某船軸系校中狀態及艉軸軸承磨損的影響分析

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(海軍工程大學 a.總師辦;b.動力工程學院，武漢 430033)

推進軸系是船舶動力裝置的重要組成部分，主要由艉軸、中間軸、推力軸、傳動裝置、艉管軸承、推力軸承、中間軸承、聯接法蘭等組成，其作用是將主機發出的轉矩傳遞給螺旋槳，同時又將螺旋槳所產生的軸向推力通過推力軸承傳至船體，從而推動船體前進。由此可見推進軸系的重要作用[1]。良好的軸系校中可使得軸系性能優良，提高船舶的快速性，降低軸系振動和噪聲，可以改善軸承支承環境，合理分配各軸承負荷，減少軸承磨損，提高軸系傳遞功率。通過模擬軸系的校中狀態并結合實測來分析各軸承的負荷和磨損情況，為軸系檢測修理提供理論的參考。

1 某船軸系校中分析

1.1 推進軸系模型

某船為雙軸系。軸系校中計算需要對該軸系的實際物理模型簡化成能用于計算的模型，故將軸系視作放置在剛性鉸鏈上的連續梁，對計算中所涉及的軸自重、作用在軸系上的載荷、外力及支反力的著力點等要素進行處理[2-3]。

該船軸系的艉軸承采用水潤滑的方式。其左舷推進軸系布置見圖1，該軸系包括螺旋槳、1個艉軸，3個中間軸、1個推力軸。艉軸由托架軸承(1#)、艉管后軸承(2#)、艉管前軸承(3#)3個軸承支撐，中間軸由中間軸承(4#、5#)支撐，推力軸由2個推力軸承(6#、7#)支撐。艉軸與中間軸通過半聯軸節連接，各中間軸之間、中間軸與推力軸之間通過法蘭連接。右舷推進軸系布置見圖2，該軸系包括螺旋槳、1個尾軸，6個中間軸(從船艏至船艉分別標示為1#、2#、3#、4#、5#、6#)、一個推力軸。艉軸由托架軸承(1#)、艉管后軸承(2#)、艉管前軸承(3#)3個軸承支撐，各中間軸分別由中間軸承(4#、5#、6#、7#、8#、9#)支撐，推力軸由推力軸承(10#、11#)支撐。艉軸與中間軸通過半聯軸節連接，各中間軸之間、中間軸與推力軸之間通過法蘭連接。螺旋槳均為定距螺旋槳。

圖1 左軸系布置示意

圖2 右軸系布置示意

1.2 由軸承負荷推導軸承變位的原理

對于有n個軸承的軸系而言，欲求出軸承的最佳位移量和負荷，是一個具有線性約束的最優化問題，亦即在滿足約束集的前提下，對所有給定的目標函數求極小值(或極大值)。因此，可以將求軸系各軸承的位移及負荷的最佳值問題處理成標準型的“線性規劃”問題進行求解。在軸承變位情況下，軸承的負荷為

R=R0+AD

(1)

式中：R0——直線狀態下軸承的負荷；

R——軸系各個軸承的負荷,

R={R1,R2,…,Rn}T；

A——軸承負荷影響系數矩陣(n×n)對稱矩陣；

D——軸系各個軸承的變位，

D={D1,D2,…,Dn}T；

n——軸承個數。

以軸系所要達到的負荷狀態RT作為目標，計算該軸系狀態下的軸承最佳位移量DT。

RT=R0+ADT

(2)

則直線狀態的負荷與目標負荷狀態的差為

ΔR=RT-R0=ADT

(3)

則軸承最佳位移量為

DT=A-1ΔR

(4)

軸承負荷影響系數A，是指軸系中某一軸承位移一個單位量時，所造成該軸承及其余軸承上負荷的變化量。當軸系中任一軸承或幾個軸承產生位移(變位)時，將造成軸系附加彎曲變形，從而在軸承上引起附加負荷，且這些附加負荷的大小及方向與軸承位移量的大小及方向有關；當不考慮支承及油膜剛性時，這些附加負荷與軸承的位移量成線性關系[4-6]。根據該軸系計算模型,利用三彎矩法計算該軸系左右舷推進軸系各軸承負荷影響系數，見表1，右軸略。

表1 軸承負荷影響系數 kN

對表1的分析如下。

1)艉軸架軸承的垂向變位(即軸承中心線高于或低于理論中心線一定值)對自身負荷的影響較小，對艉管后、前軸承相對影響較大，對中間軸承影響很小。當艉軸架軸承垂向變化時，如軸承磨損、支架剛度變化、軸承中心線位置低于理論中心線等，均會導致艉管后軸承負荷的增加。

2)艉管后軸承的垂向變化對自身影響很大，垂向每抬高或降低1 mm，其負荷將增加或減小7.25 kN，同時，使艉管前軸承負荷減小或增加約6.95 kN；同時，使6#中間軸承有一定的增加或減小；對其他中間軸承及推力軸承影響較小。

3)同理，艉管前軸承的垂向變化對自身影響也更大，每抬高或降低1 mm，其負荷將增加或減小約9.798 kN，同時，使艉管后軸承負荷減小或增加約6.95 kN；同時，使6#中間軸承負荷減小或增加約2.9 kN；對5#中間軸承有一定影響，對其他中間軸承及推力軸承影響較小。

4)其他中間軸承的垂向位移的變化對艉軸管軸承影響相對較小，右軸情況類似。

2 軸系各校中狀態計算

根據已建立的軸系模型，利用三彎矩法對該船推進軸系進行直線校中計算，其結果見表2、表3。該船軸系若采用直線校中方法進行軸系安裝，則由表2和表3中可見以下結果。

1)軸承比壓均滿足要求，艉軸架軸承比壓較大，達到0.382 MPa，但小于賽龍軸承允許比壓0.5 MPa，可正常安全運行。

2)艉軸架軸承支承點截面處的轉角為5.06×10-4rad(左舷)、5.13×10-4rad(右舷)均超過規范值3.5×10-4rad，更不滿足ABS、DNV、GL、BV等船級社3.0×10-4rad的標準。

為進一步研究該軸系的校中狀態，計算該船在軸系中間軸承給定計算值時軸系狀態。根據軸系校中的一般方法，假定艉管裝置中心線為理論直線，即將艉軸放在理論中心線上，其艉軸架軸承、艉管后軸承、艉管前軸承的變位為零，利用軸承變位原理計算出給定負荷下中間軸承、推力軸承的垂向位置，模擬給定軸系軸承負荷[7-9]。從模擬給定計算值與直線校中計算負荷比較可知，通過調整中間軸承的垂向位置，對艉管軸承的負荷影響不大，這是軸系結構特征所決定的。給定計算值與直線校中計算結果比較見表4。

表2 左軸系直線校中結果

表3 右軸系直線校中結果

表4 各中間軸承給定軸承負荷與直線校中計算負荷比較表 mm

可以看出各中間軸承負荷稍有差異，并不完全相同，可初步判斷該船軸系可能不是采用直線校中方法進行安裝，但也有可能其在直線校中時考慮了其船體結構變形。

為探究該船軸系校中時是否考慮船體變形，進一步計算分析該船軸系在原始安裝對中中間軸承負荷值時的軸系狀態，并與實測負荷進行比較分析，其各負荷值見表5。

表5 3種狀態軸承負荷比較 mm

從表5可知原始安裝對中中間軸承負荷值與理論給定值也不盡相同，說明原始安裝對中安裝與理論計算軸系是有區別的。根據上述假設與方法，進行軸系原始安裝對中狀態模擬和實際軸系安裝狀態模擬。為模擬軸承實際載荷，其軸承的垂向位置略有不同，左軸系原始安裝對中狀態與給定值的變位差別不大，但右軸系原始安裝對中狀態與計給定值的變位差別較大，見表6，說明右舷船體可能存在較大的船體變形，對中間軸承負荷的影響較大。

表6 實際軸系狀態(a)與原始對中狀態(b)對比表(右軸系)

3 原因分析

3.1 艉軸軸承磨損狀態模擬

根據該船軸承磨損測試資料，計算中取其平均值，并考慮其安裝間隙，軸承的實際垂向最大變位見表7。

表7 各種情況下艉軸軸承間隙及計算變位 mm

在原始對中模擬計算的基礎上，考慮艉軸架軸承單個磨損及艉軸3個軸承同時磨損兩種狀態，進行軸系軸承負荷計算，其計算結果與原始對中情況軸承負荷進行對比,見表8和表9。

1)艉軸軸承處于磨損狀態時，艉軸架軸承負荷相對減小，艉軸架軸承磨損越大，其負荷越小。

表8 3軸承磨損狀態(c)與艉軸架軸承單個磨損狀態(d)(左軸系)

表9 3軸承磨損狀態(c)與艉軸架軸承單個磨損狀態(d)(右軸)

2)艉軸軸承處于磨損狀態時，艉軸管后軸承負荷增加，且當艉軸架軸承磨損越嚴重，其負荷增加越大。

3)艉軸軸承處于磨損狀態時，艉軸管前軸承負荷減小，且當艉軸架軸承磨損越嚴重，其負荷減小程度也越大。

4)艉軸軸承處于磨損狀態時，左4和右4中間軸承負荷明顯增大；但艉軸架軸承的磨損加大，對左4和右4中間軸承負荷有一定影響，但明顯小于艉軸軸承同時磨損帶來的負荷影響。

5)艉軸軸承處于磨損狀態或艉軸架軸承處于最大磨損狀態時，對其他中間軸承的負荷影響相對較小。

3.2 艉軸磨損分析

從計算結果可看出：艉軸架軸承的過快磨損可能會導致艉軸管后軸承的磨損加劇，如果安裝時低于理論中心線或艉軸管中心線也會導致艉軸管后軸承負荷的增加，加劇艉軸管后軸承的磨損，艉管前軸承的負荷均遠大于艉軸管后軸承的負荷。但從軸承實際檢測磨損情況看，艉軸管前軸承的磨損均小于艉軸管后軸承，且艉軸管前后軸承長度一樣。從理論計算結果來說，艉軸管前軸承應該比艉軸管后軸承磨損嚴重，由此可判斷，有可能存在艉軸管前軸承負荷偏小的情況。綜合上述各狀態計算模擬，該船艉軸軸承磨損的主要原因如下。

1)艉軸架軸承的磨損主要是艉軸架軸承的比壓過大以及艉軸架軸承支點處轉角過大所致。據前面假設和分析，該船左右軸艉軸架軸承實際負荷均在191 kN左右，其軸承計算比壓在0.383 MPa左右，相比行業公認的賽龍軸承允許比壓0.50 MPa應當比較接近。但與其他船比較，其比壓遠遠超過其他船的實際使用比壓0.224 MPa。

2)該船艉軸架軸承支點處轉角達5.03×10-4rad，遠遠大于3.0×10-4rad的行業標準，也超過其他船該支點處的轉角3.95×10-4rad，加大了軸承的局部比壓，造成軸承磨損加快。采用傾斜軸承方法，斜度為0.4 mm/m，軸承支點處轉角幾乎為零，說明軸系與軸承的接觸更加均勻。故該艉軸軸架應采取軸承傾斜或斜鏜孔方法，使其支點處轉角小于3.0×10-4rad。

3)艉軸管后軸承磨損的主要原因也是由于其負荷過大。計算模擬和實測表明該船艉軸管后軸承模擬計算負荷均在45～48 kN之間，艉軸管前軸承計算負荷在75～83 kN之間，艉軸管后軸承的比壓在0.18 MPa左右，艉軸管前軸承的比壓在0.30 MPa左右，相對合理，且應當是艉軸管前軸承的磨損應比艉軸管后軸承嚴重。而實測的結果是艉軸管后軸承磨損比前軸承磨損更加嚴重。實際上艉軸管后軸承負荷遠大于艉軸管前軸承負荷，說明艉軸架軸承、艉軸管后軸承、艉軸管前軸承并非安裝在同一中心線上。

4 結束語

根據上述分析結果，進一步對艉軸軸承磨損狀態的模擬計算分析，若軸系安裝狀態不良，會加大艉軸軸承負荷，導致艉軸軸承磨損。但是僅從靜態校中來計算分析該軸系艉軸磨損原因是不夠的，需要進一步從軸系動態校中方面考慮和分析該軸系情況，如螺旋槳激振力、油膜潤滑等因素，為下一步采取相關處理措施提供依據。

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