某船中速主机止推轴承高温故障原因分析及解决方案

施建曙，周 荣，张 柳

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海200129）

0 引 言

船舶动力装置的主要作用是将主机发出的功率经由弹性联轴器、齿轮箱、中间轴、艉轴和螺旋桨轴传递给螺旋桨，产生推力，通过轴系设备传递给船体结构，推动船舶前进［1］。中高速柴油机与齿轮箱之间一般通过弹性联轴器连接，弹性联轴器的作用包括：改变轴系的自振频率，降低扭振和振幅，使主机在使用范围内不出现共振转速；改善齿轮箱的工作条件，降低交变扭矩对齿面的冲击作用；补偿轴系安装误差和船体变形产生的误差，避免主机止推轴承过载。主机止推轴承不仅承受一定的轴向负荷，而且对曲轴进行轴向定位，防止其在主机运行时发生轴向窜动（窜动量限制在0.1 ～0.5 mm范围内［2］），使推进系统正常运转，保证船舶安全航行。

常用的弹性联轴器可分为橡胶弹性联轴器和弹簧式联轴器2 类。近年来，橡胶弹性联轴器在船舶动力装置中的应用越来越广，用橡胶弹性联轴器替换盖斯林格联轴器，不仅能减小作用在主机止推轴承上的轴向力，有效防止主机发生止推轴承高温、轴瓦烧蚀等故障，而且其各项性能均满足相关设计规范的要求，为采用类似动力系统的船舶提供了设计改进方案，具有一定的参考价值和借鉴意义。

1 推进系统布置概况

某船的主推进系统（其布置型式见图1）采用由中速柴油机驱动的双机、双桨推进型式。推进柴油机经盖斯林格联轴器和齿轮箱，通过轴系驱动调距桨。

图1 某船主推进系统布置型式

2 主机止推轴承高温故障现象描述

在该船航行期间，当其主机转速达到400 r／min 以上时，主机止推轴承出现高温报警和停车等故障现象，从高温报警至高温停车，升温迅速，时间短。拆开主机止推轴承（其结构见图2）发现，止推轴承外侧翻边出现偏磨和高温灼烧痕迹。

图2 主机止推轴承布置安装示意图

3 主机止推轴承高温故障原因分析

通过理论分析和现场勘验发现，该船主机止推轴承出现的高温故障主要是由轴向力的传递、盖斯林格联轴器的质量和性能及主机止推轴瓦的润滑情况和承载能力引起的。

3.1 轴向力方面的原因分析

作用在主机止推轴承上的轴向力增大可能会导致止推轴承与曲轴推力环之间的油膜遭到破坏，轴承与推力环之间发生半干摩擦或干摩擦，可能使轴向附加力增大的情况有：

1）系统匹配不合理；

2）齿轮箱输入轴推力传递到主机止推轴瓦上；

3）齿轮箱输入轴和盖斯林格联轴节热态变形；

4）齿轮箱与主机对中偏差不符合要求。

该船的主推进系统采用由中速柴油机驱动的双机、双桨推进型式，齿轮箱与主柴油机通过盖斯林格联轴节连接［3］。鉴于该船的动力系统布置型式（如图1 所示）在其他船型上也有应用，且均未出现主机止推轴承高温故障现象，上述原因1）和原因3）可排除。

为找到故障原因并精准定位，进行主机曲轴冷、热态甩挡实船测量和主机与齿轮箱对中实船复测。主机曲轴冷、热态甩挡dv（垂直臂距差）和dh（水平臂距差）均满足主机厂的要求，主机与齿轮箱对中位移和裂面值偏差符合相关安装工艺文件的技术要求。因此，上述原因4）可排除。

综上分析，齿轮箱输入轴推力传递到主机止推轴瓦上，超出主机止推轴瓦的承载能力，可能导致主机止推轴承出现高温故障。

3.2 盖斯林格联轴器方面的原因分析

通过对盖斯林格联轴器的制造材料、工艺和结构型式（见图3）进行分析可知，盖斯林格联轴器方面可能引起主机止推轴承出现高温故障的原因如下：

图3 盖斯林格联轴器结构示意图

1）盖斯林格联轴节润滑不良或内部润滑油不合格可能导致簧片移动不顺畅，轴向力通过盖斯林格联轴节传递给主机止推轴瓦；

2）盖斯林格联轴节的动态轴向补偿性能不满足要求，导致轴向力通过盖斯林格联轴节传递给主机止推轴瓦。

通过对实船盖斯林格联轴器进行拆解和检查发现，主机至盖斯林格联轴器的供油和回油油路畅通，润滑良好，滑油的清洁度符合要求。簧片与花键轴键槽存在磨损，接触面的光洁度变差，摩擦力增大，在传递扭矩时，簧片与花键轴相对滑动补偿时可能存在卡滞现象。据此，上述原因1）可排除，原因2）是可能引起主机止推轴承出现高温故障的原因。

3.3 主机止推轴承方面的原因分析

通过对主机止推轴承的制造材料、装配工艺、润滑型式和承载能力进行分析可知，可能引起主机止推轴承出现高温故障的原因如下：

1）止推轴承润滑不良造成止推轴承与曲轴推力环之间的油膜建立不良，导致轴承遭到烧蚀；

2）止推轴承安装不满足要求，造成轴承间隙偏小或偏大，导致轴瓦遭到烧蚀；

3）止推轴承的承载能力不满足要求，导致轴承遭到烧蚀。

通过对高温烧蚀的主机止推轴瓦进行现场勘验，并对主机止推轴承由主油路供油润滑的情况进行检查发现，轴承外侧翻边出现偏磨，但没有出现大面积擦痕或发亮的磨痕，主机止推轴承与曲轴推力环之间润滑良好，滑油的清洁度满足要求，由润滑不良导致轴承烧蚀的可能性可排除。对于主机止推轴承的安装，主机厂有成熟的安装工艺，在安装、更换主机止推轴瓦时，对轴瓦的接触面进行着色检查，对止推轴瓦的安装间隙进行测量记录，满足工艺文件的要求，因安装问题导致轴承烧蚀的可能性可排除。

综合以上各方面因素，主机止推轴承的承载能力不满足要求是导致轴承烧蚀的可能原因。

4 实船动态位移测量和台架性能试验验证

根据上述原因分析，采用实船动态位移测量和台架性能试验验证等方法进行逐一排查，实现对故障原因的精准定位。

4.1 盖斯林格联轴器轴向动态位移补偿量测量

对盖斯林格联轴器轴向动态位移补偿量进行实船测量是查找、定位该船主机止推轴承高温故障发生原因最直接、最有效、具有说服力的方法。在联轴器靠近主机飞轮端上布置3 台位移传感器（L1 ～L3）和3 台加速度传感器（A1 ～A3），在联轴器花键轴靠近齿轮箱端布置3 台位移传感器（L4 ～L6）和3 台加速度传感器（A4 ～A6），见图4。

图4 联轴器轴向位移传感器布置图

试验在船舶航行期间进行，主机转速为360 ～520 r／min，在该转速区间内每增加10 r／min，测量并记录1次。通过对测量的数据进行分析，主要得到以下结论：

1）联轴器的相对位移随转速的增大而增大；

2）联轴器输入端（即主机飞轮端）运行时逐渐向主机方向移动，输出端（即齿轮箱端）向齿轮箱方向移动，振幅均逐渐增大；

3）当左、右主机的转速达到400 r／min时，均出现位移突变的情况，即相对位移突然增大。

由此得出，盖斯林格联轴器的动态轴向补偿性能不满足要求，导致轴向力通过盖斯林格联轴器传递给主机止推轴瓦。

4.2 主机止推轴承承载能力性能试验验证

根据实船工况，试验时模拟实船滑油压力、温度和流量，为主机止推轴承提供滑油润滑，开展台架试验（见图5）。主机止推轴承固定在轴承座内，电机驱动试验轴旋转，由液压油泵提供轴向力，施加到止推轴承上。由怠速开始逐级增加转速和轴向力至主机额定转速和止推轴承轴向设计承载力。当转速达到主机额定转速（520 r／min）时，主机止推轴承的轴瓦能承载大于25 kN的轴向推力（主机止推轴承的设计承载能力为25 kN），说明止推轴承满足设计要求。

图5 主机止推轴承台架试验

4.3 联轴器加载后轴向补偿能力试验验证

该船盖斯林格联轴器的额定扭矩为226 kN·m，轴向位移为±4 mm，轴向反作用力为22 kN；主机额定转速为520 r／min，额定扭矩为162 kN·m。

试验工况：当联轴器的额定扭矩为0%（0 kN·m）、25%（57 kN·m）、50%（113 kN·m）、75%（170 kN·m）、100%（226 kN·m）时，模拟实船工况、转速和滑油润滑，测量联轴器的轴向力。试验结果如下：

1）当联轴器在主机额定工况（额定转速为520 r／min，扭矩为162 kN·m）下时，测得联轴器轴向力为21.8 kN，接近主机止推轴承的承载能力25 kN；

2）当联轴器加载扭矩为额定扭矩的75%（170 kN·m）时，轴向力为25.6 kN，大于理论值22 kN；

3）在相同扭矩情况下，联轴器簧片弯曲频率减小，联轴器轴向力增大。

由此得出，盖斯林格联轴器的轴向反作用力超过额定设计值22 kN，瞬间过大的轴向反作用力超过了主机止推轴承的承载能力。

5 主机止推轴承高温故障原因定位及解决方案

5.1 高温故障原因定位

通过对轴向力、盖斯林格联轴节和主机止推轴承等可能引发高温故障的原因进行全面的排查和试验验证，最终确定该船主机止推轴承发生故障的原因是盖斯林格联轴器轴向补偿移动时，动态轴向补偿性能不满足要求，导致作用在主机止推轴承上的轴向力超过了主机止推轴承的承载能力，致使主机止推轴承出现高温和轴瓦遭到烧蚀。

5.2 高温故障解决方案

立足于该船现有的安装和维修空间，在不移动主机和齿轮箱的情况下，采取用橡胶弹性联轴器替代盖斯林格联轴器的方案。同时，对替换后的主机止推轴瓦附加负荷、齿轮箱输入轴负荷和轴系的扭振性能等进行分析、计算，结果见表1 和表2，均满足相关设备和规范的要求。

表1 联轴器的径向和角向补偿能力对比

表2 联轴器的轴向补偿能力

由表1 和表2 可知：橡胶弹性联轴器有较强的角向、径向和轴向补偿能力，且轴向位移为1 mm时的轴向反作用力很小，可避免主机止推轴承发生故障。根据故障原因分析结果，将原船盖斯林格联轴节换为橡胶弹性联轴节，可满足该船推进系统对联轴节的技术要求，同时能减小联轴器的轴向反作用力，解决该船主机止推轴承高温和轴瓦烧蚀故障。

6 结 语

用橡胶弹性联轴器代替盖斯林格联轴器，满足动态轴向补偿性能要求，能减小联轴节的轴向反作用力，解决推力轴承高温灼烧的问题，有效防止主机止推轴承高温和轴瓦烧蚀等故障发生，该船的改装和解决方案合理、可行，可操作性较强。

近几年橡胶弹性联轴器在船舶动力装置中的应用越来越广，如在200 客高速客船、小型高速艇和高速护卫艇主推进轴系中应用，为在动力系统布置中采用弹性联轴器提供了可靠的支撑。