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(中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七〇八研究所，上海 200011)

目前，在遠(yuǎn)洋航行等大軸頸艉軸船舶上，油潤滑艉管裝置應(yīng)用較為廣泛，而水潤滑艉管裝置主要應(yīng)用于艦船及內(nèi)河等小軸頸艉軸船舶上。全社會(huì)已注意到船舶對(duì)于海洋及空氣污染的嚴(yán)重性，并制定了相關(guān)法律法規(guī)以減少船舶對(duì)海洋及空氣造成的污染。如2013年3月，美國環(huán)保署(EPA)發(fā)布了2013船舶正常航行中產(chǎn)生的污染物排放通用許可(2013VGP)，要求所有船舶在油水界面上必須使用環(huán)保潤滑油，除非技術(shù)上不可行[1]。然而，根據(jù)國內(nèi)外多家船廠反饋，在使用環(huán)保油后，出現(xiàn)了艉管后軸承高溫報(bào)警，甚至軸承磨損的情況[2]。改用水潤滑艉管裝置，因不存在潤滑油，無需考慮2013VGP的要求，進(jìn)而水潤滑艉管裝置在大軸頸艉軸船舶上的應(yīng)用研究十分必要。水潤滑艉管裝置又分為開式和閉式。閉式水潤滑艉管裝置主要應(yīng)用在含泥沙較多的內(nèi)河或者沿海水域航行的船舶，同油潤滑艉管裝置相似設(shè)有艉密封，易損壞，其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，且需配備專用淡水艙，冷卻效果相對(duì)較差，易發(fā)生燒軸現(xiàn)象。因此，考慮結(jié)合2 700 TEU集裝箱船實(shí)船案例，分析開式水潤滑艉管裝置在大軸頸艉軸船舶上的應(yīng)用。

1 開式水潤滑艉管裝置

開式水潤滑艉管裝置結(jié)構(gòu)簡單，較易安裝。為確保軸承處潤滑效果，并防止熱量聚集，艉管裝置需設(shè)置獨(dú)立的水質(zhì)處理系統(tǒng)進(jìn)行供水。另外，因艉管裝置采用海水潤滑，為延長艉軸使用壽命，防止海水對(duì)艉軸的腐蝕，需在軸承區(qū)域處艉軸裝設(shè)銅套，在其他區(qū)域包覆涂層，以隔絕海水與艉軸直接接觸，見圖1。

1.1 前、后軸承

目前應(yīng)用較為廣泛的水潤滑軸承材料主要有橡膠和高分子復(fù)合材料[3]。由于橡膠軸承傳熱性較差，溫度較高時(shí)易發(fā)生老化，所需冷卻水量較大、水溫較低，且其承載能力較低，啟動(dòng)時(shí)易燒軸，不能干運(yùn)轉(zhuǎn)，所以不適用于艉軸直徑較大的水潤滑艉管裝置[4]。而高分子復(fù)合材料承載能力相對(duì)較高，干、濕條件下的耐磨損性能及抗沖擊性能均表現(xiàn)較好[5]，其綜合性能和壽命遠(yuǎn)優(yōu)于大多數(shù)傳統(tǒng)的水潤滑軸承材料，因此建議艉軸直徑較大的水潤滑艉管軸承選用高分子復(fù)合材料[6]。

水潤滑軸承的最大許用比壓較油潤滑軸承的低，船級(jí)社對(duì)其要求也不盡相同，因此，在軸系設(shè)計(jì)時(shí)，建議在后軸承處設(shè)置溫度傳感器及磨損傳感器，對(duì)其狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以便應(yīng)急處理。另外，船級(jí)社對(duì)水潤滑軸承設(shè)計(jì)長度的要求比油潤滑軸承的長，如GL要求后軸承長度約為4倍軸頸，前軸承長度約為1.5倍軸頸，但若臺(tái)架試驗(yàn)表明軸承具有足夠負(fù)荷能力，經(jīng)認(rèn)可應(yīng)適當(dāng)縮短其長度，以便安裝及布置[7]。

1.2 首密封裝置

開式水潤滑艉管裝置僅設(shè)有首密封裝置，主要由殼體、動(dòng)磨環(huán)、靜磨環(huán)及氣胎等組成，見圖2。動(dòng)磨環(huán)安裝在艉軸上，并隨艉軸轉(zhuǎn)動(dòng)，與靜磨環(huán)緊密接觸形成密封，以確保冷卻水不外泄。當(dāng)動(dòng)磨環(huán)磨損后，可在停車狀態(tài)下，對(duì)氣胎進(jìn)行應(yīng)急充氣，使其膨脹與艉軸形成密封，防止海水倒灌，從而在不抽軸的情況下，完成動(dòng)磨環(huán)的更換工作，大大提高船舶營運(yùn)的安全性及經(jīng)濟(jì)性，縮短船舶的維修周期，減少船舶維修費(fèi)用。對(duì)于動(dòng)磨環(huán)的型式，建議采用兩半式，以便在不抽軸的情況下，多次完成動(dòng)磨環(huán)的更換工作；若采用整體式，則應(yīng)提前在艉軸上裝設(shè)備用動(dòng)磨環(huán)，其僅可完成一次動(dòng)磨環(huán)的更換工作。

圖2 首密封裝置

1.3 艉管

艉管按型式可分為整體式和非整體式兩種。整體式艉管一般采用環(huán)氧澆注，并經(jīng)螺栓將艉管的首、尾部法蘭分別固定在首、尾鑄鋼件上，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格相對(duì)較高，但對(duì)船廠安裝工藝要求相對(duì)較低，便于船廠安裝，因其由廠家整體供貨，可大大縮短船廠的造船周期。非整體式艉管是直接焊接在首、尾鑄鋼件上，形成艉軸的潤滑空間，結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)船廠安裝工藝要求高?？筛鶕?jù)船廠安裝工藝水平及造船周期自行選擇艉管型式。

1.4 水質(zhì)處理系統(tǒng)

水質(zhì)處理系統(tǒng)主要由冷卻海水泵、旋風(fēng)式離心器、流量計(jì)及雙聯(lián)濾器等組成。系統(tǒng)中，冷卻海水泵經(jīng)雙聯(lián)濾器從海水總管內(nèi)吸水，再經(jīng)旋風(fēng)式離心器及流量計(jì)將海水送至首密封裝置中，為艉管軸承提供充足的冷卻水。其應(yīng)布置在輕載水線以下，并在其吸口管路上設(shè)置壓力傳感器或在雙聯(lián)濾器上設(shè)置壓差傳感器，以確保泵吸口始終處于正壓狀態(tài)，防止泵失吸導(dǎo)致冷卻水?dāng)嗔?，發(fā)生燒軸現(xiàn)象；而旋風(fēng)式離心器可將經(jīng)雙聯(lián)濾器初步過濾的冷卻水，進(jìn)行充分過濾及凈化，確保冷卻水的清潔度，以防其中顆粒雜質(zhì)磨損軸承，使得船舶可在泥沙含量較多的近海和內(nèi)河中航行。

系統(tǒng)中的冷卻海水泵、旋風(fēng)式離心器及流量計(jì)均須設(shè)置兩套，一用一備，在出現(xiàn)斷流、低壓等狀況下，可自動(dòng)切換，以確保冷卻水的正常供應(yīng)。在首密封裝置冷卻水進(jìn)口管路上應(yīng)設(shè)有壓力傳感器和溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測冷卻水的壓力及溫度，以確保所供冷卻水滿足使用要求。另外，系統(tǒng)還應(yīng)設(shè)應(yīng)急供水措施，若船舶擱淺，無法從海水總管內(nèi)吸水，可借用艉尖艙內(nèi)海水，為艉管軸承提供應(yīng)急冷卻水，以確保船舶應(yīng)急操作，見圖3。

圖3 水質(zhì)處理系統(tǒng)

1.5 銅套

銅套與艉軸一般采用紅套或冷壓等方法進(jìn)行過盈裝配，因軸與銅套材質(zhì)不同，對(duì)應(yīng)線膨脹系數(shù)不同，銅套裝配后可能會(huì)因溫度變化發(fā)生滑脫或脹裂等現(xiàn)象。為防止上述問題發(fā)生，應(yīng)特別注意對(duì)銅套最小安裝過盈量及其材料強(qiáng)度進(jìn)行校核[8]。

1.5.1 銅套最小安裝過盈量校核

δt=dm·Δt·α<δmin

(1)

式中：δt為螺旋槳軸軸頸隨溫度變化最大值，mm；δmin為銅套最小安裝過盈量，mm；Δt為海水變化溫差，℃；α為螺旋槳軸材料的線膨脹系數(shù)，1/℃；dm為銅套處螺旋槳軸外徑，mm。

1.5.2 銅套材料強(qiáng)度校核

(2)

根據(jù)式(1)可得螺旋槳軸軸頸隨溫度變化的最大值，若其計(jì)算結(jié)果小于銅套最小安裝過盈量，表明銅套將不會(huì)因溫度變化發(fā)生滑脫現(xiàn)象；而根據(jù)式(2)可得銅套在設(shè)計(jì)配合公差范圍內(nèi)所受的最大合成應(yīng)力，若其計(jì)算結(jié)果小于規(guī)范要求，如：GL要求其所受最大合成應(yīng)力應(yīng)小于75%銅套的屈服應(yīng)力[4]，則表明銅套在所選配合公差范圍內(nèi)不會(huì)因溫度變化而發(fā)生脹裂現(xiàn)象，其材料強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

2 校中計(jì)算

因水潤滑軸承最大許用比壓較油潤滑軸承的低，水運(yùn)動(dòng)粘度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于油運(yùn)動(dòng)粘度，且可能存在水脹和熱脹等問題，使得水潤滑軸承工作環(huán)境較油潤滑的惡劣。為確保水潤滑軸承運(yùn)行狀況良好，應(yīng)通過校中計(jì)算對(duì)軸承比壓進(jìn)行校核，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果，相應(yīng)地調(diào)整軸系布置以及軸承中心偏移量，使得軸承滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)[9]。

下面以2 700 TEU集裝箱船為例，通過校中計(jì)算，對(duì)水潤滑軸承在大軸徑艉軸、二沖程低速柴油機(jī)船舶上的工作狀態(tài)進(jìn)行校核，并針對(duì)開式水潤滑艉管裝置在大軸頸艉軸船舶上的應(yīng)用可行性進(jìn)行相關(guān)探討。2 700 TEU集裝箱船軸系主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

經(jīng)初步計(jì)算結(jié)果顯示，艉管前、后軸承在有些工況下，比壓超出最大允許值，且艉管后軸承處相對(duì)斜率(軸斜率-軸承斜率)超過規(guī)范要求：0.3 mm/m(GL)。為確保艉管前、后軸承在各工況下運(yùn)行指標(biāo)正常，對(duì)軸系軸承作如下調(diào)整：主機(jī)軸承中心向下偏移4.37 mm，中間軸承中心向下偏移2.10 mm，前后軸承中心向上偏移0.86 mm，后軸承斜鏜孔0.3 mm/m，如圖4所示。

根據(jù)軸承位置調(diào)整后參數(shù)校中計(jì)算，結(jié)果顯示：各工況下艉管后軸承處相對(duì)斜率遠(yuǎn)小于0.3 mm/m[10]；艉管前、后軸承所受最大壓力均小于最大允許壓力，如表2所示；各軸承反作用力處于限定范圍內(nèi)，如圖5所示；其他各項(xiàng)參數(shù)也均滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 2 700 TEU集裝箱船軸系主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖4 艉管軸承位置布局圖

2 700 TEU集裝箱船為首次在如此大軸徑艉軸上采用開式水潤滑艉管裝置的船舶，從其目前航行試驗(yàn)結(jié)果來看，艉管前、后軸承運(yùn)行狀態(tài)良好，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，即使是在使用含泥沙等顆粒雜質(zhì)較多的長江水作為冷卻水時(shí)，艉管軸承也未發(fā)生磨損現(xiàn)象，并且冷卻水進(jìn)出口溫升平穩(wěn)，一直保持在5 ℃范圍內(nèi)。

表2 各工況下軸承比壓

圖5 各軸承反作用力

由于軸頸越大，線速度越大，對(duì)于水膜的建立是有利的，雖然艉軸及螺旋槳重量將對(duì)應(yīng)增大，但其與軸承的接觸面積也將隨之增大[11]。另外，通過適當(dāng)增加軸承長度、調(diào)整軸承中心偏離量或斜鏜孔等方式，可進(jìn)一步降低軸承比壓，均布軸承載荷，使得各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求[12]。

3 結(jié)論

開式水潤滑艉管裝置在大軸徑艉軸船舶上應(yīng)用是可行的，并可應(yīng)用于泥沙含量較高的近海及內(nèi)河水域。為避免船舶艉管滑油泄露，造成海洋污染，開式水潤滑艉管裝置將是較好的替代方式，其初投資、運(yùn)行及維護(hù)成本相對(duì)較低，結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝，且其技術(shù)及材料已發(fā)展成熟，具有良好的市場及發(fā)展前景。

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