船用表面槳系統(tǒng)萬向聯(lián)軸器損毀原因分析

馮盎然

(中國船級(jí)社珠海分社，廣東 珠海 519000)

表面槳具有吃水淺、空泡腐蝕少、易于優(yōu)化機(jī)槳配合、航行阻力小、易拆卸與保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)[1-5]，越來越多的公務(wù)艇采用表面槳。表面槳常見故障主要包括：操縱油缸壓力低，滑油溫度高，滑油壓力低等。與常規(guī)可修補(bǔ)故障不同，本文所述表面槳在試航中完全損毀，分析故障原因，在排除多種可能性后，最終通過碎片化學(xué)分析確認(rèn)是萬向聯(lián)軸器內(nèi)部端面卡簧漏裝引起。而查閱相關(guān)檢驗(yàn)文件后發(fā)現(xiàn)該零部件并非必檢項(xiàng)目。希望通過對(duì)該事故的總結(jié)，引起相關(guān)方的重視。

1 萬向聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)形式

世界上目前表面槳廠商較多，如美國Areson、雙環(huán)，法國SDS、新西蘭Seafury等[6]，典型表面槳剖面圖見圖1，主要部件包括輸入軸、操縱油缸、縱傾角度調(diào)節(jié)油缸、雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器、槳軸、球頭、球座、波紋罩、槳軸、舵葉、角度傳感器等。

圖1 典型表面槳剖面

雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器主要包含十字節(jié)、節(jié)叉，十字節(jié)4個(gè)端部含有密封環(huán)，即可阻擋細(xì)微顆粒進(jìn)入端部造成磨損，亦可封存少量滑油，增強(qiáng)潤滑效果。十字節(jié)和節(jié)叉間裝有端面卡簧，其受力強(qiáng)度不大，主要起到相對(duì)固定作用，防止雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器產(chǎn)生徑向位移，觸碰到球頭與球座。端面卡簧與十字節(jié)見圖2。

圖2 雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器與端面卡簧

船舶前進(jìn)時(shí)，柴油機(jī)輸出動(dòng)力經(jīng)齒輪箱、輸入軸、雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器、槳軸傳輸至螺旋槳。通過控制轉(zhuǎn)舵液壓油缸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)舵，并根據(jù)主機(jī)負(fù)荷，通過控制縱傾油缸行程進(jìn)而選取適當(dāng)?shù)谋砻鏄獦~浸水面積，來獲得最大推進(jìn)效率。裝置附有重力油箱，依靠重力為球頭與球座、艉封板軸承補(bǔ)充滑油，起到潤滑與冷卻作用。并通過套在球頭上的密封油圈，將滑油封鎖在球頭內(nèi)部。外部的波紋罩與球頭和球座間為空氣，波紋罩主要作用是：①保護(hù)球頭與球座，避免與異物碰撞，②防止內(nèi)部結(jié)構(gòu)接觸海水而發(fā)生腐蝕，③防止滑油泄漏至海水中造成污染。

2 故障描述

在完成系泊試驗(yàn)后進(jìn)行航行試驗(yàn)。航行試驗(yàn)內(nèi)容見表1、2，即按GB/T3471—2011《海船系泊及航行試驗(yàn)通則》和試航大綱對(duì)負(fù)荷試驗(yàn)和Z型操舵試驗(yàn)的要求。

表1 負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)間

表2 Z型操舵試驗(yàn)

當(dāng)完成Z型操舵準(zhǔn)備進(jìn)行倒車試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

1)倒車操舵過程中船體發(fā)生強(qiáng)烈抖動(dòng)。

2)再正車推進(jìn)速度極低，左舷槳軸有明顯卡死現(xiàn)象，加大油門主機(jī)排煙管冒黑煙，齒輪箱輸出端轉(zhuǎn)速未增加。

3)駕駛臺(tái)滑油液位低聲光報(bào)警。

當(dāng)即停止試驗(yàn)，進(jìn)入機(jī)艙發(fā)現(xiàn)表面槳滑油柜已空，見圖3。

圖3 滑油全部流失

拆解表面槳發(fā)現(xiàn)：解開波紋罩緊箍時(shí)即有大量黑色滑油流出，原本無接觸的球頭和雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器發(fā)生過劇烈碰撞，兩者損毀嚴(yán)重。現(xiàn)場(chǎng)拆解情況見圖4。判斷認(rèn)為，該損毀故障是由于雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器和球頭、球座高速碰撞造成。

圖4 損壞的球頭與雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器

3 故障原因

拆解表面槳過程中未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有其他異物，排除偶然外部干擾的可能性。只有當(dāng)雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器發(fā)生異常角度變化時(shí)才可導(dǎo)致兩者高速碰撞。由此間接分析認(rèn)為故障發(fā)生在負(fù)荷試驗(yàn)調(diào)節(jié)縱傾角度或者操舵試驗(yàn)時(shí)。根據(jù)該型號(hào)表面槳設(shè)計(jì)，其調(diào)節(jié)浸水面積最大縱傾角度為±7.5°，左右操舵最大角度為正負(fù)15°。在整個(gè)長時(shí)間負(fù)荷試驗(yàn)過程中并未發(fā)現(xiàn)船體震動(dòng)、或者表面槳滑油低位報(bào)警等異常，其中100%工況時(shí)調(diào)節(jié)表面槳最佳縱傾角度約為4°。那么，調(diào)節(jié)縱傾油缸的角度并不足以導(dǎo)致雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器和球頭、球座碰撞，因此故障發(fā)生在操舵過程中。

為確定事故原因，將思路概括為從外到內(nèi)。外部原因主要包括安裝問題，內(nèi)部原因主要是表面槳自身質(zhì)量問題。先對(duì)表面槳定位進(jìn)行復(fù)檢，確認(rèn)是否表面槳定位不滿足精度要求，在長時(shí)間受力不當(dāng)后而損毀。若外部無問題后，再對(duì)內(nèi)部，即表面槳自身是否有質(zhì)量問題，進(jìn)行復(fù)查，比如是否漏裝某些零部件等。

3.1 表面槳定位結(jié)果復(fù)核(外部)

在艉封板上定位尺寸和現(xiàn)場(chǎng)復(fù)檢照片見圖5，影響表面槳能否在最佳工況運(yùn)行的主要定位數(shù)據(jù)為，法蘭水平端面距艉封板下沿(25±1)mm，見圖5b)中箭頭所示位置。現(xiàn)場(chǎng)拆卸表面槳軸系后對(duì)該數(shù)據(jù)復(fù)核結(jié)果為24 mm，證明該數(shù)據(jù)并未造成表面槳軸系應(yīng)力集中或其他原因而損毀。在確認(rèn)該數(shù)據(jù)無誤后，對(duì)縱傾油缸、操舵油缸位置進(jìn)行復(fù)核，測(cè)量結(jié)果均在誤差允許范圍內(nèi)。因此，可以完全排除安裝不當(dāng)引起故障的可能性。

圖5 表面槳艉封板定位復(fù)檢

3.2 表面槳質(zhì)量原因分析(內(nèi)部)

在經(jīng)過復(fù)核后，排除了由安裝不當(dāng)引起損毀的可能性。因此可以將查找故障范圍縮小到表面槳自身質(zhì)量問題，比如軸系強(qiáng)度不足，或者漏裝、錯(cuò)裝某個(gè)零部件。從破損方式與位置，并結(jié)合表面槳原理來看，有如下幾種可能性。

第一種是漏裝十字節(jié)端面密封環(huán)，導(dǎo)致十字節(jié)端面滑油流失，并含有顆粒造成大量高溫磨損。

第二種是漏裝端面卡簧，十字節(jié)和節(jié)叉間不能確保相對(duì)固定，使得十字節(jié)脫落，在離心力的作用下與節(jié)叉、球頭、球座撞擊。

第三種是端面卡簧自身強(qiáng)度存在質(zhì)量問題，操舵試驗(yàn)時(shí)在徑向力的作用下粉碎，而同樣引起十字節(jié)與節(jié)叉、球頭、球座撞擊。

3.2.1 十字節(jié)密封環(huán)對(duì)比

為判斷十字節(jié)密封環(huán)引起故障的可能性，拆解表面槳，發(fā)現(xiàn)表面槳的十字節(jié)密封環(huán)沒有全部安裝到位，但未發(fā)現(xiàn)其余故障和磨損，因此排除十字節(jié)密封環(huán)引起故障的原因。見圖6，個(gè)別表面槳十字節(jié)密封環(huán)數(shù)量不足。

圖6 密封環(huán)數(shù)量不足的十字節(jié)

缺失密封環(huán)的表面槳未發(fā)生故障，主要原因在于雙向十字節(jié)萬向聯(lián)軸器在正常工況時(shí)浸沒在大量滑油內(nèi)，得益于滑油使用時(shí)間較短，使得其有足夠的散熱和潤滑。當(dāng)長時(shí)間運(yùn)行后滑油會(huì)含有細(xì)小顆粒易引起十字節(jié)磨損，因此仍需對(duì)未發(fā)生故障的十字節(jié)進(jìn)行更換。

3.2.2 碎片化學(xué)分析

由于雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器已過于碎片化，無法肉眼確認(rèn)是否安裝端面卡簧，更無法判斷選取樣品進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，因此需選取合適的碎片和成品進(jìn)行化學(xué)分析對(duì)比。

現(xiàn)場(chǎng)收集了5塊疑似端面卡簧或包含端面卡簧的樣品碎片，并同一套新雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器與一個(gè)完整端面卡簧，共7個(gè)樣品送往某質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所進(jìn)行化學(xué)分析，部分樣品見圖7。

圖7 部分化學(xué)分析樣品

檢驗(yàn)依據(jù)為GB/T 20125—2016《低合金鋼多元素的測(cè)定電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》。化學(xué)分析結(jié)果見表3。

從表3中可以分析出：

表3 樣品碎片化學(xué)分析結(jié)果

1)分析Mn、Cr、Mo這3種化學(xué)元素含量范圍分析，2#、3#、4#和5#碎片與雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器均在同一含量水平。因此，2#、3#、4#和5#這4份碎片非端面卡簧碎片，或這4份碎片內(nèi)不包含端面卡簧碎片。

2)1#碎片中Mn、Cr、Mo含量范圍與端面卡簧和雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器成分均有明顯差異，故判定1#碎片不是端面卡簧碎片，或不包含端面卡簧碎片。

綜上，確認(rèn)該套表面槳在出廠時(shí)，雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器缺少起相對(duì)固定作用的端面卡簧，導(dǎo)致裝置損毀。

4 過程還原與后續(xù)處理

4.1 過程還原

在進(jìn)行滿負(fù)荷操舵時(shí)，縱傾油缸和操舵油缸同時(shí)工作，使得雙十字節(jié)萬向聯(lián)軸器發(fā)生角度變化，端面卡簧的缺失導(dǎo)致十字節(jié)和節(jié)叉無法相對(duì)固定，徑向旋轉(zhuǎn)范圍擴(kuò)大，表面槳內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，聯(lián)軸器和球頭原有的距離不足以為擴(kuò)大的旋轉(zhuǎn)范圍提供冗余，使得聯(lián)軸器碰撞到球頭，并在反復(fù)碰撞過程中十字節(jié)和節(jié)叉脫節(jié)，使得碰撞結(jié)果愈加惡化，最終兩者均損毀。在球頭破損后，由于波紋罩與球頭和球座間的空間足以盛裝全部滑油，使得滑油通過球頭破損處流至波紋罩內(nèi)，在滑油流盡后艉封板軸承失去潤滑與冷卻，因高溫而變形卡住了槳軸。同時(shí)在不能通過滑油循環(huán)流動(dòng)進(jìn)行散熱后，波紋罩由于導(dǎo)熱性較差，無法通過接觸海水散熱，使得其內(nèi)部大量熱量聚集，溫度極速升高，滑油也因此變質(zhì)發(fā)黑。

4.2 后續(xù)處理

后經(jīng)表面槳廠家證實(shí)，由于該批船舶工期較為緊張，廠家無法在短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出一定數(shù)量的表面槳，因此臨時(shí)委托第三方進(jìn)行生產(chǎn)與組裝。該第三方無相關(guān)認(rèn)可資質(zhì)，且是首次對(duì)該型號(hào)表面槳生產(chǎn)與組裝，不熟悉相關(guān)流程與需重點(diǎn)把控的項(xiàng)目，端面卡簧的強(qiáng)度也無法滿足廠家的要求，因此出廠產(chǎn)品失去有效的質(zhì)量把控。

考慮到實(shí)船的特殊性，對(duì)表面槳損毀的船舶更換表面槳，其余由第三方生產(chǎn)的表面槳全部拆解，核查是否有遺漏端面卡簧和十字節(jié)密封環(huán)，由于此次故障中未能找到有效端面卡簧碎片進(jìn)行強(qiáng)度分析，為避免由于端面卡簧強(qiáng)度問題造成同樣后果，該項(xiàng)目全部表面槳更換更高強(qiáng)度端面卡簧。

5 改進(jìn)建議

1)端面卡簧由于安裝位置在雙十字節(jié)萬向軸承內(nèi)部不易被注意到，且在實(shí)際運(yùn)行過程中相對(duì)其他部件受力較小，相關(guān)人員只考慮到設(shè)計(jì)時(shí)其基本強(qiáng)度問題，忽視了其安裝與否及符合標(biāo)準(zhǔn)情況。查詢廠家相關(guān)質(zhì)量監(jiān)控文件，發(fā)現(xiàn)并未單獨(dú)提到或要求重點(diǎn)關(guān)注端面卡簧的安裝，實(shí)際檢測(cè)方式只是短時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷和簡單的操舵試驗(yàn)。另外，表面槳廠家往往限于場(chǎng)地原因和技術(shù)條件，在出廠前無法進(jìn)行實(shí)船試驗(yàn)，且臺(tái)架試驗(yàn)的條件不足以模擬出實(shí)船的工況。事實(shí)表明，簡易的出廠試驗(yàn)無法檢查出端面卡簧等零部件的漏裝。據(jù)查，目前市場(chǎng)里已有專為表面槳進(jìn)行專業(yè)臺(tái)架試驗(yàn)的設(shè)備，應(yīng)盡早督促廠家引進(jìn)。

2)該項(xiàng)目表面槳廠家以產(chǎn)能不足為由，將生產(chǎn)和安裝工作轉(zhuǎn)包給第三方，且并未提前告知。對(duì)整個(gè)生產(chǎn)進(jìn)度造成了影響，重新對(duì)新表面槳進(jìn)行系泊與航行試驗(yàn)極大浪費(fèi)了人力物力，增加了生產(chǎn)成本。該次損毀暴露了部分廠家對(duì)規(guī)范、法規(guī)認(rèn)知不足，不能嚴(yán)格按照質(zhì)量體系進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)，未盡到自身的生產(chǎn)責(zé)任和義務(wù)。應(yīng)不定期對(duì)廠家進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控與抽查，對(duì)工廠具有一定約束力。

3)在日后使用過程中，廠家應(yīng)對(duì)端面卡簧的使用壽命做出評(píng)估，提醒用船單位在日常維護(hù)保養(yǎng)中及時(shí)更換，以免造成類似情況。由于使用壽命受工況影響會(huì)一定程度縮減。除此以外，可參考尾軸間隙及舵桿間隙等檢驗(yàn)要求，對(duì)端面卡簧的磨損程度給出限值，若磨損程度過大，也將導(dǎo)致節(jié)叉與十字節(jié)失去有效固定，有引起損毀的可能性。可結(jié)合船舶特別檢驗(yàn)，將其列為表面槳拆檢時(shí)必檢項(xiàng)目，當(dāng)超過標(biāo)準(zhǔn)值后及時(shí)更換。

4)此次案例中廠家將生產(chǎn)委托給無資質(zhì)的第三方，而未能將質(zhì)量體系落實(shí)到位。相關(guān)產(chǎn)品檢驗(yàn)要求主要對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)度、材料、性能、耐久時(shí)間等做出要求，而未能明確抽檢數(shù)量，存在部分廠家對(duì)送檢樣品確保質(zhì)量，而其余產(chǎn)品質(zhì)量未知的可能性。因此在相關(guān)要求中應(yīng)明確規(guī)定大批量生產(chǎn)時(shí)對(duì)成品的抽檢數(shù)量，并應(yīng)不定期對(duì)成品進(jìn)行抽檢。

結(jié)合此次故障，相關(guān)人員都應(yīng)意識(shí)到，必檢項(xiàng)目不應(yīng)限于硬件條件而無法得到有效落實(shí)。且廠家應(yīng)堅(jiān)決杜絕承包給第三方生產(chǎn)與安裝情況發(fā)生，加強(qiáng)規(guī)范與法規(guī)認(rèn)知，盡到相關(guān)的責(zé)任與義務(wù)。