zhǎng)330 m，型寬60 m，建造出廠已有10年，采用主機(jī)、中軸、艉軸、螺旋槳直接傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。船方反饋近幾年運(yùn)行中，尤其是在輕載高速航行過程中，曾幾次出現(xiàn)艉軸管白合金后軸承溫度偏高或過高等現(xiàn)象，懷疑艉軸管后軸承有燒損。此次回國(guó)卸貨到我公司做全面檢查和修理，以徹底解決艉軸管后軸承溫度偏高的問題。

1 原因分析

艉軸管后軸承溫度過高的常見原因有軸承局部負(fù)荷太大、潤(rùn)滑不足、滑油冷卻不足、軸承裝配質(zhì)量過大、遭遇惡劣海況、艉部吃水過小、船體變形等。特別是軸系在運(yùn)行中受惡劣海況、船體變形等因素影響，原軸系狀態(tài)發(fā)生變化，使得各軸承負(fù)荷分布不合理，進(jìn)而加劇局部軸承的磨損，在原設(shè)計(jì)安全裕度不充分的情況下，容易引發(fā)軸承高溫、燒損等故障，危及整船的航運(yùn)安全。

2 解決方案

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘探與研究，該工程采取了對(duì)原系統(tǒng)及軸線進(jìn)行全面排查，對(duì)艉軸管軸線進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并增加了槳葉不全淹情況下的操作警示措施等綜合修理方案。

2.1 進(jìn)塢前的排查

艉軸管后軸承溫度過高的原因很多，只能用排除法對(duì)可能引起艉軸承高溫報(bào)警的疑點(diǎn)逐項(xiàng)摸底排查[1]。

1)對(duì)滑油系統(tǒng)進(jìn)行逐一檢查，無異常。

2)主機(jī)盤車，曲軸臂距差檢查，中軸及艉軸的直線度檢查，均無異常。

3)中間軸承軸瓦磨合、間隙正常，中軸前后法蘭副的緊配螺栓檢查，完好無損。

4)依據(jù)《軸系校中說明書》，用頂舉法分別對(duì)艉軸管前軸承、中間軸軸承、主機(jī)后3道主軸承進(jìn)行負(fù)荷測(cè)量，軸系軸承負(fù)荷測(cè)量對(duì)比見表1。由表1知，軸承負(fù)荷分配異常，初步判斷艉軸后軸承可能已燒損。

表1 軸系軸承負(fù)荷測(cè)量對(duì)比

2.2 進(jìn)塢后的排查

2.2.1 復(fù)測(cè)軸承負(fù)荷以及中間軸、艉軸直線度

①船進(jìn)干塢24 h后，拆檢前復(fù)測(cè)各軸承負(fù)荷值，各軸承負(fù)荷分配仍同表1各值接近，表現(xiàn)仍異常。②主機(jī)盤車，復(fù)測(cè)主機(jī)曲軸臂距差、中間軸及艉軸的直線度，均無異常。測(cè)量艉軸下沉量為0.80 mm，表現(xiàn)異常。③艉軸管前后密封裝置拆卸后，用塞尺測(cè)量艉軸軸頸與艉軸管前、后軸承之間的拆前間隙，并檢查發(fā)現(xiàn)后軸承白合金有脫落碎片，但前后密封圈的磨損情況尚好。艉軸管前、后軸承拆前間隙見表2。

表2 艉軸管前、后軸承拆前間隙

2.2.2 艉軸及軸承的拆檢

1)艉軸被抽出后，發(fā)現(xiàn)艉軸管后軸承白合金燒損嚴(yán)重，艉軸管前、后軸承內(nèi)孔局部修整后，復(fù)核艉軸工作軸頸直徑及其前后軸承內(nèi)孔，艉軸管后軸承換新處理，而艉軸管前軸承、中間軸承尚好，修整后繼續(xù)使用[2]。

2)拆除艉軸管后軸承，核對(duì)其原始的內(nèi)孔、外殼以及前端、后端的軸承壁厚尺寸。

3)考慮到陽(yáng)光照射會(huì)引起船體的變形[3]，一般軸系中心線測(cè)量都在夜間，利用激光儀對(duì)艉軸管后軸承座孔、前軸承孔及主機(jī)飛輪中心孔間進(jìn)行照光測(cè)量，為艉軸管后軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

(1)使用激光儀以艉軸管后端止口中心和前軸承止口中心為基準(zhǔn)，檢查并記錄主機(jī)飛輪中心、后軸承座孔前端內(nèi)徑中心以及前軸承后端內(nèi)徑中心在垂直方向上的偏差，向上為正，激光檢查軸系中心線見圖1，艉軸管激光照光測(cè)量對(duì)比見表3。

(2)使用激光儀以艉軸管后端止口中心和前軸承止口中心為基準(zhǔn)，檢查并記錄后軸承座孔(前、中、后)內(nèi)徑中心以及前軸承(前、后)內(nèi)徑中心的同心度，結(jié)果完好。

圖1 激光檢查軸系中心線

表3 艉軸管激光照光測(cè)量對(duì)比 mm

2.3 軸系檢查結(jié)果分析

結(jié)合該船及其系列船反饋信息，綜合表1、表2、表3的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析如下。

1)該船受船體結(jié)構(gòu)變形等影響，以艉軸管后密封座孔以及前密封座孔為基準(zhǔn)，測(cè)量中間軸承座已經(jīng)往上偏離軸線平均值3.037 mm，主機(jī)飛輪側(cè)基座往上偏離軸線平均值5.22 mm，導(dǎo)致艉軸管前軸承及中間軸承負(fù)荷偏低、艉軸管后軸承及主機(jī)最后一道主軸承負(fù)荷偏大等，軸承負(fù)荷分布不合理是引起艉軸軸承高溫?zé)龘p的主要原因。

2)該船采用具有回收系統(tǒng)的環(huán)?？諝庑?KEMEL AX)艉軸密封裝置，其空氣控制單元可根據(jù)艉部密封處的實(shí)際水壓自動(dòng)調(diào)整該密封裝置中的氣封壓力及艉軸管內(nèi)的滑油壓力，以降低密封裝置的白鋼套以及密封圈的磨損速度。但當(dāng)螺旋槳不全淹的情況下，艉部吃水小，艉部密封處的水壓低，受空氣控制單元調(diào)節(jié)作用，氣封壓力和艉軸管滑油壓力較小，導(dǎo)致艉軸與軸承間油膜較薄，潤(rùn)滑效果降低；疊加船舶高速航行時(shí)，艉軸管后軸承后部受到的沖擊載荷大，摩擦力增大，導(dǎo)致軸承產(chǎn)生高溫的風(fēng)險(xiǎn)，也是引起艉軸軸承燒損的原因之一。

3)該船螺旋槳直徑10.2 m、質(zhì)量76 t，螺旋槳重量全懸掛在艉軸的后軸承上，重力作用下艉軸與后軸承間形成的傾角大，艉軸管后軸承后部的下半部分承受的載荷巨大，軸承比壓分配不均，當(dāng)軸承原設(shè)計(jì)的安全裕量不夠時(shí)，疊加船舶極端工況下，容易產(chǎn)生高溫的風(fēng)險(xiǎn)，也是引起艉軸軸承燒損的原因之一。

3 軸系優(yōu)化方案制定

將以上測(cè)量數(shù)據(jù)和檢查報(bào)告發(fā)送到專業(yè)設(shè)計(jì)中心，進(jìn)行軸系計(jì)算優(yōu)化，使軸系各軸承的負(fù)荷分布更合理。

1)通過移動(dòng)主機(jī)位置糾正軸線偏差[4]。將主機(jī)飛輪側(cè)原軸線降低至比艉軸管軸線低3.95 mm，增大艉軸管前軸承的負(fù)荷，減少主機(jī)最后一道主軸承的負(fù)荷，使軸系各軸承的負(fù)荷分布更加合理。為此，需要對(duì)主機(jī)重新定位，底座的環(huán)氧層重新澆注。

2)調(diào)整中間軸承底座的墊片高度。重新調(diào)整中間軸承負(fù)荷后，對(duì)底座墊片進(jìn)行重新研磨、拂刮，使之適應(yīng)新的軸承設(shè)計(jì)高度要求。

3)新軸承完工圖如圖2所示，圖2中括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為原軸承設(shè)計(jì)尺寸。新軸承在原軸承雙斜度偏心設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增大了斜度比，以減小艉軸后部承受大型螺旋槳重力下的傾角和軸承艉部的徑向變形，降低了軸承局部比壓，改善了油膜的潤(rùn)滑狀態(tài)，從而提高了安全裕量。同時(shí)等量加工艉密封底座法蘭的定中配合位，以便艉密封裝置適應(yīng)艉軸下沉量的技術(shù)要求。

圖2 新軸承完工圖

4)增加槳葉不全淹情況下的操作警示措施。制作2個(gè)《槳葉不全淹情況下的操作警示》牌，分別安裝在駕駛室和集控室，并做相應(yīng)的規(guī)定。

(1)螺旋槳應(yīng)全淹在水中運(yùn)行。

(2)在艉吃水受限制(如進(jìn)出港)或壓載水處理系統(tǒng)在公海置換壓載水的過程中，槳葉有部分露出水面時(shí)，為保證軸系安全運(yùn)行，主機(jī)應(yīng)以微速運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)盡量不打大的舵角，控制舵角不超過15°。

(3)轉(zhuǎn)換艉軸密封裝置模式，由空氣型密封裝置AX模式轉(zhuǎn)換成應(yīng)急常用的雙重保險(xiǎn)密封的DX模式，以增加艉軸管內(nèi)的滑油壓力。

3.1 艉軸管后軸承的加工

采用雙斜度偏心設(shè)計(jì)的艉軸后軸承的加工精度及技術(shù)要求高、過程復(fù)雜，根據(jù)艉軸后軸承新備件以及新完工圖，進(jìn)行CAD放樣，繪制加工量，并制定了如下的加工程序。

3.1.1 艉軸承雙斜度偏心內(nèi)孔的加工

1)將艉軸管備用后軸承平放在大型鏜床工作臺(tái)的2個(gè)V型大托架上，調(diào)整軸承上的“TOP”標(biāo)記位置(即軸承上下方向)至工作臺(tái)水平方向。

2)校正艉軸管后軸承2端基準(zhǔn)定中止口的中心后，檢查測(cè)量軸承內(nèi)徑與基準(zhǔn)止口的偏心量，確認(rèn)軸承內(nèi)孔往上方向整體偏心0.60 mm。

3)第一斜度的校正及加工。通過在鏜床轉(zhuǎn)盤水平方向微調(diào)整軸承的角度方向，同時(shí)打表檢查，使軸承待加工的白合金內(nèi)孔第一斜度中心與鏜床的主軸中心完全重合；檢查確認(rèn)后，按照先粗鏜后精鏜的安全加工法進(jìn)行鏜削，粗鏜后，檢查偏心方向與圖紙一致后，最后精車到位。

4)第二斜度的校正及加工。調(diào)頭后，同理參照3.1.1步驟3)的方法，校正兩側(cè)基準(zhǔn)止口和軸承內(nèi)孔后，再次微調(diào)軸承，使軸承待加工的白合金內(nèi)孔第二斜度中心與鏜床的主軸中心重合；再加工第二斜度。

5)內(nèi)孔加工完畢，利用拋光球?qū)Π缀辖疠S承內(nèi)孔進(jìn)行整體拋光，粗糙度至1.6以上。

6)復(fù)測(cè)軸承前后端上、下、左、右方向上的壁厚。

3.1.2 艉軸承外殼的加工

1)根據(jù)艉軸管軸承基準(zhǔn)止口的內(nèi)孔以及軸承壁厚，新制兩端蓋板，在上面開有4個(gè)長(zhǎng)條工藝孔用于隨時(shí)檢查軸承壁厚，然后分別上車床加工外圓及定中止口位，要求左右同心，并配鉆好鎖緊孔，新軸承外殼加工圖如圖3所示。

圖3 新軸承外殼加工圖

3)根據(jù)軸承外殼的油槽尺寸，現(xiàn)配鑲?cè)敕侥緣K，以免銳邊和銳角損壞刀具及拋光砂帶。

4)艉軸承及工裝整體上車床，校正后軸承外殼的首尾兩端中心。

5)先試粗加工軸承殼體，待軸承兩端的偏心方向及偏心量均與圖紙一致后，方可繼續(xù)粗加工；再精加工，使之與艉軸管的軸承座孔匹配，過盈量取+0.03～+0.05 mm。

6)加工完后，重新復(fù)核軸承所有加工尺寸。

3.2 主機(jī)底座原環(huán)氧墊塊層的拆除

做好拆前各配對(duì)標(biāo)記，拆除與主機(jī)相連的剛性連接件、主機(jī)底座四周的固定推力塊，液壓拆松主機(jī)底座左右兩側(cè)的固定地腳螺栓螺母等；活絡(luò)調(diào)整好主機(jī)底座左右兩側(cè)的原頂絲螺栓。用6套100 t液壓頂逐側(cè)頂升主機(jī)少許后，分別拆除主機(jī)底座的原有環(huán)氧墊塊層。

3.3 塢內(nèi)艉軸裝置的回裝

艉軸裝置回裝過程要停止周邊一切電焊、打磨、氣割作業(yè)，確保環(huán)境的清潔，以免雜物進(jìn)入、損壞軸承。

1)按照標(biāo)記和要求將新的艉軸管后軸承液壓回裝到位后，復(fù)核軸承內(nèi)孔尺寸。夜間時(shí)，利用激光儀器對(duì)安裝后的艉軸管前、后軸承軸線進(jìn)行測(cè)量，確認(rèn)與設(shè)計(jì)一致。

2)回裝艉軸管油氣管線以及后軸承溫度探頭等附屬部件后，回裝艉軸，并用塞尺檢查艉軸管前、后軸承與艉軸軸頸的四周間隙，艉軸軸承間隙測(cè)量記錄見表4。

3)回裝中間軸、中間軸承、螺旋槳、前后密封裝置后，艉軸管系統(tǒng)注油、進(jìn)行密性試驗(yàn)。

4)前后密封白鋼套跳動(dòng)量調(diào)整及測(cè)量，后密封盒底座調(diào)整及下沉量測(cè)量。

表4 艉軸軸承間隙測(cè)量記錄

3.4 出塢后軸線校中檢查

按照新《軸系校中計(jì)算書》要求，對(duì)軸系進(jìn)行校中檢查和測(cè)量，按照從后往前的原則，以艉軸為基準(zhǔn)，調(diào)整中間軸;再以中間軸為基準(zhǔn)，調(diào)整主機(jī)；結(jié)果均滿足要求后，報(bào)檢。軸系校中測(cè)量記錄如表5所示，軸系校中示意圖如圖4所示。期間機(jī)艙內(nèi)嚴(yán)禁啟動(dòng)或運(yùn)行大型的設(shè)備；所用量具須經(jīng)檢驗(yàn)合格，且在有限期內(nèi)。

表5 軸系校中測(cè)量記錄 mm

3.5 主機(jī)底座澆注、固定及回裝

①調(diào)整主機(jī)以及安裝后，均測(cè)量檢查主機(jī)拐擋差及主機(jī)下?lián)隙?，滿足主機(jī)廠家要求。②回裝艉軸法蘭的緊配螺栓、螺母，并對(duì)稱對(duì)角打緊到位。③用頂絲將中間軸承頂起,使其與中間軸均勻貼緊后，拆除中間軸臨時(shí)滾輪托架。④對(duì)軸系各個(gè)負(fù)荷

圖4 軸系校中示意圖

點(diǎn)進(jìn)行重新測(cè)量和調(diào)整，到滿足新要求為止。⑤按照主機(jī)廠家技術(shù)要求，對(duì)主機(jī)底座進(jìn)行環(huán)氧樹脂墊片的澆注和試樣硬度測(cè)量；拆除主機(jī)頂升螺栓，安裝主機(jī)底腳螺栓；分別拂配并安裝主機(jī)自由端、主機(jī)左右側(cè)向止動(dòng)斜塊。

3.6 中間軸承底座的定位及回裝

對(duì)軸系各負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行復(fù)查，調(diào)整中間軸承安裝的高低位置，并配妥地腳墊片，直至中間軸軸承負(fù)荷、裝配間隙及地腳墊片藍(lán)油接觸面積等均滿足規(guī)范要求。

3.7 試驗(yàn)結(jié)果

1)主機(jī)各系統(tǒng)恢復(fù)并調(diào)試合格后，在碼頭進(jìn)行主機(jī)沖車試驗(yàn)。

2)海試出廠，檢查測(cè)量主機(jī)運(yùn)行參數(shù)及軸系各軸承的溫度參數(shù)，均滿足要求。復(fù)測(cè)螺旋槳100%全淹、熱態(tài)下的主機(jī)曲軸拐檔差以及艉軸前軸承、中間軸承以及主機(jī)后3道主軸承的負(fù)荷試驗(yàn)，優(yōu)化后的軸系各軸承負(fù)荷試驗(yàn)值如表6所示，完全滿足新設(shè)計(jì)要求。

表6 優(yōu)化后的軸系各軸承負(fù)荷試驗(yàn)值 t

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)該艉軸軸系校中優(yōu)化方案，指導(dǎo)完成了軸系拆檢、雙斜度偏心后軸承的加工、主機(jī)底座及中間軸承的重新定位、軸系負(fù)荷的測(cè)量與調(diào)整等重大工程，徹底解決了該船艉軸承高溫的技術(shù)難題，消除了船舶的安全隱患。