摘 要：發(fā)電機作為船舶能源轉(zhuǎn)換與供應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)備，其發(fā)電機性能表現(xiàn)，離不開其核心部件——軸承。軸承不僅承載著發(fā)電機運轉(zhuǎn)時的重要負荷，還直接影響發(fā)電機的運行穩(wěn)定性和使用壽命。近期，在多型散貨船項目中，船東陸續(xù)提出了發(fā)電機使用雙軸承的要求。為了應(yīng)對這一要求，并確保技術(shù)上的可行性與經(jīng)濟性，這就需要設(shè)計研究院深入研究分析發(fā)電機單軸承和雙軸承的技術(shù)差異、成本影響和廠家選擇影響，為散貨船技術(shù)談判提供有力的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機；單軸承；雙軸承；船用發(fā)電機軸承技術(shù)對比

中圖分類號： U665.12

文獻標識碼：A

0 引 言

隨著全球能源需求的不斷增長，發(fā)電機作為船舶的主要動力源，其性能的高低不僅關(guān)乎能源轉(zhuǎn)換效率，更是影響船舶運行電力供應(yīng)的穩(wěn)定性與持續(xù)性。作為發(fā)電機的核心部件之一，軸承的技術(shù)性能直接關(guān)系到發(fā)電機的整體性能。軸承在發(fā)電機運行過程中承載著重要負荷，對于保證發(fā)電機的運行穩(wěn)定性與延長使用壽命具有至關(guān)重要的作用。近期散貨船項目船東頻繁提出發(fā)電機從單軸承升級到雙軸承的要求，因此，深入探討單雙軸承技術(shù)在發(fā)電機上的應(yīng)用具有重大的現(xiàn)實意義。

1 發(fā)電機軸承技術(shù)概述

發(fā)電機軸承是發(fā)電機中的重要組成部分，它的主要功能是支撐機械旋轉(zhuǎn)體和傳遞動力，降低旋轉(zhuǎn)體運動過程中的摩擦系數(shù)，并保證其回轉(zhuǎn)精度。按運動元件摩擦性質(zhì)的不同，軸承可分為滾動軸承和滑動軸承兩大類。船用發(fā)電機軸承通常采用套筒軸承（Sleeve Bearing）或者稱作滑動軸承。套筒軸承的主要優(yōu)點包括尺寸更小、成本更低、使用壽命長、抗沖擊載荷能力強、更易于潤滑和更耐久。它還可以在高溫和高壓的工作環(huán)境下發(fā)揮優(yōu)越的性能。另外，船用發(fā)電機按照轉(zhuǎn)子支撐點數(shù)量的不同，可以分為單軸承和雙軸承發(fā)電機兩類。

單雙軸承型式的選擇，往往是一個綜合考量的過程。為了確保發(fā)電機組的扭振情況滿足既定的標準與要求，發(fā)電機組廠家會依據(jù)所使用的原動機的具體型號和規(guī)格，進行扭振計算。這一計算過程旨在準確評估發(fā)電機組在運行過程中可能產(chǎn)生的扭振效應(yīng)。基于這些計算結(jié)果，廠家會進一步判斷是否采用雙軸承配置。這種決策不僅體現(xiàn)了對發(fā)電機組性能的精細把控，也是確保發(fā)電機組長期穩(wěn)定運行和延長使用壽命的重要舉措。

本論文針對主流中大型散貨船項目發(fā)電機的具體情況展開發(fā)電機單雙軸承技術(shù)研究，這些項目的發(fā)電機組均采用交流中速四沖程發(fā)電機，功率范圍在600～1 200 kW，每船需要配置3套該型發(fā)電機組。軸承的性能直接影響到這些發(fā)電機的運行效率和壽命。因此，選擇適合的發(fā)電機軸承技術(shù)型式十分重要。

2 單雙軸承技術(shù)性能對比與選型分析

2.1 單軸承發(fā)電機結(jié)構(gòu)特點

單軸承發(fā)電機采用簡化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括轉(zhuǎn)子、定子和軸承等核心組件。相較于雙軸承發(fā)電機，其設(shè)計更加緊湊高效，這使得它在安裝、使用和運行過程中，表現(xiàn)出了較高的靈活性和適應(yīng)性。單軸承發(fā)電機的側(cè)剖面如圖1所示。

單軸承交流發(fā)電機的軸承安裝在主轉(zhuǎn)子的非驅(qū)動端，驅(qū)動端沒有軸承。在發(fā)電機主轉(zhuǎn)子的驅(qū)動端安裝一個柔性鋼片盤代替軸承，鋼片盤再連接到原動機的飛輪。這種類型的原動機—交流發(fā)電機鋼片盤組合具有扭轉(zhuǎn)剛性，但仍提供軸向靈活性。

單軸承發(fā)電機的結(jié)構(gòu)特點首先體現(xiàn)在其轉(zhuǎn)子和定子的優(yōu)化布局上。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動通過單一的軸承實現(xiàn)，簡化了機械傳動結(jié)構(gòu)，減少了潛在的故障點。

在維護性方面，單軸承發(fā)電機同樣展現(xiàn)出了良好的表現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)簡潔的特點降低了維護的復(fù)雜性，轉(zhuǎn)動部件僅一個軸承，也只需要針對一個軸承進行維護，定期確認軸承軸瓦的狀態(tài)，如果軸瓦磨損則需要更換軸瓦，但更換過程需要對軸體進行支撐。因此單軸承發(fā)電機維護內(nèi)容簡單，維護過程較復(fù)雜。

單軸承發(fā)電機的制造成本也相對較低。這主要得益于其簡化的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化的生產(chǎn)工藝。相較于雙軸承發(fā)電機，單軸承發(fā)電機在制造過程中所需的材料和加工成本都有所降低，這使得其在市場上具有更強的競爭力。這種發(fā)電機的價格優(yōu)勢也為廣大用戶提供了更加經(jīng)濟實惠的發(fā)電解決方案。

2.2 雙軸承發(fā)電機結(jié)構(gòu)特點

雙軸承發(fā)電機在軸的兩端配置了軸承，使得發(fā)電機轉(zhuǎn)子能夠穩(wěn)定地保持水平狀態(tài)。通過雙軸承的支撐，發(fā)電機轉(zhuǎn)軸受力得到了有效平衡，從而顯著提升了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。雙軸承發(fā)電機的剖面如圖2所示。

雙軸承交流發(fā)電機在發(fā)電機主轉(zhuǎn)子的驅(qū)動端和非驅(qū)動端提供轉(zhuǎn)子負載支持。雙軸承發(fā)電機通常用于具有較高振動或瞬態(tài)要求高的應(yīng)用。雙軸承設(shè)計通常要求將橡膠或彈性聯(lián)軸驅(qū)動系統(tǒng)連接到原動機。

雙軸承的分布與發(fā)電機重心的平衡密切相關(guān)。通常，雙軸承會位于發(fā)電機重心的左右兩側(cè)，這樣的布局能夠確保發(fā)電機在運行過程中受力均衡，減少因重心不穩(wěn)而造成的振動和磨損。這一特點在保障發(fā)電機長期穩(wěn)定運行方面起到了至關(guān)重要的作用。

雙軸承結(jié)構(gòu)的工作原理是，在發(fā)電機運行過程中，軸承的外圈保持靜止狀態(tài)，而內(nèi)圈則與轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)。這種設(shè)計不僅保證了發(fā)電機轉(zhuǎn)子接口與柴油機接口的高度一致性，還確保了轉(zhuǎn)軸始終與軸心保持平行。這種靜止與旋轉(zhuǎn)的優(yōu)秀結(jié)合，為發(fā)電機的高效、平穩(wěn)運行提供了堅實的基礎(chǔ)。

發(fā)電機雙軸承技術(shù)以其獨特的支撐設(shè)計、精準的受力平衡以及巧妙的工作原理，為發(fā)電機的穩(wěn)定運行提供了有力保障。這一技術(shù)的運用，不僅提高了發(fā)電機的運行效率，還降低了設(shè)備的故障率。

2.3 單雙軸承發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和性能對比

發(fā)電機雙軸承和單軸承的結(jié)構(gòu)區(qū)別主要體現(xiàn)在支撐結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性方面。

單軸承發(fā)電機在發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，只在一個軸承上支撐轉(zhuǎn)子。這種結(jié)構(gòu)使得發(fā)電機在不需要強制平衡的場合能夠滿足需求。單軸承發(fā)電機的結(jié)構(gòu)相對簡單，成本較低，安裝和調(diào)整工作也較為簡便。但是，相比雙軸承發(fā)電機，因單軸承只有一個支撐點，其穩(wěn)定性和承載能力稍遜一籌。另外，單軸承發(fā)電機僅適用于一些對轉(zhuǎn)速和負載要求不高的場合。然而，在高負載或高速運轉(zhuǎn)時，單軸承發(fā)電機可能會因結(jié)構(gòu)限制而表現(xiàn)出一定的性能瓶頸。單軸承設(shè)計的主要優(yōu)勢在于：

（1）整個發(fā)電機組總長度較之雙軸承型式縮短10%～15%，結(jié)構(gòu)更為緊湊，整個機組尺寸縮??；

（2）伴隨主軸的縮短，發(fā)電機底架等支撐結(jié)構(gòu)件用量減少，質(zhì)量可減輕約10%，使整個單元更加剛性，因此所需的基礎(chǔ)框架用料更少，發(fā)電機總重可減少2%～3%；

（3）省去一個軸承并減少用料，因此維護設(shè)備更少。

單軸承設(shè)計的主要不足在于：

（1）除了自身軸的重量外，還要依靠原動機來承載發(fā)電機軸的重量，這給原動機端軸承帶來了更大支撐的負荷；

（2）要求原動機端提供非彈性的聯(lián)軸器（鋼片盤）和更高的機加工精度要求；

（3）飛輪外殼必須是剛性的，以承受發(fā)電機組的彎矩；

（4）維護工作要求更高，在維護單軸承時，需要為軸提供額外的支撐，而雙軸承發(fā)電機不需要。

對比單軸承發(fā)電機，當雙軸承發(fā)電機運行時，通過驅(qū)動端和非驅(qū)動端兩個軸承支撐發(fā)電機轉(zhuǎn)子，同時也支撐發(fā)電機的負載軸。這種結(jié)構(gòu)使得發(fā)電機在需求旋轉(zhuǎn)平衡度高、振動大的場合表現(xiàn)出色。雙軸承發(fā)電機在負載軸上也有一定支撐，因此其承載能力相對較強，能夠承受一定的橫向負載。為了減少旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)沖擊，通常雙軸承發(fā)電機與原動機通過橡膠或彈性聯(lián)軸器連接。雙軸承設(shè)計的主要優(yōu)勢在于：

（1）雙軸承發(fā)電機在結(jié)構(gòu)上更為復(fù)雜，但這也賦予了其更高的性能表現(xiàn)。在高性能和大負荷應(yīng)用場景中，雙軸承發(fā)電機憑借其優(yōu)越的結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠提供更好的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性和帶負載能力。因此導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，價格較高，維修難度較大，安裝和調(diào)整工作也更為復(fù)雜。

（2）在振動與噪聲控制方面，雙軸承發(fā)電機同樣表現(xiàn)出色。雙軸承發(fā)電機的抗振性更好，可以在振動環(huán)境下穩(wěn)定工作。橡膠或彈性聯(lián)軸器的設(shè)計與選擇，需要根據(jù)發(fā)電機的尺寸以及發(fā)電機的端蓋凸緣尺寸和軸伸尺寸進行設(shè)計和選擇。雙軸承發(fā)電機能夠顯著減少振動和噪聲的產(chǎn)生，提高運行平穩(wěn)性。這不僅有助于提高設(shè)備的運行效率，還能為船員創(chuàng)造更為舒適的工作環(huán)境。

（3）在效率和壽命方面，雙軸承發(fā)電機略優(yōu)于單軸承發(fā)電機。其先進的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)質(zhì)的材料選擇有助于減少能量損失，提高能量轉(zhuǎn)換效率。同時，因雙軸承的發(fā)電機振動更小，其耐久性也更強，能夠在長時間運行中保持穩(wěn)定的性能輸出，從而延長設(shè)備的使用壽命。

雙軸承設(shè)計有優(yōu)勢同樣也有其劣勢，該設(shè)計的主要不足在于：

（1）由于使用兩套軸承和采用了橡膠或高彈聯(lián)軸器連接，其價格比單軸承發(fā)電機的鋼盤片更昂貴;

（2）由于增加了一套軸承，雖然套筒軸承理論上可以無限使用，但是軸瓦需要定期確認磨損與更換，兩套軸承的軸瓦更換成本更高，維護成本略微增加;

（3）由于增加了一套軸承，較之單軸承發(fā)電機重量增加2%～3%和長度增加10%～15%;

（4）為了保證良好的對中精度，需要將原動機和發(fā)電機安裝在一個共同底座上，這將增加一定成本。

發(fā)電機與原動機連接方式的區(qū)別見表1：

2.4 單雙軸承發(fā)電機的經(jīng)濟性對比

發(fā)電機雙軸承和單軸承的經(jīng)濟性對比主要涉及制造成本、維護成本以及運行效率等方面。

首先，從制造成本來看，單軸承結(jié)構(gòu)相對簡單，因此其制造成本通常低于雙軸承發(fā)電機。單軸承發(fā)電機其簡單的結(jié)構(gòu)使得制造過程更為經(jīng)濟高效。調(diào)查了市場上主要船舶發(fā)電機和發(fā)電機組廠家反饋的成本差異情況后總結(jié)如下：

以1 200 kW發(fā)電機為例，升級雙軸承后，發(fā)電機成本增加約15萬元人民幣，具體金額會因廠家、發(fā)電機具體參數(shù)而不同，國產(chǎn)發(fā)電機差價會比進口發(fā)電機更小。另外，雙軸承發(fā)電機組通常會增加彈性聯(lián)軸器，該設(shè)備成本有幾萬元人民幣，船廠還需要提供共用底座，成本增加約幾千元人民幣。所以可以預(yù)估在600～1 200 kW的功率段范圍，單臺發(fā)電機的成本會提高約10%～20%。

其次，考慮到維護成本，雙軸承發(fā)電機由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其維護難度和成本相對較高，但是維護周期并未延長。而單軸承發(fā)電機由于結(jié)構(gòu)簡單，維護起來更為便捷，維護成本相對較低，但是維護工作更復(fù)雜。雖然維護成本單軸承略低于雙軸承發(fā)電機，但是軸承軸瓦的維護費用本不高，因此兩者的維護成本差異并不明顯。

最后，從運行效率的角度來看，雖然前文提到雙軸承發(fā)電機在效率上略優(yōu)于單軸承發(fā)電機，但在某些情況下，其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致能量損失稍高，從而影響整體運行效率。因此雙軸承發(fā)電機效率高的優(yōu)勢并不明顯。

總之，單雙軸承發(fā)電機的經(jīng)濟性差異主要體現(xiàn)在制造成本上，在600～1 200 kW的功率段范圍單軸承發(fā)電機組有著明顯的價格優(yōu)勢。

2.5 廠家選擇與實船項目的影響

確認某船廠的散貨船主要使用的發(fā)電機組和其選用的發(fā)電機品牌的情況后，了解到各發(fā)電機組廠家在600～1 200 kW的功率段范圍都可提供雙軸承方案，廠家的選擇不會因此受到限制。

項目方面的影響主要體現(xiàn)在發(fā)電機布置和成本的影響，以發(fā)電機功率最大的某型散貨船項目為例，如更換成雙軸承發(fā)電機，單套發(fā)電機組長度增加200～300 mm，不會影響現(xiàn)有發(fā)電機在機艙的布置。根據(jù)前文的分析，單臺發(fā)電機組從單軸承升級到雙軸承型式，每船3套發(fā)電機組，合計單船加賬幾十萬元人民幣。

2.6 兩種軸承型式發(fā)電機綜合對比總結(jié)

兩種型式的發(fā)電機綜合對比總結(jié)見表2：

3 結(jié) 論

綜上所述，單雙軸承發(fā)電機的主要區(qū)別在于它們的結(jié)構(gòu)設(shè)計和對傳導(dǎo)力的處理方式，深入比較兩種發(fā)電機的支撐結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)單軸承結(jié)構(gòu)雖簡潔高效，但在處理大型發(fā)電機所面對的高負載、高轉(zhuǎn)速等復(fù)雜工況時，其支撐能力和穩(wěn)定性略顯不足。而雙軸承結(jié)構(gòu)則以其更高的結(jié)構(gòu)剛性和承載能力，滿足了大型發(fā)電機對高性能和可靠性的要求。其復(fù)雜程度和成本相對較高的特性，也使得其在某些控制成本的應(yīng)用場景中受到一定限制。

總體來說，單雙軸承發(fā)電機具體選擇何種類型，應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用場景與需求來綜合考慮。在要求高旋轉(zhuǎn)平衡度與卓越穩(wěn)定性的場景中，雙軸承發(fā)電機更為適用；而當面臨成本控制和安裝便捷性的挑戰(zhàn)時，單軸承發(fā)電機則更受青睞。

針對本項目，對于600～1 200 kW功率段的發(fā)電機，采用單軸承型式已能夠滿足該船型的實際需求。然而，如果船東期望進一步提升發(fā)電機的運行穩(wěn)定性，并愿意為此增加投資，那么采用雙軸承發(fā)電機方案也是切實可行的選擇。這樣可以在確保發(fā)電機性能的同時，更好地滿足船東對設(shè)備穩(wěn)定性與可靠性的期望。

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作者簡介：

江浩，高級工程師