陳繼康

(中船澄西船舶修造有限公司,江蘇 江陰 214400)

船舶艉管后軸承高溫分析及防范

陳繼康

(中船澄西船舶修造有限公司,江蘇 江陰 214400)

針對近年來在建船舶屢次發(fā)生艉管后軸承高溫，導(dǎo)致主推進(jìn)系統(tǒng)無法正常工作的情況，以發(fā)生后軸承高溫問題的船舶為研究對象，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)等方面進(jìn)行分析，從而找到相應(yīng)的防范措施。

軸系；艉軸管；后軸承；軸承高溫

0 引言

船舶艉管后軸承是大型船舶封閉式艉管的組成部分之一，其任務(wù)是支撐艉軸(也稱作螺旋槳軸)，使其可靠地通出船外。艉管后軸承承擔(dān)著艉軸與螺旋槳的靜態(tài)負(fù)荷及運(yùn)轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的動態(tài)負(fù)荷，工作狀況較為惡劣。軸承在艉管內(nèi)與艉軸以及首尾密封構(gòu)成一個相對獨(dú)立密閉且填充合適潤滑油的腔體，腔體外側(cè)是艉管冷卻水艙。其工作原理是：當(dāng)主機(jī)帶動艉軸旋轉(zhuǎn)時，艉軸與艉軸承之間形成了楔形空間，在這個楔形空間里，潤滑油被擠壓后形成一定壓力的油膜介于軸與軸承之間，避免了軸與軸承發(fā)生直接接觸產(chǎn)生干磨擦，同時潤滑油帶走軸運(yùn)轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的熱量，與艉管冷卻水艙里的淡水交換熱量，以確保軸與軸承之間的溫度保持在合適的范圍內(nèi)。一旦軸與軸承之間的油膜遭到破壞或油膜建立不好，軸與軸承之間就會產(chǎn)生干磨擦，導(dǎo)致接觸部位局部溫度升高。當(dāng)溫度達(dá)到后軸承材料巴氏合金的許用溫度100 ℃時，軸承表面的合金就會遭到破壞，產(chǎn)生金屬碎片，使摩擦進(jìn)一步加劇，溫度急劇升高，導(dǎo)致艉軸咬死等故障發(fā)生。

近年來，長江沿線船廠的在建船舶發(fā)生過不同程度的艉管后軸承高溫故障，而一旦發(fā)生這樣的問題，船舶就需要進(jìn)塢修理，更換軸承，軸系重新進(jìn)行校中，主機(jī)重新定位安裝。其修理費(fèi)用一般要在200萬左右，同時使船舶建造周期延長，船廠面臨著合同違約的風(fēng)險。

目前，引起艉管后軸承高溫的原因主要?dú)w納為軸系設(shè)計、軸系安裝校中、環(huán)保生物油、船舶吃水及淺水效應(yīng)等。

針對船舶艉管后軸承高溫這一現(xiàn)象，本文首先從軸系設(shè)計上對比三軸承設(shè)計和兩軸承設(shè)計的變化和特點(diǎn)，以及兩者發(fā)生艉管后軸承高溫現(xiàn)象的概率；其次針對傳統(tǒng)的軸系安裝工藝，船廠在解決艉管后軸承高溫問題的實踐過程中需要采取的具體措施與方法；再則針對使用環(huán)保生物油造成艉管軸承高溫問題，船廠可采取的措施；最后分析船舶在試航過程中，為避免問題發(fā)生所采取的措施，以及在發(fā)生艉管軸承高溫現(xiàn)象后，應(yīng)當(dāng)采取的控制措施。

1 軸系設(shè)計

根據(jù)美國船級社(ABS)對某船廠26艘在建船的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，艉管后軸承發(fā)生高溫或損壞的16艘船舶中，13艘船沒有設(shè)置艉管前軸承；沒有發(fā)生問題的10艘船舶中，9艘設(shè)置了艉管前軸承。由此可以初步判定，配有前軸承的艉管發(fā)生軸承高溫故障概率相對較低。

軸系設(shè)計一般采用三軸承設(shè)計，即設(shè)置艉管后軸承、艉管前軸承及中間軸承，其布置圖如圖1所示。隨著設(shè)計方法的提高、經(jīng)驗的積累和商業(yè)化的需求，在保證船舶總長度不變的情況下，為減小機(jī)艙的尺度以增加貨艙艙容，逐步簡化為雙軸承設(shè)計，僅有艉管后軸承和中間軸承，取消了艉管前軸承，其布置圖如圖2所示。

雙軸承設(shè)計存在問題如下：

(1)后軸承負(fù)荷偏大。由于沒有了前軸承，導(dǎo)致后軸承的負(fù)荷更容易受到中間軸承偏移量的影響，使后軸承負(fù)荷偏大。

(2)后軸承與艉軸的貼合程度不易把握。由于后軸承留有一定的設(shè)計裕度，因而即便負(fù)荷超出一些，也不是很致命的問題。但是如果艉軸與后軸承貼合度不好的話，極易導(dǎo)致后軸承負(fù)荷分布不均勻，從而在局部產(chǎn)生超出軸承許用負(fù)荷的情況，使軸承油膜無法建立，發(fā)生干磨擦，產(chǎn)生高溫?fù)p壞。

針對上述問題，目前已對雙軸承設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化處理：即對艉管后軸承斜度進(jìn)行雙斜度處理，其處理方案如圖3所示。通過這種方法來提高艉軸與后軸承的貼合度，增加接觸面積，使得軸承的負(fù)荷較為均勻地分布，避免局部負(fù)荷過重的情況出現(xiàn)。

2 軸系安裝校中及后期調(diào)試

由于雙軸承設(shè)計有別于傳統(tǒng)的三軸承設(shè)計，使得中間軸承的偏移對艉管軸承負(fù)荷影響比較大，增加了軸系的安裝精度要求，因此為提高校中的精度，需要采取以下措施：

(1)加強(qiáng)設(shè)備的入庫檢驗。對艉管軸承或艉管總成，應(yīng)側(cè)重對艉管軸承斜率的測量，保證外購艉管軸承斜率的正確性。

(2)加強(qiáng)工裝設(shè)備的檢驗，保證激光儀、鏜排等測試、加工設(shè)備精度。

(3)艉管軸承壓入前，增加激光望光軸線檢驗，檢查艉管軸承、艉管的同心度，消除因為鏜排撓度對鑄鋼件的加工精度。

(4)艉管軸承壓入過程中，核實艉管軸承的壓入力。壓入后，增加激光望光對軸線進(jìn)行復(fù)檢，確認(rèn)艉管軸承的同心度及艉管斜率。

(5)按照校中計算書用千斤頂頂升法測量中間軸承及其他軸承負(fù)荷，確保整個軸系總的靜負(fù)荷滿足校中計算書的要求，從而估算出艉管后軸承的實際負(fù)荷是否在軸承許用負(fù)荷之內(nèi)。如有條件，可以采用應(yīng)變片測量的方法，檢測艉管后軸承的負(fù)荷分布情況。

(6)系泊試驗和航行試驗過程中，要密切監(jiān)視軸承的溫度變化情況。正常情況下，軸承溫度值約為40 ℃，其高溫報警設(shè)定為60 ℃。

(7)增加艉軸與艉管后軸承的磨合時間。一般情況下，主機(jī)進(jìn)行系泊試驗運(yùn)行時間較短，艉軸與后軸承尚未充分磨合，因此需要在船舶試航前運(yùn)行主機(jī)50 h左右，以便于艉軸與后軸承充分磨合。

3 艉管滑油的選用

2013年前，船舶艉管潤滑油采用的石油均為提煉的礦物油。美國環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)(EPA)于2013年發(fā)布了商用船舶進(jìn)入美國水域的船舶排放標(biāo)準(zhǔn)(VGP)，規(guī)定進(jìn)入美國海域的船舶必須使用環(huán)保生物油以滿足VGP的要求。

自從環(huán)保生物油作為艉管潤滑油使用以來，艉管后軸承出現(xiàn)高溫問題的頻率較高。盡管目前沒有足夠的證據(jù)來證明使用環(huán)保生物油的船舶艉管后軸承易發(fā)生高溫問題，但是從幾家船廠調(diào)研的情況來看，使用環(huán)保生物油的船舶大多發(fā)生此類問題。

采用環(huán)保生物油易導(dǎo)致艉管后軸承發(fā)生高溫問題，采用礦物油則滿足不了美國環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)(EPA)的要求，為解決這一問題，可將原來傳統(tǒng)的油封形式改為氣封形式，其模型圖如圖4所示。

這種空氣式密封的原理是在尾密封的第2道骨架密封和第3道骨架密封之間充滿壓縮空氣，取代傳統(tǒng)的潤滑油。即使壓縮空氣的壓力大于第1道和第2道骨架密封之間的海水壓力，向海水中滲漏的是壓縮空氣而不是滑油，因此船舶艉管仍可以采用礦物油潤滑而不必?fù)?dān)心礦物油發(fā)生泄漏造成污染的問題。

4 船舶吃水及淺水效應(yīng)

船舶吃水較淺的情況下，當(dāng)1/3螺旋槳槳葉露

出水面時，推力偏心點(diǎn)會下移，由第1象限移至第4象限。這就意味著，垂直方向上的彎矩將由向上變?yōu)橄蛳?。這顯然會加重艉管后軸承上的負(fù)荷，支點(diǎn)處的相對轉(zhuǎn)角也會隨之增加，還會導(dǎo)致負(fù)荷更加集中于艉管后軸承的后端，邊緣載荷增大，極易加大艉管后軸承發(fā)生高溫故障的風(fēng)險。

此外，船舶在吃水較深而航道水深相對較淺時，此時船底距河床距離較小，底部水流相對較快，流壓相對變小，船舶航行時會發(fā)生吸底的現(xiàn)象，同樣也會增大艉軸及后軸承的負(fù)荷，加大后軸承發(fā)生高溫故障的風(fēng)險。

由于長江沿線船廠的地理條件所限，船舶試航時會遇到航道較淺而不得不減少船舶吃水的情況，此時，需要注意降低主機(jī)的速度，減小螺旋槳淺水效應(yīng)，控制操舵的角度以減小艉軸與后軸承的附加負(fù)荷，從而確保艉軸與后軸承的實際負(fù)荷仍在設(shè)計范圍之內(nèi)。

試航過程中，如果發(fā)生后軸承高溫的情況，此時需結(jié)合航道或海面的情況，采取主機(jī)降速至微速前進(jìn)或停車，就近找到錨地拋錨后，立即將艉管中的環(huán)保生物油更換為礦物油，以確保船舶的安全。

鑒于使用礦物油的實際使用效果要遠(yuǎn)好于使用環(huán)保生物油的效果，近年來，一些船廠同船東商量使用礦物油出海試航，在完成所有試驗項目后，在海上更換成環(huán)保生物油返航。經(jīng)實航證明，能夠確保艉管后軸承正常工作。

5 結(jié)語

鑒于艉管后軸承的高溫問題直接影響到船舶的主推進(jìn)系統(tǒng)，為避免此類問題的發(fā)生提出以下建議：

(1)對于設(shè)計已經(jīng)定型的船舶，根據(jù)其建造程度的不同，更換密封形式的方案為首選。如果船舶已經(jīng)開工或下水，則需要在系泊試驗時增加主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時間以使艉軸與后軸承充分磨合，或使用礦物油出海試航，待試航結(jié)束后再換成環(huán)保生物油。

(2)對于處于設(shè)計初期的船舶，則可以考慮增加艉管前軸承，以分擔(dān)后軸承的負(fù)荷，或采用雙斜度的后軸承，以改善后軸承負(fù)荷的分布情況。

(3)改進(jìn)軸系校中工藝，以提高對中精度。

(4)船舶試航時需要根據(jù)航道的情況，盡量在潮水水位高時通過淺水航道，且主機(jī)慢車通過以減小淺水效應(yīng)。

船廠在采取了上述部分措施之后，2016年以來艉管后軸承高溫的問題已經(jīng)得到有效的控制。

[1] 黃恒祥. 船舶設(shè)計實用手冊：輪機(jī)分冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[2] 應(yīng)長春.船舶工藝技術(shù)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2010.

2017-01-23

陳繼康(1976—)，男，工程師，從事船舶與海洋工程研究。

U664.21

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