大型集裝箱船軸系高溫故障分析和對策

隨著世界貿(mào)易全球化的進程不斷加快,船舶呈現(xiàn)出大型化的發(fā)展趨勢。在船舶大型化發(fā)展過程中,軸系校中問題逐漸引起業(yè)界的關(guān)注,給船舶建造行業(yè)帶來巨大挑戰(zhàn)。軸系高溫損壞事故在系泊試驗,航行試驗和船舶實際運營過程中時有發(fā)生,會給船舶帶來巨大影響。特別是超大型油船(VeryLargeCrudeCarrier，VLCC)和大型集裝箱船等大型船舶,一旦發(fā)生軸系高溫故障,將帶來巨大的經(jīng)濟損失。本文結(jié)合某大型集裝箱船在運營期間發(fā)生的軸系高溫故障,詳細分析該故障發(fā)生的原因,介紹軸系優(yōu)化的過程,為處理大型集裝箱船的軸系高溫故障,降低軸系設(shè)計和安裝方面的風(fēng)險提供一定的參考。一、軸系高溫故障情況在建造某大型集裝箱船期間對其進行系泊試驗和航行試驗,娓軸正常運轉(zhuǎn)。該船投入運營3個月之后,在滿載、主機轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的工況下運行時,駕駛員操作的舵角超過右舵15°,出現(xiàn)娓軸承溫度升高到55C左右的情況。此時船長立刻發(fā)出減速航行指令,并避免大舵角操作。在該船后續(xù)運行過程中,其腥軸承的溫度緩慢上升,船員密切關(guān)注艦軸承溫度的變化趨勢。輪機長在船舶?？看a頭時將采集的娓軸承滑油送至檢測公司檢測,發(fā)現(xiàn)娓軸滑油中的金屬成分超標(biāo),由此判斷腥軸承可能已被燒蝕。二、軸系布置情況該船為13000TEU集裝箱船,機艙布置在中艦部,由1臺低速柴油機,2根中間軸,1根娓軸和1個固定式螺距共同組成單機單槳單軸系的驅(qū)動系統(tǒng)。軸系總長約35.5m,中間設(shè)有2個中間軸承和娓軸前后軸承作為支撐。艦軸總長13131mm,直徑910mm。艦軸管和腥軸前后密封組成一個完整的密封空間,使娓軸運轉(zhuǎn)時與艦軸前后軸承接觸的地方浸沒在艦軸滑油中。三、導(dǎo)致艦軸發(fā)生高溫故障的根本因素首先分析導(dǎo)致昵軸發(fā)生高溫故障的根本因素。在正常狀態(tài)下,娓軸與軸承之間存在合理的軸承間隙,間隙中充滿娓軸滑油。在艦軸高速運轉(zhuǎn)時,軸承間隙中的腥軸滑油會被擠壓并產(chǎn)生反作用力,由于昵軸滑油本身帶有一定的黏度,使得娓軸與軸承之間形成一層油膜。在理想狀態(tài)下,娓軸與軸承并不發(fā)生直接摩擦,而是懸浮在油膜上面。油膜受到擠壓會產(chǎn)生一定的熱量,這些熱量可通過娓軸冷卻艙中的冷卻水或其他方式傳導(dǎo)出去,保持娓軸溫度在一個相對穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)。因此,有效建立油膜是控制艦軸溫度的關(guān)鍵。艦軸與軸承之間的油膜能否成功建立主要取決于以下2個因素:1）艦軸與軸承之間存在的軸承間隙。合理的軸承間隙有助于在娓軸與軸承之間形成一個適當(dāng)?shù)男ㄐ慰臻g。艦軸在運轉(zhuǎn)時,其滑油會因自身的黏度在該楔形空間內(nèi)建立起油膜。當(dāng)該楔形空間過大時,由于黏度的關(guān)系,滑油的重力會大于附著力,使油膜無法附著在軸徑表面,導(dǎo)致油膜建立失敗;當(dāng)該楔形空間過于狹小時,滑油的存量比較少,不足以建立油膜。2)單位面積昵軸承上承受的壓力。在保證軸承間隙正常的情況下,艦軸通?？筛≡谟湍ど限D(zhuǎn)動,但可能會因船軸向下的力過大而導(dǎo)致油膜不能承受該壓力,使娓軸與軸承直接摩擦。隨著船舶日益大型化,螺旋槳和艦軸的質(zhì)量都在不斷增加,導(dǎo)致軸承載荷過大,當(dāng)軸承后端的局部載荷超過軸承所能承受的極限時,會加速軸承磨損和失效,進而縮短軸系的使用壽命。由于艦軸后端螺旋槳的質(zhì)量過大,使得娓軸有一定的形變,娓軸中心線與腥軸管中心線不再平行,而是存在一定的角度。通過斜鏜孔只改變娓管后軸承的中心線,使其與變形后的腥軸中心線平行,由此增大娓管后軸承的接觸面積,減小單位面積腥軸承上承受的壓力。中國船級社規(guī)定,在娓管后軸承支點處,螺旋槳軸與昵管后軸承的相對傾角在靜態(tài)下一般不超過3.5×10-?rad。四、艦軸高溫故障產(chǎn)生的原因?qū)е略摯湍そ⑹〉闹饕蚴巧鲜?個因素中至少有1個不能達到要求。首先核對單位面積娓軸承上承受的壓力是否過大。在熱態(tài)時采用頂舉法對整個軸系中各軸承的負荷進行復(fù)測。1號中間軸和2號中間軸的復(fù)測結(jié)果在可接受的范圍內(nèi),娓管前軸承的負荷比計算值小。通過計算得出娓管后軸承后端的負荷超出了軸系校中計算書的要求。隨后核查軸承間隙。船舶進塢之后第一時間對其軸承間隙進行測量。實測軸承間隙為2.90mm;根據(jù)原軸系校中計算書的要求,軸承間隙應(yīng)為1.40mm,而在建造安裝時測得的數(shù)據(jù)為1.45mm。通過對測量結(jié)果進行對比可預(yù)測艦軸承會有較大的磨損。該預(yù)測在拆船之后得到驗證,娓軸承后端有較大的磨損(見圖1)。圖１艉軸承磨損情況由測量結(jié)果和軸承燒蝕的部位可知:娓管后軸承后端單位面積上承受的壓力過大。為查找娓管后軸承負載過大的原因,對娓管后軸承的安裝精度進行復(fù)測。該船的娓管后軸承設(shè)計有一定的傾角(見圖2),腥管后軸承傾斜角度為雙斜率。圖２原艉管后軸承設(shè)計圖腥軸后端有一個傾斜角度,使娓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。在抽出娓軸之后對軸系的中心線進行精準(zhǔn)復(fù)測,主要復(fù)測艦管后軸承的傾角是否符合規(guī)范和軸系校中計算書的要求。實際復(fù)測之后發(fā)現(xiàn)腥管中心線垂直方向偏差1.37mm,水平方向偏差0.52mm。艦管后軸承的傾角只有0.260mm/m,既不滿足0.375mm/m的規(guī)范設(shè)計要求,也不滿足0.350mm/m的規(guī)范要求。由此可判斷娓管后軸承并不能與設(shè)計一樣很好地貼合娓軸,軸承負荷集中在后部,導(dǎo)致娓管后軸承發(fā)生磨損。但是,娓管后軸承后部還有一個傾角,對整個娓管后軸承的傾角進行補充,使整個腥管后軸承的負荷不是集中在最后端,而是在最后端靠前一點的折角位置。這樣可解釋:在最初系泊試驗和航行試驗階段,因航行狀態(tài)比較好,螺旋槳負荷較小,軸系沒有發(fā)生故障;在正常運營期間,因為船舶裝載情況不同,或海況較為惡劣,娓軸和螺旋槳有時會高負荷運轉(zhuǎn),使娓軸承上的油膜沒有建立或沒有完全建立起來,導(dǎo)致艦軸與軸承之間處于邊界潤滑或混合潤滑狀態(tài),最終導(dǎo)致艦軸發(fā)生高溫故障。五、解決方案1)根據(jù)軸承磨損的位置給出優(yōu)化建議。通過建模對整個娓管后軸承的受力情況進行分析,建議增大娓管后軸承的傾角,使軸承載荷均勻分布。圖３優(yōu)化后的艉軸承設(shè)計圖圖3為優(yōu)化后的艦軸承設(shè)計圖,傾角由原來的0.375mm/m增大到0.460mm/m;對后部雙斜率的位置進行加長處理,使雙斜率傾角在過渡時更加合理。圖４原軸系中各軸承負載示意圖4為原軸系中各軸承負載示意,圖5為優(yōu)化后的娓軸負載示意。圖5

優(yōu)化后的艉軸負載示意由圖4和圖5可知,原設(shè)計娓管后軸承的負載主要集中在娓管后軸承最后端，優(yōu)化后的艉管后軸承負載的分布比較均勻。2)對艦管后軸承安裝后的傾角進行精準(zhǔn)復(fù)測。整個娓管的鏜孔精度必須得到保證。在鏜孔之前必須確認鏜排安裝的位置,最重要的是確認鏜桿的中心線與娓管的理論中心線重合。當(dāng)前比較先進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。將照光時確定的艦軸中心線作為參照,調(diào)整鏜桿前后光靶,使之與艦軸中心線重合。在安裝娓管后軸承之前要對鏜孔結(jié)果進行復(fù)測,若有偏差,可在安裝艦管后軸承時進行修正,確保昵管后軸承安裝之后的傾角滿足設(shè)計和規(guī)范的要求。安裝娓軸承之后重新對軸系進行校中,確定中間軸承的高度和主機的位置。校中分為軸系安裝和負荷測量,校中時船舶應(yīng)處于漂浮狀態(tài)。軸系校中計算書一般將螺旋槳的浸沒狀態(tài)分為50%浸沒、75%浸沒和全浸沒等3種。根據(jù)不同的浸沒狀態(tài)和軸系合理校中工藝給出的各法蘭的開口及偏移值進行軸系安裝。該船在安裝軸系時設(shè)有3個臨時支撐,具體位置見圖6中的TS,從螺旋槳往前分別定義為TS3,TS2和TS1。圖６軸系校中示意首先施加一個向下的50kN的力,通過調(diào)整TS3和TS2的高度來確定2號中間軸承的位置。隨后將螺旋槳軸與2號中間軸連接起來,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,通過調(diào)節(jié)TS1的高度來保證2號中間軸前端法蘭與1號中間軸后端法蘭的開口和偏移值滿足軸系校中計算書的要求,以此確定1號中間軸承的位置。將2根中間軸連接起來之后與主機校中,通過調(diào)整主機的位置使飛輪與中間軸法蘭的開口和偏移值滿足軸系校中計算書的要求,這樣就可確定主機的位置。在中間軸承的高度和主機的位置都確定之后將軸系連接起來,至此軸系安裝完畢。軸系安裝完畢之后,重新對軸承負荷進行測量。當(dāng)船舶處于平浮狀態(tài)時,根據(jù)軸系校中計算書的要求,采用頂舉法對各軸承的負荷進行測量,不同的螺旋槳浸沒狀態(tài)對應(yīng)不同的結(jié)果。分別在冷態(tài)和熱態(tài)下對軸承的負荷進行測量,測量結(jié)果均符合軸系校中計算書的要求。當(dāng)軸系在冷態(tài)和熱態(tài)下的負荷都滿足軸系校中計算書的要求時,軸系校中結(jié)束。這里以螺旋槳全浸沒狀態(tài)為例進行分析,實測數(shù)據(jù)見表1。全部復(fù)裝完畢之后進行航行試驗,艦軸溫度一直保持在40℃,軸系運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。試驗結(jié)果表明軸系優(yōu)化方案比較合理。六、軸系安裝操作要點1)在軸系設(shè)計和校中計算階段,應(yīng)保證娓管軸承上各點的負荷均勻分布,防止娓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)致某個部位的軸承載荷過于集中。2)在艦管艦軸承精加工階段,應(yīng)充分考慮鏜排擾度對娓管加工精度的影響。在對娓管進行精加工之后應(yīng)測量娓管鏜孔的尺寸,確認腥管本體中心線的偏差情況。在對娓軸承外圓進行加工時,應(yīng)考慮上述偏差情況,視情況對娓管中心線的偏差量進行加工補償。在艦軸承安裝完畢之后,應(yīng)測量并計算鯤軸承處的位移、直線度和斜度,驗證艦軸承相對于理論中心線的斜度。3）在軸系合理校中階段,必須對從昵部到臘部的各連接法蘭逐一進行軸系校中,僅能調(diào)整前方的軸段。確認軸系布置和臨時支撐的位置與軸系校中計算書的要求一致。根據(jù)螺旋槳的浸沒狀態(tài)選擇對應(yīng)的校中方案。在對軸系進行校中的同時,測量主機基座的撓度拐檔差和主機各軸承間隙,測量結(jié)果應(yīng)符合主機制造廠的要求。4)在使用軸