黎秋瑩 賀石中 李秋秋 何偉楚 覃楚東 楊智宏

(1.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司,設(shè)備潤(rùn)滑與檢測(cè)研究所 廣東廣州 510530;2.工業(yè)摩擦潤(rùn)滑技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心 廣東廣州 510530)

大型船舶是水上最重要的交通和運(yùn)輸工具之一，因其具有載貨量大、成本低廉、運(yùn)輸平穩(wěn)等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于海上和內(nèi)河貨物運(yùn)輸作業(yè)中。由于大型船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，且機(jī)械維修成本較高，因此保證船舶的運(yùn)行可靠性具有重要的意義。

船舶艉管是船舶軸系里的一個(gè)部件，艉軸是連接主機(jī)和螺旋槳之間的傳動(dòng)軸。艉管和艉軸之間通過密封裝置來進(jìn)行密封，密封裝置里面用潤(rùn)滑油來進(jìn)行潤(rùn)滑。艉軸艉管一旦出現(xiàn)故障，將影響整個(gè)船舶的動(dòng)力輸出，因此加強(qiáng)對(duì)船舶艉軸艉管故障的深入研究，保證船舶的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)就顯得尤為重要。

對(duì)于船舶艉軸艉管的故障，很多學(xué)者在潤(rùn)滑特性方面進(jìn)行了相關(guān)研究。楊帆[1]對(duì)船舶軸封滑油消耗異常問題進(jìn)行了分析；鐘駿杰等[2]研究了船舶艉軸承的變形對(duì)其潤(rùn)滑特性的影響；武起立[3]對(duì)船舶推進(jìn)軸系滑動(dòng)軸承的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，闡述了進(jìn)行軸系滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑研究的重要意義，建立了軸承潤(rùn)滑數(shù)值計(jì)算模型，并探討各影響因素的變化對(duì)軸承潤(rùn)滑性能的影響；嚴(yán)雄飛等[4]計(jì)算得到艉軸承傾斜加工角度與軸承油膜參數(shù)的關(guān)系；陳繼康[5]從軸系設(shè)計(jì)、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)等方面分析了艉管后軸承的高溫問題；潘穗鋒[6]對(duì)環(huán)?；鸵鸬聂汗芎筝S承高溫現(xiàn)象進(jìn)行了分析；張緒猛和朱漢華[7]建立了艉軸與艉軸承之間潤(rùn)滑的數(shù)學(xué)模型,研究了艉軸轉(zhuǎn)速和潤(rùn)滑油黏度對(duì)艉軸與艉軸承之間的油膜壓力分布和承載力的影響，并分析了艉軸承高溫現(xiàn)象發(fā)生的主要原因。以上研究解決了艉軸艉管的各類相關(guān)故障問題，卻少有關(guān)于艉軸艉管基于油液監(jiān)測(cè)的潤(rùn)滑和磨損故障研究。

潤(rùn)滑是降低摩擦、減少或避免磨損的最有效技術(shù)[8]。潤(rùn)滑油是機(jī)械設(shè)備的“血液”，含有很多設(shè)備運(yùn)行情況的相關(guān)信息，如粉塵、油泥、磨損顆粒等。潤(rùn)滑不良往往是造成設(shè)備磨損的首要因素，通過監(jiān)測(cè)設(shè)備在用潤(rùn)滑油的理化性能和磨損顆粒信息，能夠分析預(yù)測(cè)甚至預(yù)防機(jī)器設(shè)備因潤(rùn)滑不良而可能出現(xiàn)的故障[9]。因此油液監(jiān)測(cè)技術(shù)已被廣泛運(yùn)用于各行各業(yè)設(shè)備的故障預(yù)測(cè)與健康管理中[10-14]。在船舶的油液監(jiān)測(cè)方面，涂建軍和郭井加[15]提出了對(duì)船舶裝備油液監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，來提升船舶的運(yùn)維水平。在未來，將油液監(jiān)測(cè)與性能參數(shù)監(jiān)測(cè)[16]、振動(dòng)噪聲監(jiān)測(cè)[17]、溫度監(jiān)測(cè)[18]、無損監(jiān)測(cè)等多種監(jiān)測(cè)手段結(jié)合起來，將形成對(duì)船舶中的關(guān)鍵設(shè)備如艉軸艉管的綜合故障診斷體系。

某船舶檢修后，因要試航且試航在近海區(qū)，受環(huán)保要求，艉管加入了環(huán)保生物潤(rùn)滑油。當(dāng)船舶航行出了近海區(qū)后，又將潤(rùn)滑油換成了礦物油。在換回礦物油并使用一段時(shí)間后，艉管便開始持續(xù)地異常發(fā)熱。為探討艉管溫度異常的原因，本文作者通過油液監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)油品的理化指標(biāo)、光譜元素、紅外光譜、鐵譜磨粒進(jìn)行了檢測(cè)和分析，并用最小油膜厚度公式計(jì)算了艉軸艉管的油膜厚度。

1 艉管的潤(rùn)滑情況及實(shí)驗(yàn)方案

1.1 艉管的潤(rùn)滑情況與結(jié)構(gòu)

艉軸是船舶軸系里面最易磨損的一段軸，艉管是艉軸通過的裝有密封和支撐裝置的管段。艉管內(nèi)的密封空間會(huì)充滿潤(rùn)滑油，其潤(rùn)滑方式為通過重力油柜的管路通入油來進(jìn)行潤(rùn)滑。艉管使用的潤(rùn)滑油，一般為與主柴油機(jī)牌號(hào)相同且黏度等級(jí)為SAE40的柴油機(jī)油，或者使用黏度等級(jí)為ISO VG 100或ISO VG 150的齒輪油。艉軸艉管摩擦副的主要潤(rùn)滑方式為流體動(dòng)壓潤(rùn)滑。由于艉軸艉管位置和工況的特殊性，常常會(huì)發(fā)生進(jìn)水和異常磨損的情況。艉軸艉管的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 艉軸艉管結(jié)構(gòu)

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

油液監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過檢測(cè)油品的理化和磨損指標(biāo)，來判定機(jī)械設(shè)備的潤(rùn)滑和磨損狀況，從而可以分析得出故障產(chǎn)生的原因。為了分析該船舶艉管異常發(fā)熱的原因，對(duì)艉軸艉管分別在異常發(fā)熱的3個(gè)不同時(shí)間段的在用油進(jìn)行取樣，分別簡(jiǎn)稱為在用油樣1、在用油樣2、在用油樣3。對(duì)3個(gè)在用油樣和新油樣，分別從理化指標(biāo)、光譜元素、鐵譜磨粒、紅外光譜4個(gè)方面進(jìn)行了分析，得到油品的理化性能、污染情況和油品中磨粒含量，從而綜合分析艉管的運(yùn)行狀態(tài)。

對(duì)船舶艉管潤(rùn)滑油的新油樣品制定的檢測(cè)分析項(xiàng)目為：40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度、100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度、黏度指數(shù)、堿值、傾點(diǎn)、紅外光譜、光譜元素、鐵譜磨粒；在用油樣品制定的檢測(cè)分析項(xiàng)目為：100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度、堿值、水分、閉口閃點(diǎn)、紅外光譜、光譜元素、鐵譜磨粒。

2 油液監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及分析

2.1 理化指標(biāo)分析

新油和在用油的理化指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。可知，艉管異常發(fā)熱后抽取的3個(gè)在用油樣品的100 ℃黏度變化趨勢(shì)平穩(wěn)，但是相比新油的黏度要高一些；水分均處于痕跡，說明軸承的密封狀態(tài)良好；3個(gè)在用油樣品的堿值與新油堿值相比，有一定的下降。堿值下降一方面表明油液存在高溫運(yùn)行和冷卻不良的情況，導(dǎo)致油品可能被氧化變質(zhì)，另一方面也反映出在用油品添加劑含量下降。

表1 理化指標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)

2.2 光譜元素分析

分別對(duì)新油和3個(gè)在用油進(jìn)行光譜元素分析，以判斷油品的磨損元素、污染元素、添加劑元素的含量情況。具體的檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 光譜元素分析數(shù)據(jù)

從表2可知，磨損金屬元素Fe、Cu、Pb、Sn的含量較新油有輕微的上升，表明設(shè)備可能存在一定程度的磨損。由于光譜元素分析的檢測(cè)局限性，只能檢測(cè)出小于5 μm的顆粒，因此油樣中可能存在大于5 μm的磨損顆粒而未被檢出，需要結(jié)合鐵譜磨粒分析來進(jìn)一步判斷。污染元素Al、Si的含量與新油持平，表明艉軸艉管的密封狀況良好，不存在外界的污染。3個(gè)在用油的添加劑元素Ca、Zn的含量與新油相比，存在明顯下降的情況，這與堿值的下降情況向?qū)?yīng)，表明在用油品可能存在添加劑降解或者油品混用的情況。

2.3 紅外光譜分析

為了進(jìn)一步判斷油品是否存在混油情況，分別對(duì)在用礦物油的新油、在用油樣品1、生物油進(jìn)行了紅外光譜分析，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，在用油樣1在1 745、1 155 cm-1處有明顯特征峰，峰位及峰形與生物油一致。結(jié)合表2中添加劑元素Ca、Zn含量的變化，可以進(jìn)一步判斷艉管的在用油中混入了生物油。

圖2 新油、在用油、生物油的紅外光譜圖

2.4 鐵譜磨粒分析

為了進(jìn)一步判斷機(jī)械設(shè)備的磨損情況，對(duì)3個(gè)在用油制備了鐵譜片，并在鐵譜顯微鏡下觀察，結(jié)果分別如圖3—5所示。

從圖3可看出，在用油樣1中存在油泥和軸承合金顆粒，且軸承合金顆粒尺寸較大，最大尺寸超過了100 μm，表明艉管或軸承已經(jīng)出現(xiàn)異常磨損，初步判斷軸承軸瓦表面的合金開始剝落。

從圖4可看出，在用油樣2中同樣存在油泥和軸承合金顆粒，軸承合金磨粒的最大尺寸超過了30 μm。此外，還發(fā)現(xiàn)了尺寸細(xì)小的銅合金顆粒，表明艉管的磨損進(jìn)一步惡化。

從圖5可看出，在用油樣3中同樣存在油泥和軸承合金顆粒，而且銅合金顆粒較在用油樣2明顯增多，且尺寸更大。銅合金磨粒的最大尺寸超過了100 μm，且存在高溫氧化現(xiàn)象，表明艉管的磨損持續(xù)惡化，艉管軸瓦的銅合金基體已經(jīng)開始磨損。

艉管的軸瓦一般分為三層，即軸承合金層、銅合金層、鋼套層。油樣中出現(xiàn)了較大顆粒的銅合金，表明軸瓦的軸承合金層已經(jīng)被磨穿，開始磨損到銅合金層，表明此時(shí)軸瓦磨損已經(jīng)非常嚴(yán)重。

圖3 在用油樣1中的磨粒

圖4 在用油樣2中的磨粒

圖5 在用油樣3中的磨粒

3 最小油膜厚度計(jì)算

根據(jù)鐵譜分析的結(jié)果可知，在3個(gè)油樣的取樣時(shí)間內(nèi)，艉管的磨損存在嚴(yán)重加劇的情況，磨損顆粒的濃度和尺寸均明顯增大，表明有可能磨粒的尺寸超過了艉軸艉管之間的潤(rùn)滑油膜厚度，產(chǎn)生了破膜的情況，從而造成異常磨損。

為了計(jì)算艉軸艉管之間的油膜厚度，文中引用徑向動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的油膜厚度計(jì)算公式[19]來計(jì)算膜厚。用最小油膜厚度hmin來表征艉軸艉管的實(shí)際油膜厚度。

hmin=C-e=C(1-ε)=rψ(1-ε)

(1)

式中:C=R-r為半徑間隙;R為軸承孔半徑;r為軸頸半徑；ε=e/C為偏心率；e為偏心距；ψ=C/r為相對(duì)間隙，計(jì)算公式為

(2)

其中：v為軸頸表面的線速(m/s)。

最小油膜厚度hmin必須滿足：

(3)

式中:Rz1、Rz2為軸頸和軸承的表面粗糙度。

船舶艉軸艉管的實(shí)際軸徑參數(shù)如表3所示。

表3 船舶艉軸艉管的實(shí)際尺寸參數(shù)

根據(jù)上述公式，代入該船舶艉軸艉管的實(shí)際尺寸參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，可以計(jì)算得知該艉軸艉管的最小油膜厚度hmin=4.38 μm。但是實(shí)際磨損產(chǎn)生的顆粒尺寸已大于100 μm，大大超過了最小油膜厚度。證明艉軸艉管在實(shí)際運(yùn)行過程中，因?yàn)檫^大的磨損顆粒，已經(jīng)產(chǎn)生了破膜的情況，從而進(jìn)一步加劇了軸瓦表面的磨損。

4 故障原因分析

綜合上述檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，可分析得出：在用油存在被生物油污染的情況，導(dǎo)致在用油的黏度和堿值較新油存在一定的差異，且存在一定程度的氧化現(xiàn)象；在用油被污染后導(dǎo)致添加劑元素Ca、Zn含量下降。因此，可分析得出該大型船舶艉管異常磨損的故障原因?yàn)椋簱Q油不徹底而導(dǎo)致了油品的混用，使得潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能及抗磨性能下降，無法起到正常的潤(rùn)滑作用，造成了艉軸軸瓦的早期磨損；隨著磨損的進(jìn)行，油樣中出現(xiàn)過大的磨損顆粒造成油膜破裂，從而使得軸瓦在短期內(nèi)磨損異常加??；嚴(yán)重的異常磨損，是造成艉軸的發(fā)熱現(xiàn)象的根本原因。

5 結(jié)論與建議

根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)、計(jì)算結(jié)果以及原因分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)造成黏度、堿值、添加劑元素異常的原因，是源于生物油的污染；

(2)換油不徹底而導(dǎo)致的油品的混用，使得潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能及抗磨性能下降，無法起到正常的潤(rùn)滑作用，造成了艉軸軸瓦的早期磨損；

(3)過大的軸承合金和銅合金異常磨損顆粒，造成艉軸艉管在運(yùn)行過程中油膜破裂，又進(jìn)一步加劇了艉軸軸瓦的磨損；

(4)嚴(yán)重的異常磨損，是造成艉軸的發(fā)熱現(xiàn)象的根本原因。

根據(jù)艉軸的異常發(fā)熱問題，提出以下建議措施：

(1)對(duì)機(jī)械設(shè)備潤(rùn)滑而言，應(yīng)盡量保持使用同一品牌油品，油品的錯(cuò)用或混用會(huì)影響設(shè)備潤(rùn)滑效果；

(2)如果需要進(jìn)行油品替換時(shí)，應(yīng)該將設(shè)備的原先在用油進(jìn)行排放并且徹底清洗系統(tǒng)，再換上另一油品；

(3)當(dāng)油液添加劑含量出現(xiàn)異常時(shí)，可視情對(duì)設(shè)備的在用油進(jìn)行添加/置換；

(4)當(dāng)出現(xiàn)異常磨損且磨損顆粒過大時(shí)，應(yīng)立刻對(duì)油品進(jìn)行過濾處理，避免磨損的進(jìn)一步加劇。