吊艙推進(jìn)裝置推力軸承模塊研究

邱曉峰，王 欣，徐建國

(武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，湖北 武漢430050)

0 引言

吊艙推進(jìn)裝置是一種新穎的推進(jìn)形式。吊艙通過支柱懸掛在船體下面，艙體內(nèi)置電機(jī)通過電機(jī)軸直接驅(qū)動螺旋槳。整個吊艙可在水平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)360°方向回轉(zhuǎn)，因此可提供來自各個方向的推力，吊艙電機(jī)可通過周圍的海水直接冷卻[1]。吊艙電力推進(jìn)軸承單元主要由螺旋槳軸非驅(qū)動端推力軸承模塊和驅(qū)動端調(diào)心軸承組成。驅(qū)動端調(diào)心軸承僅承受螺旋槳軸上的徑向力，而非驅(qū)動端的推力軸承模塊承受了螺旋槳軸工作中的全部軸向載荷，同時也承受部分的徑向力，因此其可靠性設(shè)計對于整個吊艙推進(jìn)裝置至關(guān)重要。

1 推力軸承可靠性因素分析

推力軸承模塊由兩個背靠背安裝的球面滾子推力軸承組成，因此可承受來自兩個方向上(向前/向后)的全部軸向負(fù)荷。該模塊安裝于電機(jī)軸非驅(qū)動端，置于一體式軸承座內(nèi)，具體布置如圖1所示。

潤滑是保證軸承正常運(yùn)行的必要條件。綜合考慮吊艙裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)置以及性能要求，推力軸承模塊通常采用油浴潤滑方式，潤滑油箱設(shè)置在非驅(qū)動端電機(jī)端蓋上。鑒于軸承因受載和振動產(chǎn)生的熱量會積聚在潤滑油油箱中，潤滑油液若得不到充分的冷卻將會變質(zhì)，推力軸承滾子的使用性能也將隨之下降，甚至損壞，因此設(shè)計一套完整的潤滑系統(tǒng)，保證其可靠性和可測試性是潤滑系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。

圖1 ABB Compact Azipod 緊湊型吊艙推進(jìn)器

推進(jìn)電機(jī)在工作過程中，電機(jī)軸上會產(chǎn)生軸電壓。如果軸承、軸及電機(jī)殼體之間形成回路時，就會形成軸電流，對軸承產(chǎn)生電擊腐蝕。電擊腐蝕將使得軸承提早失效，極大降低軸承的工作壽命，同時由于軸承損壞及更換帶來的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失將更大。美國NEMAMGI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，按IEEE112標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，如果軸電壓峰值大于300 mV時即需采取絕緣措施[2]。因此，在吊艙電力推進(jìn)系統(tǒng)中抑制軸電流是必須解決的難點(diǎn)。

吊艙推進(jìn)器的機(jī)械部件，尤其是內(nèi)部傳動的零部件，因受到溫度、摩擦、腐蝕、電擊等各種破壞激勵，均為易損部件，而這其中最易損壞的部件當(dāng)屬推進(jìn)器中的滾動軸承。由于吊艙推進(jìn)器長期在水下工作，故對滾動軸承進(jìn)行實(shí)時有效的監(jiān)控，是保證吊艙推進(jìn)器可靠性、安全性和可測試性的難點(diǎn)。

2 難點(diǎn)的研究與實(shí)現(xiàn)

2.1 推力軸承模塊的潤滑與冷卻

為了保證潤滑系統(tǒng)的可靠性和可測試性，完整的滑油系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)潤滑油箱的油位檢測、油液取樣、油液補(bǔ)充等功能。潤滑油箱設(shè)置在非驅(qū)動端電機(jī)端蓋上，需對油箱進(jìn)行密封設(shè)計，防止油液泄漏。潤滑油利用油箱周圍的海水直接進(jìn)行冷卻，當(dāng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)起來后，油箱油液的熱量將經(jīng)由箱體外部流動的海水而消散。為了平衡電機(jī)殼體內(nèi)部與潤滑油箱之間的空氣壓力，在電機(jī)端蓋上需設(shè)置通氣管路，如圖2所示的1#管路。為了保證軸承的充分潤滑，油箱中的液位必須達(dá)到一定的高度，因此需設(shè)置油位自動調(diào)節(jié)和液位監(jiān)測系統(tǒng)，以確保潤滑油液保持在合適高度。油液消耗后，將導(dǎo)致潤滑油箱中的油量不足，所以需設(shè)置一套定期補(bǔ)充油液的油液補(bǔ)充系統(tǒng)。在使用過程中，為了檢查推力軸承的磨損情況，需要對潤滑油液進(jìn)行取樣化驗(yàn)，因此需設(shè)置油液取樣系統(tǒng)。潤滑油的使用達(dá)到一定期限后，需要對潤滑油及時進(jìn)行更換，此時則需要對潤滑油箱內(nèi)的油液進(jìn)行抽出和注入操作。對于油潤滑系統(tǒng)功能中的油位檢測和油液取樣，可利用電機(jī)單元內(nèi)的壓縮空氣，而潤滑油箱的抽油和補(bǔ)油則需要單獨(dú)提供抽油泵和補(bǔ)油泵來進(jìn)行。

1#—通氣管保持油池和電機(jī)艙室壓力平衡；2#—進(jìn)油口管路

排放；4#—壓縮空氣管路。

圖2 推力軸承模塊潤滑系統(tǒng)示意圖

2.2 軸電流抑制

軸電流的大小對滑動軸承和滾動軸承的影響略有不同。對滾動軸承而言，由于滾珠(滾柱)與軸承內(nèi)外圈滾道的接觸面積小，對軸電流的敏感比滑動軸承更大，軸電流給滾動軸承造成的損傷及破壞更厲害。當(dāng)軸電流大于2 A時，幾小時內(nèi)即可能損傷；若軸電流為1～1.4 A，軸承只能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)200～700 h；軸電流只有低于1 A時，一般滾動軸承才能無大傷害的運(yùn)行[2]。目前軸承絕緣是阻斷軸電流在軸承和船體之間形成回路的一種最有效的方法。

2.2.1絕緣點(diǎn)選取

理論上來講，吊艙艙室軸承絕緣點(diǎn)可設(shè)置在非驅(qū)動端推力軸承以及驅(qū)動端調(diào)心軸承兩處，軸承絕緣方案如圖3所示。從圖3可知，當(dāng)驅(qū)動端采取絕緣設(shè)計時，軸電流將無法在吊艙內(nèi)部形成電流回路，而當(dāng)僅有驅(qū)動端絕緣時，從驅(qū)動端傳播的電流將繞過驅(qū)動端的調(diào)心軸承從螺旋槳、電機(jī)艙室再回到非驅(qū)動端的軸承形成電流回路[3]。

圖3 軸承絕緣方案

通過查閱和收集資料總結(jié)，目前吊艙的主流成熟品牌Rolls Royce與ABB吊艙絕緣設(shè)計見表1，綜合考慮軸承絕緣應(yīng)設(shè)置在非驅(qū)動端推力軸承。

表1 Rolls Royce與ABB吊艙絕緣設(shè)計

2.2.2軸承絕緣方法

常用的軸承絕緣方式見表2[4]。通過對比分析，在非驅(qū)動端設(shè)置絕緣裝置，在驅(qū)動端設(shè)置軸系接地裝置，選擇絕緣套絕緣的方式阻斷軸電流回路。在軸承座外圓設(shè)置絕緣套，同時為了保護(hù)螺栓，在螺栓孔設(shè)置絕緣套。

表2軸承絕緣方法

2.3 軸承在線監(jiān)測

軸承在線監(jiān)測涉及到很多的技術(shù)難點(diǎn)，具體涵蓋選用傳感器類型、軸承故障檢測方法、信號的采集和信號處理等內(nèi)容。

2.3.1滾動軸承故障監(jiān)測方法

滾動軸承的破壞形式包含疲勞剝落、裂紋和斷裂、壓痕、磨損、電流腐蝕、銹蝕、保持架損壞等，而所有的破壞形式均會表現(xiàn)出或發(fā)熱、或振動、或噪聲突然增大等現(xiàn)象。因此，監(jiān)測滾動軸承的運(yùn)行狀態(tài)主要從溫度和振動兩方面進(jìn)行監(jiān)測。

2.3.1.1溫度

工作溫度是反映軸承工作狀態(tài)的直接指標(biāo)。正常工作時，軸承溫度穩(wěn)定在正常的溫度范圍內(nèi)，一旦軸承發(fā)生故障，軸承溫度會立刻出現(xiàn)異常。

2.3.1.2振動

軸承本身的振動信號含有大量的工作運(yùn)行信息，任何一類機(jī)械故障發(fā)生，都會在其振動信號的相應(yīng)頻率成分發(fā)生變化。對其振動信號進(jìn)行分析，能可靠快速地分析故障并定位故障部位[5]。綜上，吊艙電力推進(jìn)裝置推進(jìn)電機(jī)中調(diào)心軸承及推力軸承端需設(shè)置的監(jiān)測點(diǎn)見表3。

表3 軸承在線監(jiān)測項(xiàng)目

吊艙推進(jìn)器軸承監(jiān)測傳感器布置圖見圖4。

1—推力軸承徑向振動傳感器；2—推力軸承軸向振動傳感器；

2.3.2軸承故障信號的拾取

軸承故障信號的拾取是指傳感器及安裝部位和感應(yīng)頻率段的選擇。傳感器的安裝部位往往選擇軸承座部位，并按信號傳動的方向選擇垂直、水平、軸向布置。這里距故障信號源最近，傳輸損失最小，也是軸、齒輪等故障信號傳輸路徑必經(jīng)的最近位置。

不同的軸承故障對應(yīng)有不同的振動信號頻段。針對不同的信號所處頻段，需采用不同的信號拾取方式。

表4 軸承在線監(jiān)測項(xiàng)目

滾動軸承固有頻率通常為2 000～5 000 Hz，因此，吊艙軸承振動信號的監(jiān)測選用加速度傳感器。

2.3.3信號的傳輸

一套完整的信號監(jiān)測系統(tǒng)大致可分為四個組成部分：傳感器、信號電纜、采集卡(帶恒流源)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。吊艙推進(jìn)器輸送給永磁電機(jī)的電流較高，周圍的電場、磁場對信號的傳輸干擾性比較嚴(yán)重，且每路信號均需從推進(jìn)單元經(jīng)過信號滑環(huán)傳輸至采集卡。傳感器與采集卡之間的信號傳輸一般采用雙芯雙屏蔽電纜，每一路信號分為一根接地負(fù)極信號和一根正極信號。當(dāng)信號傳輸至信號滑環(huán)時，都需要拆解后經(jīng)過滑環(huán)傳輸，一路信號需要兩道環(huán)來傳輸。

2.3.4振動信號的后處理分析

軸承的在線監(jiān)測系統(tǒng)主要是對采集到的振動信號和溫度信號進(jìn)行處理分析，評定軸承的運(yùn)行工作狀態(tài)，在故障發(fā)生的初級階段，預(yù)報軸承的故障。

溫度信號可以被采集卡采集到后直接讀取，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的溫度范圍進(jìn)行報錯。對于振動信號，通常采集卡采集到的振動信號為時域信號，時域信號的一些指標(biāo)如峰峰值、均方根值等，都能直接地反應(yīng)出軸承的故障信息。如果軸承發(fā)生故障，這些時域信號指標(biāo)一般會成倍增加，此時可預(yù)報故障。

3 結(jié)語

推力軸承模塊的可靠性設(shè)計對于提高吊艙的安全穩(wěn)定至關(guān)重要。采用封閉油箱的油浴潤滑系統(tǒng)在保證軸承充分潤滑的基礎(chǔ)上，還可實(shí)時對油液取樣化驗(yàn)，檢查軸承的磨損情況。在非驅(qū)動端設(shè)置軸承絕緣有效地抑制了軸電流形成回路，避免軸承遭到電擊腐蝕。對滾動軸承的溫度和振動進(jìn)行監(jiān)測，可及早發(fā)現(xiàn)問題，避免安全事故發(fā)生。這些措施可全方位地保障推力軸承的良好運(yùn)行，極大地提高軸承的使用壽命。2013年9月，ABB公司曾對已運(yùn)行9 a的吊艙推進(jìn)器進(jìn)行檢修，檢修發(fā)現(xiàn)采取以上措施的推力軸承模塊仍然保持在非常好的狀態(tài)[6]。由此證明這些措施是有效可行的，這對于吊艙推進(jìn)器的進(jìn)一步研發(fā)有著非常重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 冀路明, 汪慶周. 二十一世紀(jì)的Azopod吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)[J].船舶工程，2002(2)：61.

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[4] 張佳興，潘國順，章力源.淺析變頻電機(jī)軸電流對電機(jī)軸承的影響[J].防爆電機(jī)，2007，42(2):20.

[5] 王林鴻.滾動軸承故障診斷[EB/OL].(2013-12-05)[2017-08-02]. https://wk.baidu.com/view/4d40100a376baf1ffc4fadba.

[6] KOCK Juho，VARIS Jukka，AHO Jaakko.10 Years Overhaul Interval with Gearless Azipod Thruster [C/OL].(2014-10-14)[2017-08-02].http://dynamic-positioning.com/proceedings/dp2014/thrusters-varis.pdf.