艉轴损坏原因及拂配检验要点浅析

梁震

摘 要：本文结合案例，通过建立力学模型，对艉轴的受力情况进行分析，提出导致艉轴裂纹产生的主要因素，同时论述艉轴装船前包括加工、拂配等工艺的检验要点，并提出防范措施。

关键词：艉轴;裂纹;偏心;拂配

中图分类号：U664.2            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）11-0085-02

裂纹是艉轴在运转过程中常见的缺陷，当裂纹未能及时发现而继续扩展的话甚至会导致发生轴体断裂，螺旋桨掉落的严重事故，严重的威胁船舶航行安全。裂纹产生的原因诸多，螺旋桨自重与自重偏心产生的载荷在很大程度上是其诱发的主因之一。

1  案例

某公司所属的散货船，从欧洲的某港口离港过程中发现主机正车转速偏慢，随后船舶到锚地停船测试，其异常情况未见好转，当时船员初步判定故障原因是螺旋桨在离码头倒车过程中被冰块击伤受损所致。

故障发生后，船东安排潜水员对本轮进行了探摸，根据螺旋桨损坏情况，对螺旋桨进行了两次修边切割，随后投入运营。同时船东订购了新的螺旋桨，半年后船舶进坞更换新桨，之后一切恢复正常。两年后，船舶再次进坞修理并进行坞内检验时，发现艉轴锥部与螺旋桨桨毂接触处前端有圆周方向的径向裂纹，对裂纹进行打磨后发现深度超过超过了规范要求的裂纹深度。为防止将来艉轴断裂掉桨，造成重大事故，验船师建议更换艉轴，重新拂配。

2  原因分析

螺旋桨正常运行过程中，本身自重及偏心会对艉轴产生的影响， 主要原因来自螺旋桨本身重力及螺旋桨重力偏心引起的惯性力。

2.1  力学模型分析

根据艉轴在船体上的安装形式，可将螺旋桨艉轴段看成是等直径平滑圆轴，艉轴的载荷简图如图1所示：

图1  艉轴的载荷简图

其中螺旋桨的自重视为一偏心距为e的集中载荷 G， F为螺旋桨的自重偏心所产生的惯性力，其大小为：

F=（Ge/g）（nπ/30）2[1]                     （1）

式（1）中 g为重力加速度 （取9.8m/s2 ） ，ω为角速度，e为偏心距（mm），n为螺旋桨的转速（r/m in）。

因此螺旋桨处艉轴所受的最大的力Fmax为

Fmax =G +F = G（1+en2π2/900g）         （2）

两者共同作用导致桨轴的推力中心会产生一定距离的偏移，从而产生一定的偏心弯矩，在螺旋桨未发生损坏情况下是正常允许的。

案例中船舶的螺旋桨在损坏后依旧运行一段时间，此时运行时螺旋桨的偏心距e将明显增大，考虑艉轴的支承形式， 可将其简化为如图2的力学模型，

图2  艉轴变形图

其挠度方程[2]为：

AB段

y=Fmax（l2-x2）/6EI  （0≤x≤l）             （3）

BC段

y=Fmax（x -l）[a（3x-l）-（x-l） 2/6EI  （l≤x≤x+a）   （4）

重点考虑BC段（即艉轴与螺旋桨连接端），其最大挠度ymax为：

y max = Fmax a2 （ l + a） /3E I   （x=l+a）        （5）

由公式（1）-（5）可得出，偏心距e对艉轴变形的影响是一种线性关系，其影响如图3所示：

由图3可以看出，随着e的增大，ymax也增大，当e达到某一值时，ymax将可能超过轴的许用挠度，加之转速的提升使惯性力增大，相互作用之下使得艉轴发生损伤。

2.2  主要因素分析

（1）因桨叶损伤修补、割边后打磨处理不当， 加之生产时留下的工艺误差， 经长时间使用，使各桨叶倾角、螺距因时效作用发生变化，加之叶片受化学腐蚀、空泡气蚀、磨损等影响呈现不均衡。这些均会造成螺旋桨重心与桨毂中心轴线的不重合，此时在螺旋桨自重和其产生的惯性力作用下， 使船舶在运行过程中加剧轴系同轴承间的摩擦和振動， 促使原来轴系在热、冷生产工艺和加工过程中就存在的客观尺寸裂纹和内部的微观缺陷（如较大的非金属夹渣、缩孔、气孔、焊接缺陷等）[3] ， 进一步发展成宏观裂纹。

（2）船东在更换新桨时的拂配不到位，加剧了由偏心距e产生的惯性力对艉轴承负载产生的影响， 交变应力的作用使轴系运行极不稳定， 轴承和轴颈的磨损加剧，最终造成轴系的工作环境进一步恶化。加之轴和轴承表面存在细裂纹， 在应力作用下极易导致裂纹扩展， 最终产生疲劳破坏断裂。

3艉轴装船前检验

由于艉轴裂纹深度已超过规范要求的范围，需要更换新的艉轴。按照设计图纸，寻找满足要求的原材料，经机械加工、产品检验后形成成品，经铜套镶嵌、轴桨拂配，法兰铰孔，涂层涂装等工艺后上船安装使用。

3.1  艉轴加工

根据艉轴设计图纸，由配套厂提供满足要求的毛坯件（提供检验报告和产品证书），加工厂按图对毛坯件进行机械加工，并对加工后的艉轴尺寸和精度进行检验，满足图纸及规范要求后对艉轴进行磁粉或着色表面探伤检查，最后应在艉轴显眼位置使用钢印打上船检标识并由船检机构发产品证书[4]。

3.2  前、后铜套车制、热（红套）镶嵌

前、后铜套按材料配方要求，进行配料、铸造，粗成型，上车床内外加工，车削，完工后与新艉轴进行红套镶嵌，过盈配合，冷却紧固后根据图纸要求，再进行倒角，铜套外表精加工满足图纸工艺精度。

3.3  与螺旋桨拂配

3.3.1 新艉轴锥体精加工后，需与螺旋桨锥孔进行拂配

拂配工艺可分为竖拂、横拂等，本次采用竖拂工艺，应注意：

（1）应有相应的场地及吊重设施，吊钩有效高度必须大于艉轴的树立高度;

（2）螺旋桨锥孔大端朝上，水平牢靠固定;

（3）艉轴采用专用吊环起吊，注意轴体的保护，每次起吊前应检查连接是否可靠，簪紧装置安装在艉轴上方便艉轴起吊后的转动。

（4）拂配时注意检查桨轴的合配情况，用塞尺检查大小端间隙直至满足要求。

3.3.2  螺旋桨拂配工艺要求[5]应保证：

（1）锥孔拂配后接触应均匀，应保证结合面在全长上均匀贴合，锥部大端的接触面积用色油检查应不少于70%均匀贴合，并要求在25×25mm?内接触油斑不少于3个接触点;

（2）螺旋桨锥孔加工时，应四周均匀的修刮，以保持同轴度与垂直度;

（3）锥孔修刮后，艉轴锥体部分在锥孔内的相对位置，应满足图纸或工艺的要求;

（4）螺旋桨与桨轴拂配后，螺旋桨锥孔小端端面与艉轴小端锥面间距应在15mm以上（视轴径大小而定）。

3.4  艉轴法兰铰孔

新艉轴与中间轴连接法兰的螺栓孔应重新配铰。铰孔时轴应对中，并重复配绞打磨，直至螺栓孔与其相配的螺栓精度满足要求，内孔粗糙度应满足图纸要求。

3.5  新艉轴赛龙涂料涂装

案例中船舶艉轴冷却方式为水冷式，为防止海水腐蚀，艉轴应采取涂装保护。喷涂前艉轴应进行喷砂处理，然后移至车床，在转动的同时进行涂料喷涂操作，涂料两端接触部位采用贝尔佐纳包裹过渡，涂料固化并彻底干透后艉轴才能安装。

4  防范措施

（1）螺旋桨的偏心距和偏心產生的惯性力对轴的强度有很大的影响，如螺旋桨出现损坏应及时切割或修复桨叶，并注意桨叶边缘的打磨处理，同时降低运行转速，以降低偏心距和惯性力的影响，避免艉轴的裂纹恶化。

（2）艉轴的制造要严格按照图纸和工艺要求进行，尽量减少生产与加工过程中所产生的缺陷，尽量避免裂纹，减少轴尺寸突变，保证过度光滑，减少应力集中产生。

（3）螺旋桨与艉轴的拂配要严格按照工艺进行，准确到位，避免因拂配不准而导致轴系运行不稳、应力集中等情况发生，最终造成艉轴损坏的结果。

参考文献：

[1]哈尔滨工业大学理论力学教研室， 编. 理论力学（II册）. 第 8 版. 北京： 高等教育出版社， 2016.

[2]刘鸿文. 材料力学 （I册）. 第 6 版. 北京： 高等教育出版社， 2017.

[3]钱立保.蒋义海， 螺旋桨修理中的静平衡检验方法研究. 装备制造技术， 2012.

[4] 陆俊岫，船舶建造质量检验，哈尔滨工程大学出版社，1996.CB/T 3420-1992，船舶轴系修理装配技术要求，1992.

[5]CB/T 3420-1992，船舶轴系修理装配技术要求，1992