王樹(shù)寶

(揚(yáng)州中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司， 江蘇 揚(yáng)州 225211)

0 引 言

隨著世界貿(mào)易全球化的進(jìn)程不斷加快，船舶呈現(xiàn)出大型化的發(fā)展趨勢(shì)。在船舶大型化發(fā)展過(guò)程中，軸系校中問(wèn)題逐漸引起業(yè)界的關(guān)注，給船舶建造行業(yè)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。軸系高溫?fù)p壞事故在系泊試驗(yàn)、航行試驗(yàn)和船舶實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中時(shí)有發(fā)生，會(huì)給船舶帶來(lái)巨大影響。特別是超大型油船(Very Large Crude Carrier, VLCC)和大型集裝箱船等大型船舶，一旦發(fā)生軸系高溫故障，將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本文結(jié)合某大型集裝箱船在運(yùn)營(yíng)期間發(fā)生的軸系高溫故障，詳細(xì)分析該故障發(fā)生的原因，介紹軸系優(yōu)化的過(guò)程，為處理大型集裝箱船的軸系高溫故障，降低軸系設(shè)計(jì)和安裝方面的風(fēng)險(xiǎn)提供一定的參考。

1 軸系高溫故障情況

在建造某大型集裝箱船期間對(duì)其進(jìn)行系泊試驗(yàn)和航行試驗(yàn)，艉軸正常運(yùn)轉(zhuǎn)。該船投入運(yùn)營(yíng)3個(gè)月之后，在滿載、主機(jī)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的工況下運(yùn)行時(shí)，駕駛員操作的舵角超過(guò)右舵15°，出現(xiàn)艉軸承溫度升高到55 °C左右的情況。此時(shí)船長(zhǎng)立刻發(fā)出減速航行指令，并避免大舵角操作。在該船后續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，其艉軸承的溫度緩慢上升，船員密切關(guān)注艉軸承溫度的變化趨勢(shì)。輪機(jī)長(zhǎng)在船舶?？看a頭時(shí)將采集的艉軸承滑油送至檢測(cè)公司檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)艉軸滑油中的金屬成分超標(biāo)，由此判斷艉軸承可能已被燒蝕。

2 軸系布置情況

該船為13 000 TEU集裝箱船，機(jī)艙布置在中艉部，由1臺(tái)低速柴油機(jī)、2根中間軸、1根艉軸和1個(gè)固定式螺距共同組成單機(jī)單槳單軸系的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。軸系總長(zhǎng)約35.5 m，中間設(shè)有2個(gè)中間軸承和艉軸前后軸承作為支撐。艉軸總長(zhǎng)13 131 mm，直徑910 mm。艉軸管和艉軸前后密封組成一個(gè)完整的密封空間，使艉軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)與艉軸前后軸承接觸的地方浸沒(méi)在艉軸滑油中。

3 導(dǎo)致艉軸發(fā)生高溫故障的根本因素

首先分析導(dǎo)致艉軸發(fā)生高溫故障的根本因素。在正常狀態(tài)下，艉軸與軸承之間存在合理的軸承間隙，間隙中充滿艉軸滑油。在艉軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承間隙中的艉軸滑油會(huì)被擠壓并產(chǎn)生反作用力，由于艉軸滑油本身帶有一定的黏度，使得艉軸與軸承之間形成一層油膜。在理想狀態(tài)下，艉軸與軸承并不發(fā)生直接摩擦，而是懸浮在油膜上面。油膜受到擠壓會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，這些熱量可通過(guò)艉軸冷卻艙中的冷卻水或其他方式傳導(dǎo)出去，保持艉軸溫度在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)。因此，有效建立油膜是控制艉軸溫度的關(guān)鍵。

艉軸與軸承之間的油膜能否成功建立主要取決于以下2個(gè)因素：

1) 艉軸與軸承之間存在的軸承間隙。合理的軸承間隙有助于在艉軸與軸承之間形成一個(gè)適當(dāng)?shù)男ㄐ慰臻g。艉軸在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其滑油會(huì)因自身的黏度在該楔形空間內(nèi)建立起油膜。當(dāng)該楔形空間過(guò)大時(shí)，由于黏度的關(guān)系，滑油的重力會(huì)大于附著力，使油膜無(wú)法附著在軸徑表面，導(dǎo)致油膜建立失??；當(dāng)該楔形空間過(guò)于狹小時(shí)，滑油的存量比較少，不足以建立油膜。

2) 單位面積艉軸承上承受的壓力。在保證軸承間隙正常的情況下，艉軸通常可浮在油膜上轉(zhuǎn)動(dòng)，但可能會(huì)因艉軸向下的力過(guò)大而導(dǎo)致油膜不能承受該壓力，使艉軸與軸承直接摩擦。隨著船舶日益大型化，螺旋槳和艉軸的質(zhì)量都在不斷增加，導(dǎo)致軸承載荷過(guò)大，當(dāng)軸承后端的局部載荷超過(guò)軸承所能承受的極限時(shí)，會(huì)加速軸承磨損和失效，進(jìn)而縮短軸系的使用壽命。由于艉軸后端螺旋槳的質(zhì)量過(guò)大，使得艉軸有一定的形變，艉軸中心線與艉軸管中心線不再平行，而是存在一定的角度。通過(guò)斜鏜孔只改變艉管后軸承的中心線，使其與變形后的艉軸中心線平行，由此增大艉管后軸承的接觸面積，減小單位面積艉軸承上承受的壓力。中國(guó)船級(jí)社規(guī)定，在艉管后軸承支點(diǎn)處，螺旋槳軸與艉管后軸承的相對(duì)傾角在靜態(tài)下一般不超過(guò)3.5×10-4rad。

4 艉軸高溫故障產(chǎn)生的原因

導(dǎo)致該船油膜建立失敗的主要原因是上述2個(gè)因素中至少有1個(gè)不能達(dá)到要求。首先核對(duì)單位面積艉軸承上承受的壓力是否過(guò)大。在熱態(tài)時(shí)采用頂舉法對(duì)整個(gè)軸系中各軸承的負(fù)荷進(jìn)行復(fù)測(cè)。1號(hào)中間軸和2號(hào)中間軸的復(fù)測(cè)結(jié)果在可接受的范圍內(nèi)，艉管前軸承的負(fù)荷比計(jì)算值小。通過(guò)計(jì)算得出艉管后軸承后端的負(fù)荷超出了軸系校中計(jì)算書的要求。

隨后核查軸承間隙。船舶進(jìn)塢之后第一時(shí)間對(duì)其軸承間隙進(jìn)行測(cè)量。實(shí)測(cè)軸承間隙為2.90 mm；根據(jù)原軸系校中計(jì)算書的要求，軸承間隙應(yīng)為1.40 mm，而在建造安裝時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)為1.45 mm。通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可預(yù)測(cè)艉軸承會(huì)有較大的磨損。該預(yù)測(cè)在拆船之后得到驗(yàn)證，艉軸承后端有較大的磨損(見(jiàn)圖1)。

由測(cè)量結(jié)果和軸承燒蝕的部位可知：艉管后軸承后端單位面積上承受的壓力過(guò)大。為查找艉管后軸承負(fù)載過(guò)大的原因，對(duì)艉管后軸承的安裝精度進(jìn)行復(fù)測(cè)。該船的艉管后軸承設(shè)計(jì)有一定的傾角(見(jiàn)圖2)，艉管后軸承傾斜角度為雙斜率。艉軸后端有一個(gè)傾斜角度，使艉軸中心線更能與軸承中心線平行，使軸承后端受力更加均勻。在抽出艉軸之后對(duì)軸系的中心線進(jìn)行精準(zhǔn)復(fù)測(cè)，主要復(fù)測(cè)艉管后軸承的傾角是否符合規(guī)范和軸系校中計(jì)算書的要求。實(shí)際復(fù)測(cè)之后發(fā)現(xiàn)艉管中心線垂直方向偏差1.37 mm,水平方向偏差0.52 mm。艉管后軸承的傾角只有0.260 mm/m，既不滿足0.375 mm/m的規(guī)范設(shè)計(jì)要求，也不滿足0.350 mm/m的規(guī)范要求。由此可判斷艉管后軸承并不能與設(shè)計(jì)一樣很好地貼合艉軸，軸承負(fù)荷集中在后部，導(dǎo)致艉管后軸

圖1 艉軸承磨損情況

承發(fā)生磨損。但是，艉管后軸承后部還有一個(gè)傾角，對(duì)整個(gè)艉管后軸承的傾角進(jìn)行補(bǔ)充，使整個(gè)艉管后軸承的負(fù)荷不是集中在最后端，而是在最后端靠前一點(diǎn)的折角位置。這樣可解釋：在最初系泊試驗(yàn)和航行試驗(yàn)階段，因航行狀態(tài)比較好，螺旋槳負(fù)荷較小，軸系沒(méi)有發(fā)生故障；在正常運(yùn)營(yíng)期間，因?yàn)榇把b載情況不同，或海況較為惡劣，艉軸和螺旋槳有時(shí)會(huì)高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),使艉軸承上的油膜沒(méi)有建立或沒(méi)有完全建立起來(lái)，導(dǎo)致艉軸與軸承之間處于邊界潤(rùn)滑或混合潤(rùn)滑狀態(tài)，最終導(dǎo)致艉軸發(fā)生高溫故障。

5 解決方案

1) 根據(jù)軸承磨損的位置給出優(yōu)化建議。通過(guò)建模對(duì)整個(gè)艉管后軸承的受力情況進(jìn)行分析，建議增大艉管后軸承的傾角，使軸承載荷均勻分布。圖3為優(yōu)化后的艉軸承設(shè)計(jì)圖，傾角由原來(lái)的0.375 mm/m增大到0.460 mm/m；對(duì)后部雙斜率的位置進(jìn)行加長(zhǎng)處理，使雙斜率傾角在過(guò)渡時(shí)更加合理。圖4為原軸系中各軸承負(fù)載示意，圖5為優(yōu)化后的艉軸負(fù)載示意。由圖4和圖5可知，原設(shè)計(jì)艉管后軸承的負(fù)載主要集中在艉管后軸承最后端，優(yōu)化后的艉管后軸承負(fù)載的分布比較均勻。

圖2 原艉管后軸承設(shè)計(jì)圖

圖3 優(yōu)化后的艉軸承設(shè)計(jì)圖

圖4 原軸系中各軸承負(fù)載示意

圖5 優(yōu)化后的艉軸負(fù)載示意

2) 對(duì)艉管后軸承安裝后的傾角進(jìn)行精準(zhǔn)復(fù)測(cè)。整個(gè)艉管的鏜孔精度必須得到保證。在鏜孔之前必須確認(rèn)鏜排安裝的位置，最重要的是確認(rèn)鏜桿的中心線與艉管的理論中心線重合。當(dāng)前比較先進(jìn)的鏜排的鏜桿多是空心的，若不是空心的，可在鏜桿兩端的中心上安裝光靶。將照光時(shí)確定的艉軸中心線作為參照，調(diào)整鏜桿前后光靶，使之與艉軸中心線重合。在安裝艉管后軸承之前要對(duì)鏜孔結(jié)果進(jìn)行復(fù)測(cè)，若有偏差，可在安裝艉管后軸承時(shí)進(jìn)行修正，確保艉管后軸承安裝之后的傾角滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求。

安裝艉軸承之后重新對(duì)軸系進(jìn)行校中，確定中間軸承的高度和主機(jī)的位置。校中分為軸系安裝和負(fù)荷測(cè)量，校中時(shí)船舶應(yīng)處于漂浮狀態(tài)。軸系校中計(jì)算書一般將螺旋槳的浸沒(méi)狀態(tài)分為50%浸沒(méi)、75%浸沒(méi)和全浸沒(méi)等3種。根據(jù)不同的浸沒(méi)狀態(tài)和軸系合理校中工藝給出的各法蘭的開(kāi)口及偏移值進(jìn)行軸系安裝。該船在安裝軸系時(shí)設(shè)有3個(gè)臨時(shí)支撐，具體位置見(jiàn)圖6中的TS，從螺旋槳往前分別定義為TS3、TS2和TS1。首先施加一個(gè)向下的50 kN的力，通過(guò)調(diào)整TS3和TS2的高度來(lái)確定2號(hào)中間軸承的位置。隨后將螺旋槳軸與2號(hào)中間軸連接起來(lái)，并撤掉施加在螺旋槳軸法蘭上的力和TS3支撐。保持TS2的位置不變，通過(guò)調(diào)節(jié)TS1的高度來(lái)保證2號(hào)中間軸前端法蘭與1號(hào)中間軸后端法蘭的開(kāi)口和偏移值滿足軸系校中計(jì)算書的要求，以此確定1號(hào)中間軸承的位置。將2根中間軸連接起來(lái)之后與主機(jī)校中，通過(guò)調(diào)整主機(jī)的位置使飛輪與中間軸法蘭的開(kāi)口和偏移值滿足軸系校中計(jì)算書的要求，這樣就可確定主機(jī)的位置。在中間軸承的高度和主機(jī)的位置都確定之后將軸系連接起來(lái)，至此軸系安裝完畢。

圖6 軸系校中示意

軸系安裝完畢之后，重新對(duì)軸承負(fù)荷進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)船舶處于平浮狀態(tài)時(shí)，根據(jù)軸系校中計(jì)算書的要求，采用頂舉法對(duì)各軸承的負(fù)荷進(jìn)行測(cè)量，不同的螺旋槳浸沒(méi)狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的結(jié)果。分別在冷態(tài)和熱態(tài)下對(duì)軸承的負(fù)荷進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果均符合軸系校中計(jì)算書的要求。當(dāng)軸系在冷態(tài)和熱態(tài)下的負(fù)荷都滿足軸系校中計(jì)算書的要求時(shí)，軸系校中結(jié)束。這里以螺旋槳全浸沒(méi)狀態(tài)為例進(jìn)行分析，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 軸系頂舉試驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位：kN

全部復(fù)裝完畢之后進(jìn)行航行試驗(yàn)，艉軸溫度一直保持在40 ℃，軸系運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。試驗(yàn)結(jié)果表明軸系優(yōu)化方案比較合理。

6 軸系安裝操作要點(diǎn)

1) 在軸系設(shè)計(jì)和校中計(jì)算階段，應(yīng)保證艉管軸承上各點(diǎn)的負(fù)荷均勻分布，防止艉管軸承由于制造和安裝等方面的原因造成同軸度不好，導(dǎo)致某個(gè)部位的軸承載荷過(guò)于集中。

2) 在艉管艉軸承精加工階段，應(yīng)充分考慮鏜排擾度對(duì)艉管加工精度的影響。在對(duì)艉管進(jìn)行精加工之后應(yīng)測(cè)量艉管鏜孔的尺寸，確認(rèn)艉管本體中心線的偏差情況。在對(duì)艉軸承外圓進(jìn)行加工時(shí)，應(yīng)考慮上述偏差情況，視情況對(duì)艉管中心線的偏差量進(jìn)行加工補(bǔ)償。在艉軸承安裝完畢之后，應(yīng)測(cè)量并計(jì)算艉軸承處的位移、直線度和斜度，驗(yàn)證艉軸承相對(duì)于理論中心線的斜度。

3) 在軸系合理校中階段，必須對(duì)從艉部到艏部的各連接法蘭逐一進(jìn)行軸系校中，僅能調(diào)整前方的軸段。確認(rèn)軸系布置和臨時(shí)支撐的位置與軸系校中計(jì)算書的要求一致。根據(jù)螺旋槳的浸沒(méi)狀態(tài)選擇對(duì)應(yīng)的校中方案。在對(duì)軸系進(jìn)行校中的同時(shí)，測(cè)量主機(jī)基座的撓度、拐檔差和主機(jī)各軸承間隙，測(cè)量結(jié)果應(yīng)符合主機(jī)制造廠的要求。

4) 在使用軸系之前進(jìn)行充分磨合，在使用軸系過(guò)程中謹(jǐn)慎操作。新造船在試航期間或出廠之后應(yīng)在低負(fù)載、小舵角的情況下充分磨合；在正常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，應(yīng)特別注意空載淺吃水、惡劣天氣等因素導(dǎo)致螺旋槳露出水面高速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況。

7 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)，大型船舶軸系高溫故障頻發(fā)，軸系校中、安裝和軸承負(fù)荷計(jì)算成為研究的熱點(diǎn)。本文通過(guò)系統(tǒng)分析大型集裝箱船的軸系高溫故障，根據(jù)故障原因?qū)S系進(jìn)行了優(yōu)化，總結(jié)了各階段的操作要點(diǎn)，有助于將艉軸高溫故障風(fēng)險(xiǎn)降到最低。