某船中速主機(jī)止推軸承高溫故障原因分析及解決方案

施建曙，周 榮，張 柳

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海200129）

0 引 言

船舶動(dòng)力裝置的主要作用是將主機(jī)發(fā)出的功率經(jīng)由彈性聯(lián)軸器、齒輪箱、中間軸、艉軸和螺旋槳軸傳遞給螺旋槳，產(chǎn)生推力，通過軸系設(shè)備傳遞給船體結(jié)構(gòu)，推動(dòng)船舶前進(jìn)［1］。中高速柴油機(jī)與齒輪箱之間一般通過彈性聯(lián)軸器連接，彈性聯(lián)軸器的作用包括：改變軸系的自振頻率，降低扭振和振幅，使主機(jī)在使用范圍內(nèi)不出現(xiàn)共振轉(zhuǎn)速；改善齒輪箱的工作條件，降低交變扭矩對(duì)齒面的沖擊作用；補(bǔ)償軸系安裝誤差和船體變形產(chǎn)生的誤差，避免主機(jī)止推軸承過載。主機(jī)止推軸承不僅承受一定的軸向負(fù)荷，而且對(duì)曲軸進(jìn)行軸向定位，防止其在主機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)生軸向竄動(dòng)（竄動(dòng)量限制在0.1 ～0.5 mm范圍內(nèi)［2］），使推進(jìn)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保證船舶安全航行。

常用的彈性聯(lián)軸器可分為橡膠彈性聯(lián)軸器和彈簧式聯(lián)軸器2 類。近年來，橡膠彈性聯(lián)軸器在船舶動(dòng)力裝置中的應(yīng)用越來越廣，用橡膠彈性聯(lián)軸器替換蓋斯林格聯(lián)軸器，不僅能減小作用在主機(jī)止推軸承上的軸向力，有效防止主機(jī)發(fā)生止推軸承高溫、軸瓦燒蝕等故障，而且其各項(xiàng)性能均滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，為采用類似動(dòng)力系統(tǒng)的船舶提供了設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。

1 推進(jìn)系統(tǒng)布置概況

某船的主推進(jìn)系統(tǒng)（其布置型式見圖1）采用由中速柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙機(jī)、雙槳推進(jìn)型式。推進(jìn)柴油機(jī)經(jīng)蓋斯林格聯(lián)軸器和齒輪箱，通過軸系驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳。

圖1 某船主推進(jìn)系統(tǒng)布置型式

2 主機(jī)止推軸承高溫故障現(xiàn)象描述

在該船航行期間，當(dāng)其主機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到400 r／min 以上時(shí)，主機(jī)止推軸承出現(xiàn)高溫報(bào)警和停車等故障現(xiàn)象，從高溫報(bào)警至高溫停車，升溫迅速，時(shí)間短。拆開主機(jī)止推軸承（其結(jié)構(gòu)見圖2）發(fā)現(xiàn)，止推軸承外側(cè)翻邊出現(xiàn)偏磨和高溫灼燒痕跡。

圖2 主機(jī)止推軸承布置安裝示意圖

3 主機(jī)止推軸承高溫故障原因分析

通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該船主機(jī)止推軸承出現(xiàn)的高溫故障主要是由軸向力的傳遞、蓋斯林格聯(lián)軸器的質(zhì)量和性能及主機(jī)止推軸瓦的潤(rùn)滑情況和承載能力引起的。

3.1 軸向力方面的原因分析

作用在主機(jī)止推軸承上的軸向力增大可能會(huì)導(dǎo)致止推軸承與曲軸推力環(huán)之間的油膜遭到破壞，軸承與推力環(huán)之間發(fā)生半干摩擦或干摩擦，可能使軸向附加力增大的情況有：

1）系統(tǒng)匹配不合理；

2）齒輪箱輸入軸推力傳遞到主機(jī)止推軸瓦上；

3）齒輪箱輸入軸和蓋斯林格聯(lián)軸節(jié)熱態(tài)變形；

4）齒輪箱與主機(jī)對(duì)中偏差不符合要求。

該船的主推進(jìn)系統(tǒng)采用由中速柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙機(jī)、雙槳推進(jìn)型式，齒輪箱與主柴油機(jī)通過蓋斯林格聯(lián)軸節(jié)連接［3］。鑒于該船的動(dòng)力系統(tǒng)布置型式（如圖1 所示）在其他船型上也有應(yīng)用，且均未出現(xiàn)主機(jī)止推軸承高溫故障現(xiàn)象，上述原因1）和原因3）可排除。

為找到故障原因并精準(zhǔn)定位，進(jìn)行主機(jī)曲軸冷、熱態(tài)甩擋實(shí)船測(cè)量和主機(jī)與齒輪箱對(duì)中實(shí)船復(fù)測(cè)。主機(jī)曲軸冷、熱態(tài)甩擋dv（垂直臂距差）和dh（水平臂距差）均滿足主機(jī)廠的要求，主機(jī)與齒輪箱對(duì)中位移和裂面值偏差符合相關(guān)安裝工藝文件的技術(shù)要求。因此，上述原因4）可排除。

綜上分析，齒輪箱輸入軸推力傳遞到主機(jī)止推軸瓦上，超出主機(jī)止推軸瓦的承載能力，可能導(dǎo)致主機(jī)止推軸承出現(xiàn)高溫故障。

3.2 蓋斯林格聯(lián)軸器方面的原因分析

通過對(duì)蓋斯林格聯(lián)軸器的制造材料、工藝和結(jié)構(gòu)型式（見圖3）進(jìn)行分析可知，蓋斯林格聯(lián)軸器方面可能引起主機(jī)止推軸承出現(xiàn)高溫故障的原因如下：

圖3 蓋斯林格聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)示意圖

1）蓋斯林格聯(lián)軸節(jié)潤(rùn)滑不良或內(nèi)部潤(rùn)滑油不合格可能導(dǎo)致簧片移動(dòng)不順暢，軸向力通過蓋斯林格聯(lián)軸節(jié)傳遞給主機(jī)止推軸瓦；

2）蓋斯林格聯(lián)軸節(jié)的動(dòng)態(tài)軸向補(bǔ)償性能不滿足要求，導(dǎo)致軸向力通過蓋斯林格聯(lián)軸節(jié)傳遞給主機(jī)止推軸瓦。

通過對(duì)實(shí)船蓋斯林格聯(lián)軸器進(jìn)行拆解和檢查發(fā)現(xiàn)，主機(jī)至蓋斯林格聯(lián)軸器的供油和回油油路暢通，潤(rùn)滑良好，滑油的清潔度符合要求?；善c花鍵軸鍵槽存在磨損，接觸面的光潔度變差，摩擦力增大，在傳遞扭矩時(shí)，簧片與花鍵軸相對(duì)滑動(dòng)補(bǔ)償時(shí)可能存在卡滯現(xiàn)象。據(jù)此，上述原因1）可排除，原因2）是可能引起主機(jī)止推軸承出現(xiàn)高溫故障的原因。

3.3 主機(jī)止推軸承方面的原因分析

通過對(duì)主機(jī)止推軸承的制造材料、裝配工藝、潤(rùn)滑型式和承載能力進(jìn)行分析可知，可能引起主機(jī)止推軸承出現(xiàn)高溫故障的原因如下：

1）止推軸承潤(rùn)滑不良造成止推軸承與曲軸推力環(huán)之間的油膜建立不良，導(dǎo)致軸承遭到燒蝕；

2）止推軸承安裝不滿足要求，造成軸承間隙偏小或偏大，導(dǎo)致軸瓦遭到燒蝕；

3）止推軸承的承載能力不滿足要求，導(dǎo)致軸承遭到燒蝕。

通過對(duì)高溫?zé)g的主機(jī)止推軸瓦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)，并對(duì)主機(jī)止推軸承由主油路供油潤(rùn)滑的情況進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，軸承外側(cè)翻邊出現(xiàn)偏磨，但沒有出現(xiàn)大面積擦痕或發(fā)亮的磨痕，主機(jī)止推軸承與曲軸推力環(huán)之間潤(rùn)滑良好，滑油的清潔度滿足要求，由潤(rùn)滑不良導(dǎo)致軸承燒蝕的可能性可排除。對(duì)于主機(jī)止推軸承的安裝，主機(jī)廠有成熟的安裝工藝，在安裝、更換主機(jī)止推軸瓦時(shí)，對(duì)軸瓦的接觸面進(jìn)行著色檢查，對(duì)止推軸瓦的安裝間隙進(jìn)行測(cè)量記錄，滿足工藝文件的要求，因安裝問題導(dǎo)致軸承燒蝕的可能性可排除。

綜合以上各方面因素，主機(jī)止推軸承的承載能力不滿足要求是導(dǎo)致軸承燒蝕的可能原因。

4 實(shí)船動(dòng)態(tài)位移測(cè)量和臺(tái)架性能試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述原因分析，采用實(shí)船動(dòng)態(tài)位移測(cè)量和臺(tái)架性能試驗(yàn)驗(yàn)證等方法進(jìn)行逐一排查，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障原因的精準(zhǔn)定位。

4.1 蓋斯林格聯(lián)軸器軸向動(dòng)態(tài)位移補(bǔ)償量測(cè)量

對(duì)蓋斯林格聯(lián)軸器軸向動(dòng)態(tài)位移補(bǔ)償量進(jìn)行實(shí)船測(cè)量是查找、定位該船主機(jī)止推軸承高溫故障發(fā)生原因最直接、最有效、具有說服力的方法。在聯(lián)軸器靠近主機(jī)飛輪端上布置3 臺(tái)位移傳感器（L1 ～L3）和3 臺(tái)加速度傳感器（A1 ～A3），在聯(lián)軸器花鍵軸靠近齒輪箱端布置3 臺(tái)位移傳感器（L4 ～L6）和3 臺(tái)加速度傳感器（A4 ～A6），見圖4。

圖4 聯(lián)軸器軸向位移傳感器布置圖

試驗(yàn)在船舶航行期間進(jìn)行，主機(jī)轉(zhuǎn)速為360 ～520 r／min，在該轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)每增加10 r／min，測(cè)量并記錄1次。通過對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要得到以下結(jié)論：

1）聯(lián)軸器的相對(duì)位移隨轉(zhuǎn)速的增大而增大；

2）聯(lián)軸器輸入端（即主機(jī)飛輪端）運(yùn)行時(shí)逐漸向主機(jī)方向移動(dòng)，輸出端（即齒輪箱端）向齒輪箱方向移動(dòng)，振幅均逐漸增大；

3）當(dāng)左、右主機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到400 r／min時(shí)，均出現(xiàn)位移突變的情況，即相對(duì)位移突然增大。

由此得出，蓋斯林格聯(lián)軸器的動(dòng)態(tài)軸向補(bǔ)償性能不滿足要求，導(dǎo)致軸向力通過蓋斯林格聯(lián)軸器傳遞給主機(jī)止推軸瓦。

4.2 主機(jī)止推軸承承載能力性能試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)船工況，試驗(yàn)時(shí)模擬實(shí)船滑油壓力、溫度和流量，為主機(jī)止推軸承提供滑油潤(rùn)滑，開展臺(tái)架試驗(yàn)（見圖5）。主機(jī)止推軸承固定在軸承座內(nèi)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)軸旋轉(zhuǎn)，由液壓油泵提供軸向力，施加到止推軸承上。由怠速開始逐級(jí)增加轉(zhuǎn)速和軸向力至主機(jī)額定轉(zhuǎn)速和止推軸承軸向設(shè)計(jì)承載力。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到主機(jī)額定轉(zhuǎn)速（520 r／min）時(shí)，主機(jī)止推軸承的軸瓦能承載大于25 kN的軸向推力（主機(jī)止推軸承的設(shè)計(jì)承載能力為25 kN），說明止推軸承滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 主機(jī)止推軸承臺(tái)架試驗(yàn)

4.3 聯(lián)軸器加載后軸向補(bǔ)償能力試驗(yàn)驗(yàn)證

該船蓋斯林格聯(lián)軸器的額定扭矩為226 kN·m，軸向位移為±4 mm，軸向反作用力為22 kN；主機(jī)額定轉(zhuǎn)速為520 r／min，額定扭矩為162 kN·m。

試驗(yàn)工況：當(dāng)聯(lián)軸器的額定扭矩為0%（0 kN·m）、25%（57 kN·m）、50%（113 kN·m）、75%（170 kN·m）、100%（226 kN·m）時(shí)，模擬實(shí)船工況、轉(zhuǎn)速和滑油潤(rùn)滑，測(cè)量聯(lián)軸器的軸向力。試驗(yàn)結(jié)果如下：

1）當(dāng)聯(lián)軸器在主機(jī)額定工況（額定轉(zhuǎn)速為520 r／min，扭矩為162 kN·m）下時(shí)，測(cè)得聯(lián)軸器軸向力為21.8 kN，接近主機(jī)止推軸承的承載能力25 kN；

2）當(dāng)聯(lián)軸器加載扭矩為額定扭矩的75%（170 kN·m）時(shí)，軸向力為25.6 kN，大于理論值22 kN；

3）在相同扭矩情況下，聯(lián)軸器簧片彎曲頻率減小，聯(lián)軸器軸向力增大。

由此得出，蓋斯林格聯(lián)軸器的軸向反作用力超過額定設(shè)計(jì)值22 kN，瞬間過大的軸向反作用力超過了主機(jī)止推軸承的承載能力。

5 主機(jī)止推軸承高溫故障原因定位及解決方案

5.1 高溫故障原因定位

通過對(duì)軸向力、蓋斯林格聯(lián)軸節(jié)和主機(jī)止推軸承等可能引發(fā)高溫故障的原因進(jìn)行全面的排查和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定該船主機(jī)止推軸承發(fā)生故障的原因是蓋斯林格聯(lián)軸器軸向補(bǔ)償移動(dòng)時(shí)，動(dòng)態(tài)軸向補(bǔ)償性能不滿足要求，導(dǎo)致作用在主機(jī)止推軸承上的軸向力超過了主機(jī)止推軸承的承載能力，致使主機(jī)止推軸承出現(xiàn)高溫和軸瓦遭到燒蝕。

5.2 高溫故障解決方案

立足于該船現(xiàn)有的安裝和維修空間，在不移動(dòng)主機(jī)和齒輪箱的情況下，采取用橡膠彈性聯(lián)軸器替代蓋斯林格聯(lián)軸器的方案。同時(shí)，對(duì)替換后的主機(jī)止推軸瓦附加負(fù)荷、齒輪箱輸入軸負(fù)荷和軸系的扭振性能等進(jìn)行分析、計(jì)算，結(jié)果見表1 和表2，均滿足相關(guān)設(shè)備和規(guī)范的要求。

表1 聯(lián)軸器的徑向和角向補(bǔ)償能力對(duì)比

表2 聯(lián)軸器的軸向補(bǔ)償能力

由表1 和表2 可知：橡膠彈性聯(lián)軸器有較強(qiáng)的角向、徑向和軸向補(bǔ)償能力，且軸向位移為1 mm時(shí)的軸向反作用力很小，可避免主機(jī)止推軸承發(fā)生故障。根據(jù)故障原因分析結(jié)果，將原船蓋斯林格聯(lián)軸節(jié)換為橡膠彈性聯(lián)軸節(jié)，可滿足該船推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)聯(lián)軸節(jié)的技術(shù)要求，同時(shí)能減小聯(lián)軸器的軸向反作用力，解決該船主機(jī)止推軸承高溫和軸瓦燒蝕故障。

6 結(jié) 語

用橡膠彈性聯(lián)軸器代替蓋斯林格聯(lián)軸器，滿足動(dòng)態(tài)軸向補(bǔ)償性能要求，能減小聯(lián)軸節(jié)的軸向反作用力，解決推力軸承高溫灼燒的問題，有效防止主機(jī)止推軸承高溫和軸瓦燒蝕等故障發(fā)生，該船的改裝和解決方案合理、可行，可操作性較強(qiáng)。

近幾年橡膠彈性聯(lián)軸器在船舶動(dòng)力裝置中的應(yīng)用越來越廣，如在200 客高速客船、小型高速艇和高速護(hù)衛(wèi)艇主推進(jìn)軸系中應(yīng)用，為在動(dòng)力系統(tǒng)布置中采用彈性聯(lián)軸器提供了可靠的支撐。