CCS浙江分社 賈建雄 陶力義

安 全 Safety & Security

艉軸承高溫故障分析與處理

CCS浙江分社 賈建雄 陶力義

軸系是船舶推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分，軸承是軸系的核心部件。尾軸承故障，將影響整個(gè)船舶的運(yùn)行，同時(shí)也增加了船舶的安全隱患。因此，在船舶設(shè)計(jì)、建造和營(yíng)運(yùn)的各個(gè)階段應(yīng)給予軸系足夠重視。本文結(jié)合某輪建造期間油潤(rùn)滑尾軸承高溫故障，詳細(xì)分析了產(chǎn)生故障的原因，介紹了修理過(guò)程及結(jié)果。對(duì)處理新造船尾軸故障、降低初始安裝風(fēng)險(xiǎn)有一定的借鑒意義。

高溫故障

某集裝箱船在主機(jī)系泊試驗(yàn)期間，艉管軸承監(jiān)控裝置出現(xiàn)高溫報(bào)警，且當(dāng)主機(jī)負(fù)荷逐步上升后溫度升高，最高達(dá)100℃以上。異常情況發(fā)生后，進(jìn)一步尋找原因，發(fā)現(xiàn)隨著主機(jī)轉(zhuǎn)速提高，艉軸承滑油溫度也升高；反之，主機(jī)轉(zhuǎn)減小，則艉軸承溫度降低。但無(wú)論如何，整個(gè)運(yùn)行期間，滑油溫度總體還是高于規(guī)范要求。中國(guó)船級(jí)社鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范第3篇第11章第1節(jié)規(guī)定，油潤(rùn)滑的艉軸承不應(yīng)超過(guò)70℃。此外還注意到，在主機(jī)和軸系運(yùn)行期間，船舶尾部振動(dòng)異常。

該輪軸系布置

該船為尾機(jī)型鋼質(zhì)集裝箱海船，采用單機(jī)、單槳、單軸系推進(jìn)系統(tǒng)，推進(jìn)裝置由一臺(tái)可換向船用低速柴油機(jī)通過(guò)一根中間軸、一根艉軸驅(qū)動(dòng)固定螺距螺旋槳組成（圖1)。

尾軸承采用白合金徑向滑動(dòng)軸承。前后軸承密封裝置及尾管形成密閉的腔室，內(nèi)部充滿潤(rùn)滑油。后軸承后端安裝有溫度傳感器（圖2）。

艉軸承工作原理及要點(diǎn)

尾軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，尾軸與尾軸承產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)并形成楔形空間，其中的潤(rùn)滑油在楔形空間中被規(guī)則的力擠壓，產(chǎn)生一定的反作用力，并由于滑油自身的粘度，于是在尾軸與尾軸承之間形成一層油膜，填充在尾軸與軸承之間狹窄的楔形空間內(nèi)。油膜的存在大大減少了尾軸與尾軸承之間的接觸力，從而減少了兩者表面之間的摩擦和磨損（圖3）。

而隨著尾軸的長(zhǎng)久運(yùn)轉(zhuǎn)，尾軸與尾軸承之間會(huì)產(chǎn)生大量的熱能并傳遞到滑油當(dāng)中，而尾管“浸泡”于冷卻水艙中，因此滑油的熱量會(huì)迅速被冷卻水帶走，冷卻水始終處于流動(dòng)狀態(tài)，因而滑油的熱量不會(huì)集聚，因此冷卻的滑油再繼續(xù)將尾軸承進(jìn)行充分的冷卻，所以，正常情況下，尾軸承溫度基本保持相對(duì)穩(wěn)定。尾軸承溫度要受3個(gè)方面因素的影響：尾軸承與尾軸的間隙、尾軸承與尾軸的相對(duì)傾角、尾軸承受力情況。

1、間隙。尾軸與軸承的間隙是軸系配合部件中至關(guān)重要的因素，間隙是否合適，直接決定了油膜能否恰當(dāng)、充分地建立。《中國(guó)造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》等規(guī)范規(guī)定了各類軸承在不同軸徑時(shí)的間隙值。軸承間隙過(guò)小，則油膜無(wú)法充分建立，進(jìn)而尾軸與軸承之間產(chǎn)生“干磨”，導(dǎo)致軸承高溫。軸承間隙過(guò)大，尾軸在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生甩蕩，滑油受到不規(guī)則的力的作用，且楔形空間過(guò)大，滑油自身的重力大于附著力，進(jìn)而也導(dǎo)致油膜無(wú)法良好建立。沒有油膜則潤(rùn)滑效果就變差、尾軸與軸承相互之間受力異常，且沒有油膜將熱量有效地傳遞到油池中去，繼而產(chǎn)生高溫，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致軸承異常磨損、熔融、甚至表面剝落。

2、相對(duì)傾角。隨著船舶大型化的發(fā)展，螺旋槳的重量和軸系的長(zhǎng)度在逐步增加，致使尾管后軸承處轉(zhuǎn)角過(guò)大，尾軸與尾管軸承的接觸面積減小，進(jìn)而導(dǎo)致軸承局部受力過(guò)大。為了使前后軸承受力均勻、磨損均勻且延長(zhǎng)其壽命，斜鏜孔及傾斜軸承等新型設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。

斜鏜孔即尾軸承斜鏜孔，是指通過(guò)斜鏜尾管軸承，使其內(nèi)孔中心線與軸承本體中心線傾斜一定角度。傾斜軸承，即將尾軸承傾斜放入尾管內(nèi)，尾軸中心線與軸承中心線無(wú)相對(duì)傾角，通常是將尾管用環(huán)氧樹脂傾斜固定在尾柱內(nèi)，再將尾軸承安裝到尾管內(nèi)。本船采用斜鏜孔，根據(jù)上述設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及批準(zhǔn)的軸系校中計(jì)算書可知，尾軸與后軸承的相對(duì)傾角約為3.5×10rad，達(dá)到中國(guó)船級(jí)社規(guī)范規(guī)定的3.5×10rad，因此采用了斜鏜孔。

3、軸承受力分析。規(guī)范對(duì)軸承長(zhǎng)徑比有明確規(guī)定，如白合金軸承為2～2.5，賽龍、橡膠等高分子軸承為4。這主要是為了使軸承各點(diǎn)上的局部應(yīng)力符合材料的要求。尾軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，尾軸承與軸接觸的任意一點(diǎn)上，均受到軸的重力、軸轉(zhuǎn)動(dòng)引起的切應(yīng)力以及軸震蕩時(shí)不規(guī)則的力等，受力情況復(fù)雜，因此油膜的存在至關(guān)重要。

查找故障原因

抽軸前，通過(guò)軸系頂升對(duì)軸系各軸承進(jìn)行負(fù)荷測(cè)量，核查其負(fù)荷分配是否符合《軸系校中計(jì)算書》的要求；測(cè)量主機(jī)曲臂差；進(jìn)干塢抽軸后，通過(guò)激光定位、測(cè)量，對(duì)軸系、尾軸承情況進(jìn)行分析；對(duì)尾軸承內(nèi)表面進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

1、軸承負(fù)荷測(cè)量

發(fā)現(xiàn)問題后，在船舶平浮狀態(tài)，分別在熱態(tài)和冷態(tài)，再次根據(jù)《軸系校中計(jì)算書》對(duì)軸承進(jìn)行了負(fù)荷測(cè)量。應(yīng)用頂舉法，分別在螺旋槳50%、75%、100%浸沒三種情況下進(jìn)行，結(jié)果顯示各軸承負(fù)荷均在計(jì)算書允許范圍內(nèi)。測(cè)量主機(jī)熱態(tài)、冷態(tài)臂距差，結(jié)果均符合主機(jī)規(guī)格書要求，以螺旋槳100%浸沒下的軸承反力為例（表1）。

2、軸舵系照光、拉線和測(cè)量及尾軸檢驗(yàn)

根據(jù)軸系布置圖，在干塢內(nèi)重新進(jìn)行軸舵系照光、拉線，在艉柱的艉軸管兩端，拉出測(cè)量用的中心線。

在如圖3的A、B兩段位置，測(cè)量艉軸承的徑向半徑，A和B段尾軸承內(nèi)有6個(gè)點(diǎn)位半徑小于185.37mm（尾軸直接為Φ370mm，間隙是0.70～0.75，因此尾軸管半徑約應(yīng)為185.375mm），且分布不規(guī)則；同理，C段尾軸承內(nèi)有4個(gè)位置的半徑小于187.875mm（尾軸直接為Φ375mm，間隙是0.7～0.75，因此尾軸管半徑約應(yīng)為185.875mm），分布也不規(guī)則，大部分區(qū)域測(cè)量數(shù)據(jù)R左=R右，R上-R下=2Y（Y為撓度），為合格。由上述數(shù)據(jù)可知，上述A、B、C三段軸承內(nèi)局部區(qū)域尺寸不滿足原批準(zhǔn)圖紙要求。

表1 各軸承的軸承反力（螺旋槳100%浸沒）

抽軸后，再次對(duì)尾軸頸進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)、尺寸檢查，結(jié)果顯示尾軸頸未受損，尾軸頸尺寸均在圖紙要求的+0/-0.036mm公差范圍內(nèi)。

3、尾軸管鏜孔復(fù)核及尾軸承內(nèi)部無(wú)損檢測(cè)

盡管尾管鏜孔精加工后，驗(yàn)船師曾仔細(xì)測(cè)量了內(nèi)孔尺寸，但還是再次復(fù)核尾軸管鏜孔原始數(shù)據(jù)（表2），可以得出鏜孔結(jié)果良好，圓度、圓柱度合格，內(nèi)部均勻、光潔，滿足批準(zhǔn)圖紙要求。尾軸抽出后，對(duì)尾軸承與軸接觸位置進(jìn)行表面清潔，清潔后進(jìn)行表面磁粉無(wú)損檢測(cè)，結(jié)果無(wú)缺陷。

4、原因判斷

（1）由上可知尾軸與尾軸承多處間隙太小，局部區(qū)域圓度和圓柱度超差，是導(dǎo)致尾軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)干磨、油膜不能良好建立的直接原因，進(jìn)而導(dǎo)致了尾軸承高溫。故障發(fā)生時(shí)船舶處于碼頭系泊試驗(yàn)階段，所以未造成軸承的嚴(yán)重破壞。

表2 尾軸管鏜孔后測(cè)量記錄（單位，mm）

（2）尾管精加工尺寸正確，因此故障的根本原因就是尾軸承內(nèi)徑加工尺寸不準(zhǔn)確。

（3）尾軸承采用斜鏜孔，斜鏜孔是在車床上進(jìn)行的，斜率、軸線與內(nèi)孔中心線交點(diǎn)的定位要求極高。因此，此二者未正確處理也是造成故障的可能原因。

5、處理方案及效用試驗(yàn)結(jié)果

按照前后兩處艉軸承的尺寸加工2根假軸（圖4）。用藍(lán)釉法將假軸與艉軸承進(jìn)行配合，反復(fù)進(jìn)行多次，查找接觸點(diǎn)，再對(duì)接觸的硬點(diǎn)進(jìn)行充分拂刮；待接觸面積達(dá)到75%以上后全面測(cè)量?jī)?nèi)徑尺寸；測(cè)量值符合4.2的要求后安裝尾軸，并仔細(xì)測(cè)量尾軸間隙和下沉量；在漂浮狀態(tài)下，測(cè)量各軸承負(fù)荷。

全部合格后，再次進(jìn)行了主機(jī)系泊試驗(yàn)，延長(zhǎng)了運(yùn)行時(shí)間。結(jié)果整個(gè)試驗(yàn)期間，尾軸承溫度穩(wěn)定，最高值為37℃。之后進(jìn)行航行試驗(yàn)，結(jié)果尾軸承溫度相對(duì)穩(wěn)定，且最高為39℃。試驗(yàn)表明，上述解決方案正確。

事故引發(fā)的思考和建議

1、軸系安裝全過(guò)程

（1）嚴(yán)格按照工藝進(jìn)行鏜孔前照光、拉線、打靶點(diǎn)定位并嚴(yán)格控制精度。

（2）鏜刀的安裝方法不當(dāng)和鏜刀的擾度超差等原因，都會(huì)引起艉管鏜孔時(shí)尺寸把握不住、尺寸不到位，徑向跳動(dòng)和粗糙度超差；必要時(shí)在鏜桿上設(shè)置支持軸承是有效的解決辦法。

（3）鏜孔“粗加工”后需要調(diào)整和復(fù)測(cè)，“半精加工”后再有一次精心的測(cè)量，這樣才能把握數(shù)據(jù)，及時(shí)修正偏差。艉軸承安裝后，還要對(duì)艉軸中心線的偏差進(jìn)行測(cè)定、對(duì)徑向尺寸復(fù)測(cè)。

（4）艉軸承嚴(yán)格按照安裝工藝壓裝，避免壓裝過(guò)程中軸承變形、內(nèi)部合金層鼓起；艉軸就位后，要仔細(xì)測(cè)量配合間隙。

（5）軸系的準(zhǔn)確校中，同樣是保證艉軸合理受力，順暢運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保證。

（6）斜鏜孔尾軸承機(jī)械加工要求高，船廠一般定制成品。因此，在定制時(shí)應(yīng)特別注意明確技術(shù)要求；到船廠后，也應(yīng)再次對(duì)內(nèi)徑、內(nèi)孔中心等進(jìn)行全面檢查。

2、船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度

（1）鏜孔后遭受外力的影響，如焊接變形，機(jī)艙設(shè)備移動(dòng)等外力，都會(huì)引起軸線的移位和變形。為了抵御上述外力的影響，需要機(jī)艙的船體結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度和剛度；如果船體艉部的強(qiáng)度和剛度不足，則在艉軸安裝以后都會(huì)因?yàn)檠b載和壓載而影響艉軸與軸承的配合和運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2)軸系拉線照光前，確保滿足規(guī)定的前提條件，即大型設(shè)備吊裝到位、大合攏等主要焊接工作結(jié)束，且軸系安裝后不應(yīng)有影響軸系撓度、彎矩、應(yīng)力、剪力的因素發(fā)生，如大的火工作業(yè)等。