馮盎然

(中國船級社珠海分社，廣東 珠海 519000)

表面槳具有吃水淺、空泡腐蝕少、易于優(yōu)化機槳配合、航行阻力小、易拆卸與保養(yǎng)等優(yōu)點[1-5]，越來越多的公務艇采用表面槳。表面槳常見故障主要包括：操縱油缸壓力低，滑油溫度高，滑油壓力低等。與常規(guī)可修補故障不同，本文所述表面槳在試航中完全損毀，分析故障原因，在排除多種可能性后，最終通過碎片化學分析確認是萬向聯(lián)軸器內(nèi)部端面卡簧漏裝引起。而查閱相關檢驗文件后發(fā)現(xiàn)該零部件并非必檢項目。希望通過對該事故的總結，引起相關方的重視。

1 萬向聯(lián)軸器結構形式

世界上目前表面槳廠商較多，如美國Areson、雙環(huán)，法國SDS、新西蘭Seafury等[6]，典型表面槳剖面圖見圖1，主要部件包括輸入軸、操縱油缸、縱傾角度調(diào)節(jié)油缸、雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器、槳軸、球頭、球座、波紋罩、槳軸、舵葉、角度傳感器等。

圖1 典型表面槳剖面

雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器主要包含十字節(jié)、節(jié)叉，十字節(jié)4個端部含有密封環(huán)，即可阻擋細微顆粒進入端部造成磨損，亦可封存少量滑油，增強潤滑效果。十字節(jié)和節(jié)叉間裝有端面卡簧，其受力強度不大，主要起到相對固定作用，防止雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器產(chǎn)生徑向位移，觸碰到球頭與球座。端面卡簧與十字節(jié)見圖2。

圖2 雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器與端面卡簧

船舶前進時，柴油機輸出動力經(jīng)齒輪箱、輸入軸、雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器、槳軸傳輸至螺旋槳。通過控制轉(zhuǎn)舵液壓油缸實現(xiàn)轉(zhuǎn)舵，并根據(jù)主機負荷，通過控制縱傾油缸行程進而選取適當?shù)谋砻鏄獦~浸水面積，來獲得最大推進效率。裝置附有重力油箱，依靠重力為球頭與球座、艉封板軸承補充滑油，起到潤滑與冷卻作用。并通過套在球頭上的密封油圈，將滑油封鎖在球頭內(nèi)部。外部的波紋罩與球頭和球座間為空氣，波紋罩主要作用是：①保護球頭與球座，避免與異物碰撞，②防止內(nèi)部結構接觸海水而發(fā)生腐蝕，③防止滑油泄漏至海水中造成污染。

2 故障描述

在完成系泊試驗后進行航行試驗。航行試驗內(nèi)容見表1、2，即按GB/T3471—2011《海船系泊及航行試驗通則》和試航大綱對負荷試驗和Z型操舵試驗的要求。

表1 負荷試驗時間

表2 Z型操舵試驗

當完成Z型操舵準備進行倒車試驗時，發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

1)倒車操舵過程中船體發(fā)生強烈抖動。

2)再正車推進速度極低，左舷槳軸有明顯卡死現(xiàn)象，加大油門主機排煙管冒黑煙，齒輪箱輸出端轉(zhuǎn)速未增加。

3)駕駛臺滑油液位低聲光報警。

當即停止試驗，進入機艙發(fā)現(xiàn)表面槳滑油柜已空，見圖3。

圖3 滑油全部流失

拆解表面槳發(fā)現(xiàn)：解開波紋罩緊箍時即有大量黑色滑油流出，原本無接觸的球頭和雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器發(fā)生過劇烈碰撞，兩者損毀嚴重?，F(xiàn)場拆解情況見圖4。判斷認為，該損毀故障是由于雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器和球頭、球座高速碰撞造成。

圖4 損壞的球頭與雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器

3 故障原因

拆解表面槳過程中未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有其他異物，排除偶然外部干擾的可能性。只有當雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器發(fā)生異常角度變化時才可導致兩者高速碰撞。由此間接分析認為故障發(fā)生在負荷試驗調(diào)節(jié)縱傾角度或者操舵試驗時。根據(jù)該型號表面槳設計，其調(diào)節(jié)浸水面積最大縱傾角度為±7.5°，左右操舵最大角度為正負15°。在整個長時間負荷試驗過程中并未發(fā)現(xiàn)船體震動、或者表面槳滑油低位報警等異常，其中100%工況時調(diào)節(jié)表面槳最佳縱傾角度約為4°。那么，調(diào)節(jié)縱傾油缸的角度并不足以導致雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器和球頭、球座碰撞，因此故障發(fā)生在操舵過程中。

為確定事故原因，將思路概括為從外到內(nèi)。外部原因主要包括安裝問題，內(nèi)部原因主要是表面槳自身質(zhì)量問題。先對表面槳定位進行復檢，確認是否表面槳定位不滿足精度要求，在長時間受力不當后而損毀。若外部無問題后，再對內(nèi)部，即表面槳自身是否有質(zhì)量問題，進行復查，比如是否漏裝某些零部件等。

3.1 表面槳定位結果復核(外部)

在艉封板上定位尺寸和現(xiàn)場復檢照片見圖5，影響表面槳能否在最佳工況運行的主要定位數(shù)據(jù)為，法蘭水平端面距艉封板下沿(25±1)mm，見圖5b)中箭頭所示位置?，F(xiàn)場拆卸表面槳軸系后對該數(shù)據(jù)復核結果為24 mm，證明該數(shù)據(jù)并未造成表面槳軸系應力集中或其他原因而損毀。在確認該數(shù)據(jù)無誤后，對縱傾油缸、操舵油缸位置進行復核，測量結果均在誤差允許范圍內(nèi)。因此，可以完全排除安裝不當引起故障的可能性。

圖5 表面槳艉封板定位復檢

3.2 表面槳質(zhì)量原因分析(內(nèi)部)

在經(jīng)過復核后，排除了由安裝不當引起損毀的可能性。因此可以將查找故障范圍縮小到表面槳自身質(zhì)量問題，比如軸系強度不足，或者漏裝、錯裝某個零部件。從破損方式與位置，并結合表面槳原理來看，有如下幾種可能性。

第一種是漏裝十字節(jié)端面密封環(huán)，導致十字節(jié)端面滑油流失，并含有顆粒造成大量高溫磨損。

第二種是漏裝端面卡簧，十字節(jié)和節(jié)叉間不能確保相對固定，使得十字節(jié)脫落，在離心力的作用下與節(jié)叉、球頭、球座撞擊。

第三種是端面卡簧自身強度存在質(zhì)量問題，操舵試驗時在徑向力的作用下粉碎，而同樣引起十字節(jié)與節(jié)叉、球頭、球座撞擊。

3.2.1 十字節(jié)密封環(huán)對比

為判斷十字節(jié)密封環(huán)引起故障的可能性，拆解表面槳，發(fā)現(xiàn)表面槳的十字節(jié)密封環(huán)沒有全部安裝到位，但未發(fā)現(xiàn)其余故障和磨損，因此排除十字節(jié)密封環(huán)引起故障的原因。見圖6，個別表面槳十字節(jié)密封環(huán)數(shù)量不足。

圖6 密封環(huán)數(shù)量不足的十字節(jié)

缺失密封環(huán)的表面槳未發(fā)生故障，主要原因在于雙向十字節(jié)萬向聯(lián)軸器在正常工況時浸沒在大量滑油內(nèi)，得益于滑油使用時間較短，使得其有足夠的散熱和潤滑。當長時間運行后滑油會含有細小顆粒易引起十字節(jié)磨損，因此仍需對未發(fā)生故障的十字節(jié)進行更換。

3.2.2 碎片化學分析

由于雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器已過于碎片化，無法肉眼確認是否安裝端面卡簧，更無法判斷選取樣品進行強度測試，因此需選取合適的碎片和成品進行化學分析對比。

現(xiàn)場收集了5塊疑似端面卡簧或包含端面卡簧的樣品碎片，并同一套新雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器與一個完整端面卡簧，共7個樣品送往某質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所進行化學分析，部分樣品見圖7。

圖7 部分化學分析樣品

檢驗依據(jù)為GB/T 20125—2016《低合金鋼多元素的測定電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》?；瘜W分析結果見表3。

從表3中可以分析出：

表3 樣品碎片化學分析結果

1)分析Mn、Cr、Mo這3種化學元素含量范圍分析，2#、3#、4#和5#碎片與雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器均在同一含量水平。因此，2#、3#、4#和5#這4份碎片非端面卡簧碎片，或這4份碎片內(nèi)不包含端面卡簧碎片。

2)1#碎片中Mn、Cr、Mo含量范圍與端面卡簧和雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器成分均有明顯差異，故判定1#碎片不是端面卡簧碎片，或不包含端面卡簧碎片。

綜上，確認該套表面槳在出廠時，雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器缺少起相對固定作用的端面卡簧，導致裝置損毀。

4 過程還原與后續(xù)處理

4.1 過程還原

在進行滿負荷操舵時，縱傾油缸和操舵油缸同時工作，使得雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器發(fā)生角度變化，端面卡簧的缺失導致十字節(jié)和節(jié)叉無法相對固定，徑向旋轉(zhuǎn)范圍擴大，表面槳內(nèi)部結構緊湊，聯(lián)軸器和球頭原有的距離不足以為擴大的旋轉(zhuǎn)范圍提供冗余，使得聯(lián)軸器碰撞到球頭，并在反復碰撞過程中十字節(jié)和節(jié)叉脫節(jié)，使得碰撞結果愈加惡化，最終兩者均損毀。在球頭破損后，由于波紋罩與球頭和球座間的空間足以盛裝全部滑油，使得滑油通過球頭破損處流至波紋罩內(nèi)，在滑油流盡后艉封板軸承失去潤滑與冷卻，因高溫而變形卡住了槳軸。同時在不能通過滑油循環(huán)流動進行散熱后，波紋罩由于導熱性較差，無法通過接觸海水散熱，使得其內(nèi)部大量熱量聚集，溫度極速升高，滑油也因此變質(zhì)發(fā)黑。

4.2 后續(xù)處理

后經(jīng)表面槳廠家證實，由于該批船舶工期較為緊張，廠家無法在短時間內(nèi)生產(chǎn)出一定數(shù)量的表面槳，因此臨時委托第三方進行生產(chǎn)與組裝。該第三方無相關認可資質(zhì)，且是首次對該型號表面槳生產(chǎn)與組裝，不熟悉相關流程與需重點把控的項目，端面卡簧的強度也無法滿足廠家的要求，因此出廠產(chǎn)品失去有效的質(zhì)量把控。

考慮到實船的特殊性，對表面槳損毀的船舶更換表面槳，其余由第三方生產(chǎn)的表面槳全部拆解，核查是否有遺漏端面卡簧和十字節(jié)密封環(huán)，由于此次故障中未能找到有效端面卡簧碎片進行強度分析，為避免由于端面卡簧強度問題造成同樣后果，該項目全部表面槳更換更高強度端面卡簧。

5 改進建議

1)端面卡簧由于安裝位置在雙十字節(jié)萬向軸承內(nèi)部不易被注意到，且在實際運行過程中相對其他部件受力較小，相關人員只考慮到設計時其基本強度問題，忽視了其安裝與否及符合標準情況。查詢廠家相關質(zhì)量監(jiān)控文件，發(fā)現(xiàn)并未單獨提到或要求重點關注端面卡簧的安裝，實際檢測方式只是短時間的現(xiàn)場負荷和簡單的操舵試驗。另外，表面槳廠家往往限于場地原因和技術條件，在出廠前無法進行實船試驗，且臺架試驗的條件不足以模擬出實船的工況。事實表明，簡易的出廠試驗無法檢查出端面卡簧等零部件的漏裝。據(jù)查，目前市場里已有專為表面槳進行專業(yè)臺架試驗的設備，應盡早督促廠家引進。

2)該項目表面槳廠家以產(chǎn)能不足為由，將生產(chǎn)和安裝工作轉(zhuǎn)包給第三方，且并未提前告知。對整個生產(chǎn)進度造成了影響，重新對新表面槳進行系泊與航行試驗極大浪費了人力物力，增加了生產(chǎn)成本。該次損毀暴露了部分廠家對規(guī)范、法規(guī)認知不足，不能嚴格按照質(zhì)量體系進行生產(chǎn)活動，未盡到自身的生產(chǎn)責任和義務。應不定期對廠家進行質(zhì)量監(jiān)控與抽查，對工廠具有一定約束力。

3)在日后使用過程中，廠家應對端面卡簧的使用壽命做出評估，提醒用船單位在日常維護保養(yǎng)中及時更換，以免造成類似情況。由于使用壽命受工況影響會一定程度縮減。除此以外，可參考尾軸間隙及舵桿間隙等檢驗要求，對端面卡簧的磨損程度給出限值，若磨損程度過大，也將導致節(jié)叉與十字節(jié)失去有效固定，有引起損毀的可能性?？山Y合船舶特別檢驗，將其列為表面槳拆檢時必檢項目，當超過標準值后及時更換。

4)此次案例中廠家將生產(chǎn)委托給無資質(zhì)的第三方，而未能將質(zhì)量體系落實到位。相關產(chǎn)品檢驗要求主要對產(chǎn)品強度、材料、性能、耐久時間等做出要求，而未能明確抽檢數(shù)量，存在部分廠家對送檢樣品確保質(zhì)量，而其余產(chǎn)品質(zhì)量未知的可能性。因此在相關要求中應明確規(guī)定大批量生產(chǎn)時對成品的抽檢數(shù)量，并應不定期對成品進行抽檢。

結合此次故障，相關人員都應意識到，必檢項目不應限于硬件條件而無法得到有效落實。且廠家應堅決杜絕承包給第三方生產(chǎn)與安裝情況發(fā)生，加強規(guī)范與法規(guī)認知，盡到相關的責任與義務。