船舶艉管后轴承高温分析及防范

陈继康

(中船澄西船舶修造有限公司,江苏 江阴 214400)

船舶艉管后轴承高温分析及防范

陈继康

(中船澄西船舶修造有限公司,江苏 江阴 214400)

针对近年来在建船舶屡次发生艉管后轴承高温，导致主推进系统无法正常工作的情况，以发生后轴承高温问题的船舶为研究对象，从轴系设计、轴系安装校中及后期调试、艉管滑油选用、船舶吃水及浅水效应等方面进行分析，从而找到相应的防范措施。

轴系；艉轴管；后轴承；轴承高温

0 引言

船舶艉管后轴承是大型船舶封闭式艉管的组成部分之一，其任务是支撑艉轴(也称作螺旋桨轴)，使其可靠地通出船外。艉管后轴承承担着艉轴与螺旋桨的静态负荷及运转时所产生的动态负荷，工作状况较为恶劣。轴承在艉管内与艉轴以及首尾密封构成一个相对独立密闭且填充合适润滑油的腔体，腔体外侧是艉管冷却水舱。其工作原理是：当主机带动艉轴旋转时，艉轴与艉轴承之间形成了楔形空间，在这个楔形空间里，润滑油被挤压后形成一定压力的油膜介于轴与轴承之间，避免了轴与轴承发生直接接触产生干磨擦，同时润滑油带走轴运转时所产生的热量，与艉管冷却水舱里的淡水交换热量，以确保轴与轴承之间的温度保持在合适的范围内。一旦轴与轴承之间的油膜遭到破坏或油膜建立不好，轴与轴承之间就会产生干磨擦，导致接触部位局部温度升高。当温度达到后轴承材料巴氏合金的许用温度100 ℃时，轴承表面的合金就会遭到破坏，产生金属碎片，使摩擦进一步加剧，温度急剧升高，导致艉轴咬死等故障发生。

近年来，长江沿线船厂的在建船舶发生过不同程度的艉管后轴承高温故障，而一旦发生这样的问题，船舶就需要进坞修理，更换轴承，轴系重新进行校中，主机重新定位安装。其修理费用一般要在200万左右，同时使船舶建造周期延长，船厂面临着合同违约的风险。

目前，引起艉管后轴承高温的原因主要归纳为轴系设计、轴系安装校中、环保生物油、船舶吃水及浅水效应等。

针对船舶艉管后轴承高温这一现象，本文首先从轴系设计上对比三轴承设计和两轴承设计的变化和特点，以及两者发生艉管后轴承高温现象的概率；其次针对传统的轴系安装工艺，船厂在解决艉管后轴承高温问题的实践过程中需要采取的具体措施与方法；再则针对使用环保生物油造成艉管轴承高温问题，船厂可采取的措施；最后分析船舶在试航过程中，为避免问题发生所采取的措施，以及在发生艉管轴承高温现象后，应当采取的控制措施。

1 轴系设计

根据美国船级社(ABS)对某船厂26艘在建船的调查发现，艉管后轴承发生高温或损坏的16艘船舶中，13艘船没有设置艉管前轴承；没有发生问题的10艘船舶中，9艘设置了艉管前轴承。由此可以初步判定，配有前轴承的艉管发生轴承高温故障概率相对较低。

轴系设计一般采用三轴承设计，即设置艉管后轴承、艉管前轴承及中间轴承，其布置图如图1所示。随着设计方法的提高、经验的积累和商业化的需求，在保证船舶总长度不变的情况下，为减小机舱的尺度以增加货舱舱容，逐步简化为双轴承设计，仅有艉管后轴承和中间轴承，取消了艉管前轴承，其布置图如图2所示。

双轴承设计存在问题如下：

(1)后轴承负荷偏大。由于没有了前轴承，导致后轴承的负荷更容易受到中间轴承偏移量的影响，使后轴承负荷偏大。

(2)后轴承与艉轴的贴合程度不易把握。由于后轴承留有一定的设计裕度，因而即便负荷超出一些，也不是很致命的问题。但是如果艉轴与后轴承贴合度不好的话，极易导致后轴承负荷分布不均匀，从而在局部产生超出轴承许用负荷的情况，使轴承油膜无法建立，发生干磨擦，产生高温损坏。

针对上述问题，目前已对双轴承设计进行了优化处理：即对艉管后轴承斜度进行双斜度处理，其处理方案如图3所示。通过这种方法来提高艉轴与后轴承的贴合度，增加接触面积，使得轴承的负荷较为均匀地分布，避免局部负荷过重的情况出现。

2 轴系安装校中及后期调试

由于双轴承设计有别于传统的三轴承设计，使得中间轴承的偏移对艉管轴承负荷影响比较大，增加了轴系的安装精度要求，因此为提高校中的精度，需要采取以下措施：

(1)加强设备的入库检验。对艉管轴承或艉管总成，应侧重对艉管轴承斜率的测量，保证外购艉管轴承斜率的正确性。

(2)加强工装设备的检验，保证激光仪、镗排等测试、加工设备精度。

(3)艉管轴承压入前，增加激光望光轴线检验，检查艉管轴承、艉管的同心度，消除因为镗排挠度对铸钢件的加工精度。

(4)艉管轴承压入过程中，核实艉管轴承的压入力。压入后，增加激光望光对轴线进行复检，确认艉管轴承的同心度及艉管斜率。

(5)按照校中计算书用千斤顶顶升法测量中间轴承及其他轴承负荷，确保整个轴系总的静负荷满足校中计算书的要求，从而估算出艉管后轴承的实际负荷是否在轴承许用负荷之内。如有条件，可以采用应变片测量的方法，检测艉管后轴承的负荷分布情况。

(6)系泊试验和航行试验过程中，要密切监视轴承的温度变化情况。正常情况下，轴承温度值约为40 ℃，其高温报警设定为60 ℃。

(7)增加艉轴与艉管后轴承的磨合时间。一般情况下，主机进行系泊试验运行时间较短，艉轴与后轴承尚未充分磨合，因此需要在船舶试航前运行主机50 h左右，以便于艉轴与后轴承充分磨合。

3 艉管滑油的选用

2013年前，船舶艉管润滑油采用的石油均为提炼的矿物油。美国环境保护机构(EPA)于2013年发布了商用船舶进入美国水域的船舶排放标准(VGP)，规定进入美国海域的船舶必须使用环保生物油以满足VGP的要求。

自从环保生物油作为艉管润滑油使用以来，艉管后轴承出现高温问题的频率较高。尽管目前没有足够的证据来证明使用环保生物油的船舶艉管后轴承易发生高温问题，但是从几家船厂调研的情况来看，使用环保生物油的船舶大多发生此类问题。

采用环保生物油易导致艉管后轴承发生高温问题，采用矿物油则满足不了美国环境保护机构(EPA)的要求，为解决这一问题，可将原来传统的油封形式改为气封形式，其模型图如图4所示。

这种空气式密封的原理是在尾密封的第2道骨架密封和第3道骨架密封之间充满压缩空气，取代传统的润滑油。即使压缩空气的压力大于第1道和第2道骨架密封之间的海水压力，向海水中渗漏的是压缩空气而不是滑油，因此船舶艉管仍可以采用矿物油润滑而不必担心矿物油发生泄漏造成污染的问题。

4 船舶吃水及浅水效应

船舶吃水较浅的情况下，当1/3螺旋桨桨叶露

出水面时，推力偏心点会下移，由第1象限移至第4象限。这就意味着，垂直方向上的弯矩将由向上变为向下。这显然会加重艉管后轴承上的负荷，支点处的相对转角也会随之增加，还会导致负荷更加集中于艉管后轴承的后端，边缘载荷增大，极易加大艉管后轴承发生高温故障的风险。

此外，船舶在吃水较深而航道水深相对较浅时，此时船底距河床距离较小，底部水流相对较快，流压相对变小，船舶航行时会发生吸底的现象，同样也会增大艉轴及后轴承的负荷，加大后轴承发生高温故障的风险。

由于长江沿线船厂的地理条件所限，船舶试航时会遇到航道较浅而不得不减少船舶吃水的情况，此时，需要注意降低主机的速度，减小螺旋桨浅水效应，控制操舵的角度以减小艉轴与后轴承的附加负荷，从而确保艉轴与后轴承的实际负荷仍在设计范围之内。

试航过程中，如果发生后轴承高温的情况，此时需结合航道或海面的情况，采取主机降速至微速前进或停车，就近找到锚地抛锚后，立即将艉管中的环保生物油更换为矿物油，以确保船舶的安全。

鉴于使用矿物油的实际使用效果要远好于使用环保生物油的效果，近年来，一些船厂同船东商量使用矿物油出海试航，在完成所有试验项目后，在海上更换成环保生物油返航。经实航证明，能够确保艉管后轴承正常工作。

5 结语

鉴于艉管后轴承的高温问题直接影响到船舶的主推进系统，为避免此类问题的发生提出以下建议：

(1)对于设计已经定型的船舶，根据其建造程度的不同，更换密封形式的方案为首选。如果船舶已经开工或下水，则需要在系泊试验时增加主机运转时间以使艉轴与后轴承充分磨合，或使用矿物油出海试航，待试航结束后再换成环保生物油。

(2)对于处于设计初期的船舶，则可以考虑增加艉管前轴承，以分担后轴承的负荷，或采用双斜度的后轴承，以改善后轴承负荷的分布情况。

(3)改进轴系校中工艺，以提高对中精度。

(4)船舶试航时需要根据航道的情况，尽量在潮水水位高时通过浅水航道，且主机慢车通过以减小浅水效应。

船厂在采取了上述部分措施之后，2016年以来艉管后轴承高温的问题已经得到有效的控制。

[1] 黄恒祥. 船舶设计实用手册：轮机分册[M].北京：国防工业出版社，2008.

[2] 应长春.船舶工艺技术[M].上海：上海交通大学出版社，2010.

2017-01-23

陈继康(1976—)，男，工程师，从事船舶与海洋工程研究。

U664.21

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