艉轴管闭式水润滑轴承磨损故障解决方案

作者：中交四航局江门航通船业有限公司    祖恩辉

以润滑形式区分，艉轴艉管装置有水润滑及油润滑两种。

以润滑系统不同区分，有开式水润滑及闭式水润滑或闭式油润滑。

图1 开式水润滑艉轴艉管装置

图1为开式水润滑艉轴艉管装置，适用航行于水质洁净、不含泥沙的水域的船舶。

这种形式的艉轴艉管装置只有首密封装置，以防止海水涌入船内。

图2 闭式水润滑艉轴艉管装置

图2为闭式水润滑艉轴艉管装置，由艉管、白合金轴承、首尾密封装置、油柜及其管路等系统组成，以滑油为冷却和润滑剂。

由于是闭式结构，有效地将泥沙水进了隔离，避免了泥沙对轴和轴承的磨损，延长了艉轴和轴的使用寿命[1-2]。

然而，传统船舶油润滑在实际营运中存在着不同程度的泄漏，我国现行有关船舶艉轴密封（对油润滑）装置安装（检验）标准（JT/T 286—1955、JT/T 3419—1992）艉轴密封的泄漏允许量2～3滴/分钟。

据实船统计，一艘总功率在440kW～880kW的双机在航船舶，一年所消耗的艉轴滑油约为150kg～300kg[3]。

仅三峡库区，常年运行的船舶数量在9 000艘以上，一年排出的滑油达数千吨，对于长江的污染更大而对于海洋的污染更是触目惊心。

在一些发达国家，如美国政策明文规定，在内河航行的船舶，不准采用油润滑艉管系统，从而解决漏油对水域的污染。

2013年美国环保署（U.S Environmental Protection Agency，EPA）为防止润滑油泄漏对海域造成污染，在最新发布的船舶通用许可（Final 2013 VGP）中指出，所有进入美国水域（沿海3 n mile）船舶在油水界面上必须使用环保润滑油（EAL），当船舶不在干坞时应尽可能少地对艉轴管密封装置进行维护保养。

这无形中提高了船舶的运营成本，一旦造成大面积泄漏，将面临天价的处罚。

而采用水润滑轴承则可以很好地解决令人棘手的环境问题[4]。

一、第一次海试故障描述

为荷兰船东Seatrade建造的4 600载重吨果汁运输船船长99.90m，宽15.40m，型深8.75m，配备2个货舱和12个独立液货舱，入级法国船级社（BV）。

该船最大亮点是采用绝缘液货舱保护液货舱不受细菌污染，液货舱配备独立的冷却系统，使液货舱保持-10℃～0℃的低温状态。

该船原动力推进系统采用国内首次采用的闭式水润滑（后改为油润滑）和艉管单轴承设计，整个轴系的负荷依靠艉轴承和齿轮箱轴承进行负荷分配[5]。

该船试航中，在进行船舶惯性试验和主机紧急停车（即：船舶全速前进到船舶倒车直至停车）这个试验后，艉管水润滑装置流量计显示艉管内循环的淡水流量出现异常，同时触发重要故障报警（滤器堵塞报警），主机连锁开始减负荷后停车，船厂马上停主机，检查发现艉管水润滑水柜已没有水。

这时开始排查故障，首先检查管子系统没有泄漏，与之相关的舱室也没有泄漏，再往水柜内加入淡水，15min内基本漏光。

由于当时船舶航行在禁锚区边缘，与船长沟通航行安全问题后，和服务商沟通后，决定往水柜不断加水，主机动车前往锚地，由于水柜容量限制，每次加水后只能坚持15min，主机必须停车，共加了3次水，船舶才航行到达锚地，等待拖船。

1、进坞后对推进系统进行检查

船舶进坞后检查艉密封情况，发现艉密封进坞检查后发现，桨毂与防护罩渔网刀之间明显出现下沉，渔网刀已刮到桨毂，设计原间隙有5mm左右，可以推测轴承已磨损约5mm，见图3。

图3 轴承磨损情况

由图3可知，轴承磨损严重，对此现象的可能性分析如下：

1）轴封先坏，轴承接着烧毁。

轴承在船舶急停的过程中，轴封瞬间损坏（橡胶翻出），造成润滑系统的水分流失，系统内的水全部流入海里，同时造成艉轴轴承润滑不足，轴承烧毁。

2）轴承由于润滑不够，烧毁后轴系产生位移，超出了轴承的承受极限，造成轴承橡胶翻出，润滑系统内的水分从艉轴封处流失，润滑水柜内的水全部流入海里。

同时加快了轴承烧毁的速度。

3）由于船厂下水后对中不好,造成轴承磨损， 并引起轴封损坏。

4）由于齿轮箱结构强度不够或者艉轴毂处船体变形，造成轴系中心线变化，造成轴承磨损，并引起轴封损坏。

在没有明确问题产生的原因时，任何的推测都是有可能的。

2、对故障的处理结果

进坞检查后发现艉轴承已经损坏，故艉轴承是必须更换新轴承。

更换艉轴承后，因为无法还原当时的对中状态，没办法检查对中情况。

在与船东船检等沟通后，决定将艉轴总成插入艉管内，检查艉轴与齿轮箱的开口偏移情况和轴系负荷试验情况，来决定和判断齿轮箱是否需要调整，并判断原对中情况。

在这里需要再次强调该船型轴系受力布置及轴系负荷试验的特殊性，该船型为艉管闭式水润滑形式，见图4。

图4 本船闭式单轴承水润滑形式

从图4中可以看出，该轴系与传统轴系最大区别就是艉管只有艉轴承，设计时取消了艏轴承，由艉轴承和齿轮箱轴承承受整个轴系的负荷，故齿轮箱与中间轴的对中和齿轮箱处的受力显得尤为重要（因艉轴承的受力无法检测，负荷试验只做齿轮箱处的受力情况分析）。

图5 首尾密封的安装形式

从图5中看出，轴封的密封形式由传统的骨架密封，改为该船这种依靠特殊材料端面密封形式。

在轴线出现较大偏移时，轴封处橡胶超过其承受极限，从轴封凹槽处翻出，破坏了其密封性。

艉管内的冷却水从密封翻出处流出产生故障。

在卡特工程师的指导下进行预顶升，测得艉轴与齿轮箱对中数据：

GAP=0.60，SAG=1.50（理论值GAP=0.68，SAG=2.68），从数据中看出，外圆SAG与理论值相比相差1.1 mm。

继续进行轴系负荷试验，测得齿轮箱处负荷数据为24.3 kN，在理论值20%之内。

同时欧洲卡特轴系专家指出，齿轮箱基座需加强，经过沟通后船厂增加的齿轮箱基座加强见图6和图7。

图6 轴系负荷图

图7 齿轮箱基座受力及加强图纸

图7可以看出，船厂对齿轮箱基座进行了加强。

在经过加强后，进行中间轴与齿轮箱的对中，经检测轴系负荷试验齿轮箱的受力在要求的范围内，调整齿轮箱的位置重新浇注环氧。

二、第二次试航情况描述

船舶进行第二次试航，在试航前由于对闭式水润滑系统的稳定性仍存在一定怀疑，与轴系供应商委派的专家进行了沟通，在码头进行轴承预磨工作，在怠速情况下，使轴与轴承充分接触，达到最佳的接触效果再进行海试。见图8。

图8 水润滑装置滤器里滤渣

海试过程中，由于滤器堵塞报警，水润滑单元的滤器仍然需要频繁地清洗，情况较之第一次试航要好一些，但是频繁报警无人机舱无法报验，只能做完其他项目返航。

三、第三次试航情况描述

历时5个月后，在船东、轴系供应商及船厂进行三方会谈后，认为闭式水润滑和艉管单轴承的设计形式存在较大的不确定性，考虑到成本和时间等综合因素，最终将艉管艉轴承的材料改为传统的巴士合金油润滑。见图9。

图9 艉轴修复和新轴承安装

在对艉轴进行修复，轴承进行更换后进行了最后一次试航，最终试航顺利，轴承运行温度稳定在35°左右。

四、结论

虽然最终通过更换轴承，由闭式水润滑改为闭式油润滑将问题解决，但是船舶的轴系设计理念在改变，绿色环保原生态，是今后设计的主题。

在探索新设计，新理念的时候，难免会出现错误。

将原传统的艉管闭式油润滑改为闭式可降解生物油润滑或者水润滑，在艉轴管发生泄漏的时候，可以避免不可降解的滑油造成水质污染。

但是生物油或者水在轴系运行中，难以达到滑油的润滑效果，油膜难以形成。

在轴系润滑设计中，必须考虑诸多润滑系统、润滑方式方面的问题。

参考文献：

[1] 中国船级社. 钢质海船入级规范[S]. 2009

[2] MSC. PATRAN & MSC, NASTRAN 使用指南[K].2002

[3] 谢梦斌, 朱汉华, 张梦. 供水特性对水润滑橡胶轴承衬套的影响[J]. 船舶工程, 2021, 43(1): 61-66.

[4] 徐琛, 范依澄, 牟璇. 横摇下弹性安装动力装置联轴器补偿特性[J]. 机电设备, 2023, 40(1): 68-75.

[5] 龙慎文, 王优强, 周亚博, 等. 水润滑螺旋阶梯腔艉轴承的振动特性[J]. 船舶工程, 2019, 41(3):59-63.

来源：船机帮

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