梁震

摘 要：本文結(jié)合案例，通過建立力學(xué)模型，對(duì)艉軸的受力情況進(jìn)行分析，提出導(dǎo)致艉軸裂紋產(chǎn)生的主要因素，同時(shí)論述艉軸裝船前包括加工、拂配等工藝的檢驗(yàn)要點(diǎn)，并提出防范措施。

關(guān)鍵詞：艉軸;裂紋;偏心;拂配

中圖分類號(hào)：U664.2 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2019）11-0085-02

裂紋是艉軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中常見的缺陷，當(dāng)裂紋未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)而繼續(xù)擴(kuò)展的話甚至?xí)?dǎo)致發(fā)生軸體斷裂，螺旋槳掉落的嚴(yán)重事故，嚴(yán)重的威脅船舶航行安全。裂紋產(chǎn)生的原因諸多，螺旋槳自重與自重偏心產(chǎn)生的載荷在很大程度上是其誘發(fā)的主因之一。

1 ?案例

某公司所屬的散貨船，從歐洲的某港口離港過程中發(fā)現(xiàn)主機(jī)正車轉(zhuǎn)速偏慢，隨后船舶到錨地停船測試，其異常情況未見好轉(zhuǎn)，當(dāng)時(shí)船員初步判定故障原因是螺旋槳在離碼頭倒車過程中被冰塊擊傷受損所致。

故障發(fā)生后，船東安排潛水員對(duì)本輪進(jìn)行了探摸，根據(jù)螺旋槳損壞情況，對(duì)螺旋槳進(jìn)行了兩次修邊切割，隨后投入運(yùn)營。同時(shí)船東訂購了新的螺旋槳，半年后船舶進(jìn)塢更換新槳，之后一切恢復(fù)正常。兩年后，船舶再次進(jìn)塢修理并進(jìn)行塢內(nèi)檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)艉軸錐部與螺旋槳槳轂接觸處前端有圓周方向的徑向裂紋，對(duì)裂紋進(jìn)行打磨后發(fā)現(xiàn)深度超過超過了規(guī)范要求的裂紋深度。為防止將來艉軸斷裂掉槳，造成重大事故，驗(yàn)船師建議更換艉軸，重新拂配。

2 ?原因分析

螺旋槳正常運(yùn)行過程中，本身自重及偏心會(huì)對(duì)艉軸產(chǎn)生的影響， 主要原因來自螺旋槳本身重力及螺旋槳重力偏心引起的慣性力。

2.1 ?力學(xué)模型分析

根據(jù)艉軸在船體上的安裝形式，可將螺旋槳艉軸段看成是等直徑平滑圓軸，艉軸的載荷簡圖如圖1所示：

圖1 ?艉軸的載荷簡圖

其中螺旋槳的自重視為一偏心距為e的集中載荷 G， F為螺旋槳的自重偏心所產(chǎn)生的慣性力，其大小為：

F=（Ge/g）（nπ/30）2[1] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中 g為重力加速度 （取9.8m/s2 ） ，ω為角速度，e為偏心距（mm），n為螺旋槳的轉(zhuǎn)速（r/m in）。

因此螺旋槳處艉軸所受的最大的力Fmax為

Fmax =G +F = G（1+en2π2/900g） ? ? ? ? （2）

兩者共同作用導(dǎo)致槳軸的推力中心會(huì)產(chǎn)生一定距離的偏移，從而產(chǎn)生一定的偏心彎矩，在螺旋槳未發(fā)生損壞情況下是正常允許的。

案例中船舶的螺旋槳在損壞后依舊運(yùn)行一段時(shí)間，此時(shí)運(yùn)行時(shí)螺旋槳的偏心距e將明顯增大，考慮艉軸的支承形式， 可將其簡化為如圖2的力學(xué)模型，

圖2 ?艉軸變形圖

其撓度方程[2]為：

AB段

y=Fmax（l2-x2）/6EI ?（0≤x≤l） ? ? ? ? ? ? （3）

BC段

y=Fmax（x -l）[a（3x-l）-（x-l） 2/6EI ?（l≤x≤x+a） ? （4）

重點(diǎn)考慮BC段（即艉軸與螺旋槳連接端），其最大撓度ymax為：

y max = Fmax a2 （ l + a） /3E I ? （x=l+a） ? ? ? ?（5）

由公式（1）-（5）可得出，偏心距e對(duì)艉軸變形的影響是一種線性關(guān)系，其影響如圖3所示：

由圖3可以看出，隨著e的增大，ymax也增大，當(dāng)e達(dá)到某一值時(shí)，ymax將可能超過軸的許用撓度，加之轉(zhuǎn)速的提升使慣性力增大，相互作用之下使得艉軸發(fā)生損傷。

2.2 ?主要因素分析

（1）因槳葉損傷修補(bǔ)、割邊后打磨處理不當(dāng)， 加之生產(chǎn)時(shí)留下的工藝誤差， 經(jīng)長時(shí)間使用，使各槳葉傾角、螺距因時(shí)效作用發(fā)生變化，加之葉片受化學(xué)腐蝕、空泡氣蝕、磨損等影響呈現(xiàn)不均衡。這些均會(huì)造成螺旋槳重心與槳轂中心軸線的不重合，此時(shí)在螺旋槳自重和其產(chǎn)生的慣性力作用下， 使船舶在運(yùn)行過程中加劇軸系同軸承間的摩擦和振動(dòng)， 促使原來軸系在熱、冷生產(chǎn)工藝和加工過程中就存在的客觀尺寸裂紋和內(nèi)部的微觀缺陷（如較大的非金屬夾渣、縮孔、氣孔、焊接缺陷等）[3] ， 進(jìn)一步發(fā)展成宏觀裂紋。

（2）船東在更換新槳時(shí)的拂配不到位，加劇了由偏心距e產(chǎn)生的慣性力對(duì)艉軸承負(fù)載產(chǎn)生的影響， 交變應(yīng)力的作用使軸系運(yùn)行極不穩(wěn)定， 軸承和軸頸的磨損加劇，最終造成軸系的工作環(huán)境進(jìn)一步惡化。加之軸和軸承表面存在細(xì)裂紋， 在應(yīng)力作用下極易導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展， 最終產(chǎn)生疲勞破壞斷裂。

3艉軸裝船前檢驗(yàn)

由于艉軸裂紋深度已超過規(guī)范要求的范圍，需要更換新的艉軸。按照設(shè)計(jì)圖紙，尋找滿足要求的原材料，經(jīng)機(jī)械加工、產(chǎn)品檢驗(yàn)后形成成品，經(jīng)銅套鑲嵌、軸槳拂配，法蘭鉸孔，涂層涂裝等工藝后上船安裝使用。

3.1 ?艉軸加工

根據(jù)艉軸設(shè)計(jì)圖紙，由配套廠提供滿足要求的毛坯件（提供檢驗(yàn)報(bào)告和產(chǎn)品證書），加工廠按圖對(duì)毛坯件進(jìn)行機(jī)械加工，并對(duì)加工后的艉軸尺寸和精度進(jìn)行檢驗(yàn)，滿足圖紙及規(guī)范要求后對(duì)艉軸進(jìn)行磁粉或著色表面探傷檢查，最后應(yīng)在艉軸顯眼位置使用鋼印打上船檢標(biāo)識(shí)并由船檢機(jī)構(gòu)發(fā)產(chǎn)品證書[4]。

3.2 ?前、后銅套車制、熱（紅套）鑲嵌

前、后銅套按材料配方要求，進(jìn)行配料、鑄造，粗成型，上車床內(nèi)外加工，車削，完工后與新艉軸進(jìn)行紅套鑲嵌，過盈配合，冷卻緊固后根據(jù)圖紙要求，再進(jìn)行倒角，銅套外表精加工滿足圖紙工藝精度。

3.3 ?與螺旋槳拂配

3.3.1 新艉軸錐體精加工后，需與螺旋槳錐孔進(jìn)行拂配

拂配工藝可分為豎拂、橫拂等，本次采用豎拂工藝，應(yīng)注意：

（1）應(yīng)有相應(yīng)的場地及吊重設(shè)施，吊鉤有效高度必須大于艉軸的樹立高度;

（2）螺旋槳錐孔大端朝上，水平牢靠固定;

（3）艉軸采用專用吊環(huán)起吊，注意軸體的保護(hù)，每次起吊前應(yīng)檢查連接是否可靠，簪緊裝置安裝在艉軸上方便艉軸起吊后的轉(zhuǎn)動(dòng)。

（4）拂配時(shí)注意檢查槳軸的合配情況，用塞尺檢查大小端間隙直至滿足要求。

3.3.2 ?螺旋槳拂配工藝要求[5]應(yīng)保證：

（1）錐孔拂配后接觸應(yīng)均勻，應(yīng)保證結(jié)合面在全長上均勻貼合，錐部大端的接觸面積用色油檢查應(yīng)不少于70%均勻貼合，并要求在25×25mm?內(nèi)接觸油斑不少于3個(gè)接觸點(diǎn);

（2）螺旋槳錐孔加工時(shí)，應(yīng)四周均勻的修刮，以保持同軸度與垂直度;

（3）錐孔修刮后，艉軸錐體部分在錐孔內(nèi)的相對(duì)位置，應(yīng)滿足圖紙或工藝的要求;

（4）螺旋槳與槳軸拂配后，螺旋槳錐孔小端端面與艉軸小端錐面間距應(yīng)在15mm以上（視軸徑大小而定）。

3.4 ?艉軸法蘭鉸孔

新艉軸與中間軸連接法蘭的螺栓孔應(yīng)重新配鉸。鉸孔時(shí)軸應(yīng)對(duì)中，并重復(fù)配絞打磨，直至螺栓孔與其相配的螺栓精度滿足要求，內(nèi)孔粗糙度應(yīng)滿足圖紙要求。

3.5 ?新艉軸賽龍涂料涂裝

案例中船舶艉軸冷卻方式為水冷式，為防止海水腐蝕，艉軸應(yīng)采取涂裝保護(hù)。噴涂前艉軸應(yīng)進(jìn)行噴砂處理，然后移至車床，在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行涂料噴涂操作，涂料兩端接觸部位采用貝爾佐納包裹過渡，涂料固化并徹底干透后艉軸才能安裝。

4 ?防范措施

（1）螺旋槳的偏心距和偏心產(chǎn)生的慣性力對(duì)軸的強(qiáng)度有很大的影響，如螺旋槳出現(xiàn)損壞應(yīng)及時(shí)切割或修復(fù)槳葉，并注意槳葉邊緣的打磨處理，同時(shí)降低運(yùn)行轉(zhuǎn)速，以降低偏心距和慣性力的影響，避免艉軸的裂紋惡化。

（2）艉軸的制造要嚴(yán)格按照?qǐng)D紙和工藝要求進(jìn)行，盡量減少生產(chǎn)與加工過程中所產(chǎn)生的缺陷，盡量避免裂紋，減少軸尺寸突變，保證過度光滑，減少應(yīng)力集中產(chǎn)生。

（3）螺旋槳與艉軸的拂配要嚴(yán)格按照工藝進(jìn)行，準(zhǔn)確到位，避免因拂配不準(zhǔn)而導(dǎo)致軸系運(yùn)行不穩(wěn)、應(yīng)力集中等情況發(fā)生，最終造成艉軸損壞的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室， 編. 理論力學(xué)（II冊(cè)）. 第 8 版. 北京： 高等教育出版社， 2016.

[2]劉鴻文. 材料力學(xué) （I冊(cè)）. 第 6 版. 北京： 高等教育出版社， 2017.

[3]錢立保.蔣義海， 螺旋槳修理中的靜平衡檢驗(yàn)方法研究. 裝備制造技術(shù)， 2012.

[4] 陸俊岫，船舶建造質(zhì)量檢驗(yàn)，哈爾濱工程大學(xué)出版社，1996.CB/T 3420-1992，船舶軸系修理裝配技術(shù)要求，1992.

[5]CB/T 3420-1992，船舶軸系修理裝配技術(shù)要求，1992