王树宝
扬州中远海运重工有限公司 江苏扬州 225211
摘要：文章从四个不同的类型船舶尾轴承高温的案例的实际出发，分析了造成大型船舶尾轴承高温的主要原因。同时从轴系安装与校中等方面进行了重点研究和探讨。
关键词：大型船舶；尾轴承；高温故障；轴系校中
1引言
随着造船技术的发展和航运市场的需求，船舶的大型化趋势越来越明显。大型化使船舶单位运输能力的建造价格和航运的能源消耗显著下降，同时减少了有害生态的物质排放。基于经济和环保的驱动，油船、集装箱船和豪华游船都在向大型化方向发展。
船舶大型化对轴系安全带来的影响是显而易见的。如VLCC船舶一般长340m左右，宽60m左右，尾轴直径接近1m，螺旋桨直径达10m；10000TEU集装箱船长350m左右，宽50m左右，尾轴直径接近1m，螺旋桨重量近100吨。大型船舶超大功率、超低转速的推力传递，不得不采用大直径的轴系和超大超重的螺旋桨，这使轴系的刚性增加，而船体的柔性增大，轴系的工作状态受外界因素的影响就更加敏感，大型船舶轴系安全越来越突出。不良的轴系布置，可能使轴承负荷超出许用范围，引发轴承发热或损毁。
2尾管轴承高温事故及原因分析
案例一：某11万吨成品油轮在试航中出现尾管后轴承高温报警。拆开螺旋桨、尾轴之后，发现尾管后轴承表面情况是：后轴承内孔表面沿纵向存在两端较为明显的发黑摩擦痕迹，其他内孔表面无明显的磨痕。
原因分析：根据计算要求，该船工艺中后轴承前端及前轴承后端均高于轴系中心线。核查图纸后发现，该船尾轴与尾管轴承之间的配合间隙在原图纸的要求最小值为1.27mm。但实际加工间隙为1.10mm。从而导致轴承内孔中心线出现偏差，进而出现轴承发热、发黑现象。修理时将尾管后轴承的最小间隙调整为1.28mm，满足原来的设计要求。从而解决了问题。
案例二：某船在试航过程中进行紧急停车试验时，发现监测报警显示尾管后轴承问题为55℃，超过许可范围。现场立刻做出停车指令，但温度仍然持续上升至70℃（高温报警设定值为65℃）。现场对滑油滤器拆检后，发现有金属屑及2~3mm的金属丝。在对滤器进行清洗后，并将系统内尾管滑油全部更换后，低速运转主机，缓慢提升转速过程中，温度保持正常。返厂进坞进一步拆检发现，螺旋桨轴锥孔及首尾密封不锈钢套完好无损，尾轴拉出后，发现尾管后衬套后端下方及尾轴后端均有磨损痕迹。
原因分析：在对轴系安装等一系列记录核对后发现，可能原因：一是机床等加工设备缺少维护和保养，使用前未经检查和调校，并且机加工设备布置在填海区域的厂房内，地基有下沉现象。二是轴系连接消除间隙时，违反工艺要求，没有保证尾密封轴套与尾管内尾密封油管直角接头之间的距离，导致尾密封油管直角接头磨损，产生的碎屑随滑油进入尾管轴承，造成磨损。
案例三：某57000吨散货船在航行试验中，进行操舵试验时，尾管后轴承高温报警。进坞拆检后发现，后轴承尾部烧熔痕迹明显，其他位置状况未见异常。
原因分析：该船轴系安装和检查均符合要求。经设计单位、船厂、船东及船检等多家单位研究、计算、分析，认为船体变形引起的可能性较大。后经过重新校中计算，对尾管后轴承的后端采用斜镗孔工艺。调整完成后重新试航，未发生尾轴承高温故障。
案例四：某4200TEU集装箱船在试航进行主机磨合试验时，发现尾管后轴承高温报警。主机立即停车并重新起动后，尾管后轴承温度瞬间升至170℃。回厂拆检发现，该船尾管后轴承烧损严重，前轴承状态良好。
原因分析：船厂通过对轴承烧损物质进行化验，认为事故原因是尾管进渔网。重新排轴后，又发现主机飞轮端位移超差等异常。进一步分析事故原因，并经过船厂、船东、船检等多次讨论、谈判后，船厂对该轮轴系重新进行了校中检查，即拆除主机垫片后，按照批准的校中计算书要求，进行位移和开口排列，采用顶升法验证轴承负荷。校中合格后，重新试航期间，主机耐久试验和操舵试验中再未发现轴承高温现象。
3尾管后轴承高温故障的影响原因分析
在正常情况下，轴颈和轴承两摩擦面间可形成厚度约几十微米的压力油膜，油膜将轴托起，使其浮在油膜之上。由于摩擦表面被油膜隔开摩擦系数很小，所以摩擦和磨损显著减少。如果由于设计和安装不当，可能减弱或破坏形成润滑油膜的必要条件，从而使轴承工作温度快速升高，进而产生轴承材料发热、烧熔现象。
从以上四个案例不难看出，尾管轴承发生高温故障的因素多种多样，但从其工作原理分析，可总结为以下几种：
3.1摩擦面间隙：即轴颈外圆和轴承内孔间隙，必须符合图纸要求，如案例一。
允许范围内的单位面积受力可视为正常的摩擦。船舶设计时考虑好足够的受力面积来减小单位面积的压强，从而使运动部件不至于磨损。改变摩擦面间隙，即改变了配合件之间的接触面积，也改变了油膜传导摩擦产生热量的效率，引起摩擦加剧，破坏受力平衡。
3.2润滑油的质量：如案例二。润滑油在生产、包装、运输、注入和使用过程中都可能受到污染。作为船厂来说，可以控制的是：注入前对滑油品质进行抽样检测；注入过程中加强管理，对船上油路及储油单元进行彻底清洁，特别是在管路清洗过程中，采用必要的手段来清除管路中残留的焊渣、铁屑等；投油后及时封闭滑油系统，避免杂质掺入，并在润滑系统运行时检查油泵油压、油柜油位、滑油温度等，必要时进行取样化验。
船舶投入营运后，管理方必须按照系统操作手册进行必要的维护和保养，如对尾轴滑油监控系统船舶，中国船级社规范规定船上需保存状态监控的有关管理文件、批准图纸和资料，以及尾轴承滑油分析记录、消耗记录、尾轴承温度监控记录、尾轴承间隙和下沉量测量记录等。
3.3轴系校中不良引起的非正常负荷：如案例三、案例四。轴系校中的实质就是控制轴系在安装过程中的状态，使轴系负荷满足工作状态下的安全需要。影响轴系校中的因素有很多，除了校中计算时需要客观考虑的环境温度、船体变形、轴系布置等因素，船厂的工艺能力和施工水平也是不可忽视的。
4、大型船舶轴系安装及校中技术
前面已经提到，轴系校中的实质就是控制轴系在安装过程中的状态，使轴承负荷满足工作状态下的安全需要。
目前，按照轴系校中原理，船舶主推进轴系校中方法可分为3种：轴系直线校中、轴系轴承负荷校中、轴系合理校中。合理校中的基本思想是将轴系看成弹性体，在规定的轴承负荷、轴段弯曲应力与转角等限制条件下，通过校中计算确定轴系中各轴承的合理位置，将轴系安装成规定的曲线状态，以合理分配各轴承上的负荷。这项工作在船舶轴系设计阶段就开始，成为轴系设计工作中的一环。实现轴系结构设计与轴系校中设计的浸没结合，能使轴系中各轴承的负荷尽可能合理地分布，避免因螺旋桨过重而出现尾管后轴承偏载严重乃至局部过载的现象。对于大型船舶而言，由于其轴系显著的大尺寸特征，按照各船级社的规范要求，普遍要求采用合理校中方法。
4.1合理校中要求。
各船级社规范对轴系校中的要求不尽相同，从实际应用角度，轴系合理校中至少应满足下列要求：
（1）在静态下，所有轴承应为正负荷，即不应出现轴承脱空现象。轴承负荷一般应不小于相邻两跨距间所有重量总和的20%。
（2）轴承负荷一般应不超过规范规定值或制造厂的规定值。
（3）各轴的附加弯曲应力应不超过规范规定值。
（4）施加到柴油机输出法兰处的弯矩和剪力，应不超过柴油机制造厂的规定值。主机主轴承最小负荷，一般应不小于主轴承许用负荷的10%，也可以接受柴油机厂规定的最低值。
（5）在尾管后轴承支点处，螺旋桨轴与尾管后轴承的相对倾角，在静态下一般应不超过3.5x10-4rad（中国船级社规范）。国外船级社标准一般为3.0x10-4rad。
4.2合理校中条件。
不管是在坞内或船台进行轴系校中，还是在漂浮状态进行轴系校中，其基本条件应包括下列主要内容：
（1）重大设备应安装到位。如有的船厂为了赶生产进度，没有完成上层建筑安装就进行轴系校中，以致船舶在试航时发生尾管轴承事故，船厂不得不进坞重新进行轴系校中，反而延误了交船周期，而且还造成不必要的经济损失。
（2）轴系区焊接工程应结束。在船舶建造阶段尾管总成的主要焊接工作应已完成，这是为了防止船体结构变形。
（3）船舶结构的温度应稳定并尽可能均匀。为此，确定参考线最好在早晨日出前、晚上或在阴雨天进行，这样可保持船体结构的均匀变形。特别中国南北区域温差更应引起注意。
（4）轴系校中的船舶状态。在漂浮状态校中时，船舶应处于正常的漂浮状态，螺旋桨浸水状态应尽量与计算书相近。在这个阶段，船舶各系统尚未完工，没有压载水的情况下确认螺旋桨浸没状态应与计算书的状态相近。如螺旋桨浸没状态与计算书有较大差异时，对法兰偏移和开口可能影响不大，甚至仅有0.01mm，在允许误差范围之内，但对尾管前轴承的负荷可能影响很大。如某VLCC在螺旋桨浸没状态分别为50%、100%时的校中计算结果显示，尾管前轴承负荷相差一倍以上。所以在进行校中计算时，应根据船舶浮态来确定螺旋桨的浸没情况，并以此进行轴系校中。
（5）大型船舶轴系合理校中的影响因素。
与普通船舶相比，大型船舶在船体主尺度比和船体系数存在明显区别，因此在轴系校中中需要考虑更多的影响因素，如轴系计算模型、船体变形、环境温度等。
（6）轴系计算模型。
中小型船舶轴系校中时，习惯上将尾管轴承看成单点支承，整个轴系简化成刚性支承。大型船舶轴系直径大、刚性大，而船体刚性小、变形大，而且尾管后轴承长度加大。在建模时，通过分别计算轴系刚性支承、考虑刚度后的轴承反力，可以看出轴承反力均发生了变化。
图1 简单轴系模型
进一步分析尾管后轴承长度加大的校中模型，由于轴承与轴段的接触时分布在整个轴承长度，为了更接近真实的情况，可将尾管后轴承与轴段的接触简化为10个支承点，可得到更加精确的轴系多点支承模型。
图2 细化的轴系模型
利用这一模型，调整支承点刚度，可分别得到一列计算结果。对比发现，轴承单点支承模型与多点支承模型的差异，主要体现在尾管前轴承和中间轴承上。在单点支承模型计算时，不同刚度值对应的等效支点不同。但在同一支点，尾管轴承的刚度变化，轴承反力变化不明显。
因此，在现有计算能力下，可通过适当增加后尾轴承等效支点的计算模型，得到更加精确的轴承负荷。如下图3某集装箱船校中计算中，将后尾轴承简化为3个支点（前1后2），经实船测试验证，冷态、热态工况下轴承负荷误差更小。
图3 某集装箱船校中计算书轴承号
（7）船体变形。
船舶在航行时，会遇到不同的装载工况，如满舱、半舱、压载、短时超载等，不同的装载工况会引起不同程度的船体变形。这些船体变形会使机舱部分各轴承支承处产生相对位移，即引起各轴承在垂直方向上的相对位置变化，从而引起各轴承反力的重新分布。轴系校中计算时应当考虑这些变化情况。图4是某船不同工况下的轴承变位。
通过船体变形对轴系中心线相对变形影响的有限元分析，研究船舶在漂浮工况、压载工况和满载工况时，轴系中心线变形的态势，即每一工况的变形状况、各种工况的相对位置，以便为轴系校中设计提供参考。确定船体变形计算的一般原则如下：
A、船舶工况：主要考虑以下三种，即：
图4 某船实测不同工况下的轴承变位
a）漂浮工况：船舶下水后的状态，所有压载舱为空舱，船舶主要部分已建造完成，且包括上层建筑、主机和主要设备等已安装到位。这是轴系校中工况。
b）轻载（或压载）工况：所有货舱为空舱，所有压载舱装满或按装载手册指定的实际装载工况。
c）满载工况：所有货舱满载，所有压载舱为空舱或按装载手册指定的实际装载工况。
B、计算载荷：
a）考虑船舶模型区域上的所有典型特征重量，如船体结构自重（含上层建筑）、主机、主要设备、舵和螺旋桨重量；
b）各种油水、压载水、货物；
c）各个工况对应吃水下的外部静水压力；
d）忽略波浪载荷、螺旋桨动态力、螺旋桨推力的影响。
C、船体有限元模型：
a）模型能正确反映机舱双层底的垂向变形；
b）模型范围至少包括从机舱前的一个货舱的前横舱壁开始，向后的所有船体结构部分（包括上层建筑），机舱以及机舱以后的模型；
c）主机附加刚性的影响可以不予考虑；
d）以轴承支承点作为计算取值点（按照通常的取值范围）。计算时，分别假定以尾管前轴承处或尾管后轴承处和曲轴自由端第1个主轴承处的相对变形为0，并以此作为基准参考线；
e）如计算压载和满载工况之间的相对变形量，为减少工作量，可以不考虑轻载和满载工况之间的不便载荷（如上层建筑、主机、主要设备等），以及对分析结果影响不大的舵和螺旋桨重量。
D、边界条件：模型断面的前横舱壁上的所有纵向连续构件节点设为铰支约束，即节点的纵向、横向和垂向方向的位移均为0。
通过有限元计算方法，可以得到不同轴承变位（即船体变形）时的轴承负荷变化影响系数。在不同工况时，可选择适当的轴承位移值，以满足极限工况下的轴系校中要求。结合实船测量，相关机构可以建立庞大的船体变形数据库，得到更加精确的预报和处理能力。
如某VLCC油轮校中计算书显示了中间轴承变位对其他轴承负荷的影响系数。轴承安装后进行合理校中时，测得前尾轴承负荷较轻。船东要求适当提高，现场按照计算书指导将中间轴承变位0.10mm，满足了船东要求，测得负荷也在误差范围之内。
（8）环境温度。
中国船级社规范明确要求“轴系校中计算时，应计入柴油机或齿轮箱运转后轴承受热（如55℃）膨胀的影响，并尽可能计入中间轴轴承下方双层底舱加热（如45℃）膨胀的影响。”在未能提供的情况下，轴承升高量可按下式计算：
Δh=αt*H*Δt
式中：Δh——轴承升高量，mm；
αt——材料的线性膨胀系数，1/℃
H——机座底部面板到轴承中心线距离，mm；
Δt——安装时的环境温度与轴系运转时的温度差，一般为20~30℃。
其他船级社规范也有类似要求。
同船体变形对轴系校中的影响类似，也是基于轴承的位移影响。在轴系计算书中可以明确看到。
（9）斜镗孔或轴承倾斜
大型船舶螺旋桨重量通常达几十吨甚至上百吨，导致尾轴在尾轴管内往往成弯曲状态，造成尾轴与尾轴管前后轴承不均匀接触。现在，在轴承局部承载负荷的面积上，此负荷是非常大的，必然会造成尾管后轴承尾部的局部磨损。由于后轴承尾部的急剧磨损，使得该处轴承间隙迅速增大，反过来导致负荷更加不平衡，导致轴承使用期限缩短甚至损坏。
如前所述，中国船级社规范要求尾管后轴承支点处相对倾角在静态下一般应不超过3.5x10-4rad，国外船级社标准一般为3.0x10-4rad。如超过范围，当不能用调整中间轴承的位移量校正的情况下，则需要采用斜镗尾轴管的措施来弥补。目前，国内船厂一般采用尾轴承斜镗孔的方法解决。但是从个人收集的资料来看，各船级社对相对倾角超出范围是否必须采用斜镗孔或轴承倾斜的工艺的要求不尽相同。某A船级社集装箱船校中计算书明确其计算结果基于轴系斜镗孔，而某B船级社VLCC校中计算书同样相对倾角超出范围，图纸也给出了斜镗孔的参数，但审图意见只要求测量轴系冷、热态负荷满足要求即可。
5结语
综合以上分析，对于可能导致轴承高温的校中因素，可从以下方面予以考虑：设计阶段进行仿真模拟分析，采用数值分析方法，通过建立有限元分析模型，定量地分析影响系数。目前这种方式研究较多，但局限于一船一模，且计算工作量大，因此实践应用有限。建造过程中对建造工艺过程进行严格控制，避免出现影响轴系校中的因素，严格按照工艺图纸和校中计算书的要求排装轴系。船舶投入运营后，注意维护保养与监测，及时排除隐患。
参考文献
[1]王树宝.大型集装箱船轴系高温故障分析和对策[J].上海船舶运输科学研究所学报，2019，42（03）：46-50.
[2]王树宝.6.4万吨级散货船艉轴高温损坏分析[J].上海船舶运输科学研究所学报，2018，41（01）：23-27.
[3]郭开展.船舶轴系校中工序的优化[J]. 江苏船舶，2008，25（2）：22-23.
[4]张晓晓，周瑞平.尾管斜镗孔方法研究[J]. 江苏船舶，2009，26（4）：15-17.
作者简介：
王树宝（1980-），男，河北乐亭人，工程师，主要从事船舶详细设计工作。
论文作者:王树宝
论文发表刊物:《防护工程》2019年16期
论文发表时间:2019/12/16
标签：轴承论文; 船舶论文; 工况论文; 船体论文; 负荷论文; 螺旋桨论文; 模型论文; 《防护工程》2019年16期论文;