滚动轴承在内河船舶上的应用与经济价值分析

谷瑞安，闫　钢

(南宁船舶检验局，广西　南宁　530031)



滚动轴承在内河船舶上的应用与经济价值分析

谷瑞安，闫钢

(南宁船舶检验局，广西南宁530031)

文章从研究现已安装滚动轴承船舶入手，通过实船使用情况对比、强度和寿命计算，以及对营运数据的分析，得出采用滚动轴承的船舶艉轴系统比使用滑动轴承系统能带来明显的经济效益和社会效益，并对推动滚动轴承的应用提出了一些建议。

内河船舶；艉轴；滚动；滑动；轴承；节能

0　引言

《钢质内河船舶建造规范》(中国船级社，2009)中明确规定：船舶可以使用滚动轴承或滑动轴。但是由于种种原因，目前滚动轴承在船舶建造中尚未得到广泛的应用。笔者对两种轴承的安装技术及其使用情况进行了认真研究，在翻阅大量技术资料并选取具体实验船舶后，通过对营运数据进行分析，认为滚动轴承较滑动轴承有很多优点，尤其是经济效益更为显著。

1　滚动轴承在内河船舶上的应用现状

滚动轴承在车辆车轴、减速装置、轧钢设备等领域应用已经比较广泛，但是到目前为止，船用却不多，归结起来主要原因大致为：(1)法规规范缺乏技术要求，船检部门检验技术难度大，一般不鼓励安装；(2)滚动轴承安装技术要求比滑动轴承高，导致滚动轴承在船舶上的使用发展缓慢。

目前部分内河船舶已开始安装滚动轴承，并且其潜在的优势正得到逐步确认。内河船舶推进系统由于功率较小，结构简单，部分船舶甚至没有中间轴，受力情况较为简单，这就为滚动轴承的普及提供了先决条件，广西已有相当一部分内河集装箱船、干货船采用滚动轴承作为船舶艉轴轴承。

图1展示了一个比较典型的内河船舶艉轴系统，其特点是：前轴承为2个滚动轴承，后轴承为3个滚动轴承与部分滑动轴承配合使用的结构形式，选定轴承的类型为调心滚子轴承，采用强制润滑油系统。

图1　艉轴系统示意图

调心滚子轴承为内圈两侧均有挡边和采用车制实体保持架的CA型特瑞恩轴承，同时为了改善轴承的润滑效果以降低轴承工作时的温度还增加了外圈环状油槽及三个油孔。

2　实船应用中与滑动轴承的比较

2.1振动分析

初始阶段，经实船测试，滚动轴承和滑动轴承对振动响应区别不大，但是大概连续运转6个多月后，两种轴承所产生的振动效应区别将随着时间的推移而逐渐加大，其主要原因如下：

滑动轴承比较容易产生磨损，使用一段时间后，由于间隙增加艉轴振动的幅度也随之加大，特别是对于轴径较大的系统，当艉轴转速相同时，后轴承处承受艉轴和螺旋桨重力的轴承面与艉轴表面的相对速度就较大，摩擦力亦越大，磨损自然比小轴径的系统较快，图3和图4分别为滑动轴承初装船时与使用6个多月之后的间隙对比情况。

图3　滑动轴承初装时的间隙示意图

图4　滑动轴承运转一段时间后的间隙示意图

调心滚动轴承外圈滚道是球面型，内圈有两条与轴承轴线倾斜一定角度的滚道，具有良好的调心性能，调心度能达到1～2.5度，能够很好地补偿同轴度误差，同时整个轴在使用中受到比较均匀的径向力的作用，跳动较小，磨损也就相对较慢，使用6个多月后轴承间隙变化不大，振动幅度相对较小，如图5所示。

图5　滚动轴承的工作工况示意图

2.2维修优势

内河航道比较复杂，船舶航行中螺旋桨打到礁石和浅滩的情况时有发生，滚动轴承具有稳定可靠的优势，如果受到同样的外力撞击，其对轴系的影响则相对较小。

滚动轴承使用比较方便，由于滚动轴承与艉轴的配合是采用较为轻松的过渡配合或较小的间隙配合，发生故障时，将船头压载使船艉翘起，在水面使用专用工具便可轻松更换轴承，既方便又省时，同时又降低了维修成本。

3　强度及使用寿命计算

3.1强度计算

滚动轴承强度计算较为复杂，船舶建造规范又没有明确的选型标准，可参照《船舶设计手册》和《机械设计手册》来计算轴承工作时所受的动负荷，计算如下：

(1)

式中，C——基本额定动负荷计算值；

fh——寿命系数；

fm——力矩负荷系数；

fd——冲击负荷系数；

fN——速度系数；

fT——温度系数；

P——当量动负荷(N)。

其中，P=XFr+YFa

(2)

Fa——轴向负荷；

Fr——径向负荷支点反力计算值，即RA。

(3)

其中，

q——艉轴自重的均布载荷(N/m)，q=F·γ，F为轴的截面积，γ为钢重度(N/cm2)；

Gp——螺旋桨及附件的总重力(N)；

G0——可拆卸法兰的集中载荷(N)；

l1——前后轴承的距离(m)；

a——后轴承到桨毂中间的距离(m)；

b——后轴承到螺旋桨最后端的距离(m)；

c——前轴承到可拆卸法兰中心的距离(m)；

d——前轴承到可拆卸法兰前端的距离(m)。

根据《轮机工程手册》艉轴轴承受力分析及负荷的限制，合理的轴系校中对轴承负荷的基本要求为：轴承应不受水平负荷或将水平负荷减到最小程度。调心滚子轴承具有良好的调心性能，因此不承受轴向负荷，为安全起见本文假定艉轴轴承的水平最大负荷为螺旋桨推力的1/10。

根据轴承性能表选取X、Y的值，将上述各参数带入以上各式即可得出C值和P值。

本文研究选取的艉轴系统是前轴承为2个滚动轴承后，轴承为3个滚动轴承与部分滑动轴承配合使用的结构形式，参照机械设计手册：三只并列轴承可承受的总额定载荷为2.16倍的Cr(Cr为单只轴承径向基本额定动负荷)，或3倍的Ca(Ca为单只轴承轴向基本额定动负荷)，因此计算所选取的轴承工作动负荷C值满足下式即可：

C<2.16Cr

或C<3Ca

前轴承与齿轮箱距离较近，轴向负荷及大部分径向负荷由齿轮箱推力轴承承受，前轴承仅承受支撑部分艉轴自重的负荷，该负荷较小可忽略不计，本文不做研究。

3.2寿命计算

滚动轴承的寿命计算可按常用计算公式来计算，如下：

(4)

式中，L10h——以小时数(h)表示的轴承的基本额定寿命；

n——轴承的工作转速(r/min)；

ε——寿命指数，滚动轴承ε=10/3。

根据常用机械设备推荐表查得螺旋桨的推荐使用寿命约为Lh=100 000 h。

将上述各参数带入算式所计算的L10h值，满足L10h>Lh即满足要求。

4　经济效益分析

4.1实验船型的选取

本文研究所选取得船舶为两艘同型船，船舶资料对比情况见表1：

表1　船舶资料对比表

航次信息如下：

航线：柳州市航运局白沙码头-东莞市中塘港(往返约1 600～1 800 km)；

货物：水泥、矿粉、煤灰等，每个对比航次所运货物相同；

载货量：柳州到东莞满载(1 020 t)，东莞到柳州空载；

航行时间：为排除水流、风速等因素，取往返一次的时间为一个航次；

燃油：柴油，加油站点相同；

船员：两船同型，船员配置相同。

4.2航行数据

为增加数据的可靠性，本次研究选取的两艘船4个月10个航次的航行数据进行对比，航行信息如表2所示：

表2　船舶航行信息表

4.3数据分析

根据表2可计算出平均航次节约的时间为8.9 h，节约时间比率为7.6%，由于贵港西航212船的主机功率比贵港西航039船大，若为同功率船舶，节约的时间百分比应高于7.6%。

根据表2亦可计算出平均航次节约的燃油为291 L，节约燃油比率为21%，排除柴油机功率及油耗等因素的影响，同功率船舶节约比例应<21%。

综合上述分析，同船型船舶使用滚动轴承与滑动轴承相比节约比例在7.6%～21.0%之间。

5　一些建议

船舶有关规范应制定出滚动轴承在船舶上应用的相关技术要求，明确计算方法、检验方法，这样才能有效促进行业的发展。

有关行业主管部门应积极引导，加强培训，宣传鼓励船东使用滚动轴承，鼓励旧船改造，作为节能技术推广，甚至是对使用滚动轴承的船舶进行补贴，加大扶持力度，以降低船舶营运时的废气排放，节约能源，减少对空气的污染。

6　结语

虽然滚动轴承在船舶上的应用还处于初始阶段，但其在应用中的优势已经逐步显现，特别是经济价值颇为可观，节能效应达到7.6%～21.0%，若能全面推广，对节能减排的贡献将是巨大的。

[1]朱珉虎.内河船舶设计手册[M].北京：中国标准出版社，1996.

[2]机械设计实用手册[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3]陈绍纲，朱国伟，李渤仲，等.轮机工程手册[M].北京：人民交通出版社，1992.

Analysis on Application and Economic Value of Rolling Bearing in Inland Vessels

GU Rui-an，YAN Gang

(Nanning Ship Inspection Bureau，Nanning，Guangxi，530031)

Starting from studying the ships installed with rolling bearings，and by comparing the actual use situation of ships，strength and longevity calculation，as well as operational data analysis，this article obtained that the stern shaft system of ships using the rolling bearings can bring significant economic and social benefits than using the sliding bearing system，and proposed some recommendations for promoting the application of rolling bearings.

Inland vessels；Stern axis；Rolling；Sliding；Bearings；Energy saving

U664.2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.03.026

1673-4874(2016)03-0101-05

2016-03-06

谷瑞安(1986—)，工程师，研究方向：船舶轴系、船舶减排；

闫钢(1989—)，助理工程师，研究方向：船舶轴系、船舶减排。