惡劣海況下的艉軸承磨損案例分析

作者：上海船舶研究設(shè)計(jì)院　湯瑾璟，黃鑫慧，陸利平；中國船舶重工集團(tuán)第702研究所　韓用波

船舶推進(jìn)軸系的主要功能，是將主機(jī)發(fā)出的功率傳遞給螺旋槳，同時又將螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的軸向反推力傳遞給船體，以推動船舶航行。

確保推進(jìn)軸系安全、平穩(wěn)地運(yùn)行是整個船舶設(shè)計(jì)的重中之重。

2014年8月～2015年2月，有一船東的兩艘散貨船先后3次發(fā)生艉軸承磨損的情況，值得設(shè)計(jì)人員去仔細(xì)分析其中原因。

眾所周知，船舶推進(jìn)軸系在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，承受著復(fù)雜的應(yīng)力和負(fù)荷，包括螺旋槳的扭矩及其產(chǎn)生的扭應(yīng)力、螺旋槳的推力及其產(chǎn)生的推應(yīng)力、螺旋槳及軸系各部件的質(zhì)量產(chǎn)生的負(fù)荷及其相應(yīng)的彎曲應(yīng)力。

此外，由于復(fù)雜的海洋環(huán)境和船體結(jié)構(gòu)的特殊性，在海上航行時，船舶推進(jìn)軸系還要承受由于主機(jī)溫升產(chǎn)生的基座變形、船舶吃水狀態(tài)不同產(chǎn)生的船體變形、不均衡尾流和螺旋槳轉(zhuǎn)向等因素產(chǎn)生的螺旋槳附加應(yīng)力和附加彎矩等，這些都可能改變整個推進(jìn)軸系的運(yùn)行狀態(tài)，影響船舶航行的可靠性和安全性。

由船東的反饋得知：

三次事故發(fā)生時，船舶均處于空載加速狀態(tài)，并且僅采用類似輕壓載狀態(tài)航行（船舶首垂線吃水4.17m，船舶尾垂線吃水7.8m），螺旋槳浸沒只有約113%，而外部海況達(dá)到了蒲氏風(fēng)級為9～11。

此時海上風(fēng)速超過41kn～47kn，涌浪7m～10m。

通常情況下，大型船舶壓載狀況下遇到7～8級風(fēng)時，滿載船舶遇到8～9級風(fēng)時，即可認(rèn)為屬于大風(fēng)浪操船。

大風(fēng)浪中，空載船舶航行干舷高，受風(fēng)影響大，吃水淺，而由于此航程船舶縱傾遠(yuǎn)超1.5%船舶垂線間長（通常允許Z大吃水差為船長的1.5%），并且Z小艏吃水小于規(guī)范的限定值4.3m，在大風(fēng)浪中必將出現(xiàn)艏部拍擊現(xiàn)象，引發(fā)船舶劇烈縱搖。

考慮外部海況惡劣，船舶易與波浪諧振或產(chǎn)生騎浪現(xiàn)象，勢必會導(dǎo)致螺旋槳出水，此時外部流體對槳的作用相當(dāng)于在靜水中流體疊加6自由度的運(yùn)動后進(jìn)入槳葉盤面，推力將發(fā)生脈動等明顯變化，推力中心也將發(fā)生明顯的改變。

針對這一共性情況，本文就螺旋槳在出水情況下對軸系的影響展開重點(diǎn)研究。

一、槳受力分析

螺旋槳在運(yùn)轉(zhuǎn)時，除了會產(chǎn)生軸向推力外，由于船體線型造成的不均衡尾流和螺旋槳轉(zhuǎn)向等因素，會在軸向、徑向和切向上形成動態(tài)的力和彎矩。

圖1 槳盤面伴流分布圖

根據(jù)試驗(yàn)或計(jì)算得到伴流場（圖1）和螺旋槳的幾何形狀（圖2），直線航行時螺旋槳上附加的力和彎矩是可以用軟件進(jìn)行預(yù)測的。

圖2 螺旋槳受力簡圖

對于單機(jī)單槳的普通船型，螺旋槳在全浸沒狀態(tài)下，其推力偏心點(diǎn)一般位于象限，即在垂直方向上，將產(chǎn)生一個向上的彎矩。

但是，一旦螺旋槳未能完全浸沒，露出水面時，螺旋槳運(yùn)行時產(chǎn)生的動態(tài)力和彎矩會出現(xiàn)截然不同的變化。

計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)螺旋槳三分之一的槳葉露出水面時，推力偏心點(diǎn)會下移，由象限移至第四象限。

以該項(xiàng)目螺旋槳為例，定義坐標(biāo)：

從船尾向船首看，x方向?yàn)榇怪狈较?，垂直向上為正；y方向?yàn)樗椒较?，水平向右（右舷）為正?/p>

圖3 螺旋槳出水現(xiàn)象

圖3顯示，螺旋槳全浸沒時推力偏心點(diǎn)的坐標(biāo)為垂直方向上x=224.9mm，水平方向上y=164.4mm。

螺旋槳三分之一槳葉出水時推力偏心的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

螺旋槳產(chǎn)生的附加彎矩根據(jù)螺旋槳的角度呈周期變化，由于是5葉槳，故結(jié)果以72°為周期。

附加彎矩等于螺旋槳產(chǎn)生的推力乘以推力偏心的距離，而螺旋槳產(chǎn)生的推力與螺旋槳的負(fù)荷有關(guān)，所以在不同負(fù)荷下，螺旋槳產(chǎn)生的附加彎矩也是不同的。

二、軸系分析

對于推進(jìn)軸系校中計(jì)算，大部分船級社僅要求對冷態(tài)和熱態(tài)工況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評估，兩者均屬于靜態(tài)工況，此時螺旋槳僅對軸系施加一個穩(wěn)定的懸臂負(fù)荷。

螺旋槳在水中不同的浸沒程度，區(qū)別僅在于浮力的增減。

一般校中計(jì)算書都會給出?同浸沒程度下的計(jì)算結(jié)果。

表2為該型散貨船船級社已批準(zhǔn)的軸系校中計(jì)算結(jié)果。

但是，校中計(jì)算書中給出的螺旋槳不同浸沒狀態(tài)下的結(jié)果，并不意味著允許船舶在螺旋槳未全部浸沒的狀態(tài)下運(yùn)行，而主要是由于船廠可能會在不同吃水狀態(tài)下對軸系進(jìn)行校中，所以需要對多個工況提前進(jìn)行計(jì)算，以便對校中結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。

而螺旋槳在動態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，對于軸系的影響要遠(yuǎn)比靜態(tài)工況復(fù)雜得多，尤其是在非全浸沒狀態(tài)，即出水情況下，其截然不同的受力情況會對推進(jìn)軸系產(chǎn)生相當(dāng)?shù)奈：Α?/p>

由上述分析可知，對于單機(jī)單槳的普通船型，螺旋槳在全浸沒狀態(tài)下，其推力偏心點(diǎn)一般位于象限，即在垂直方向上，將產(chǎn)生一個向上的彎矩，如圖4所示。

圖4 全浸沒狀態(tài)下螺旋槳推力彎矩圖

顯然，此彎矩可抵消部分槳本身的重力所產(chǎn)生軸承處的彎矩，此時尾管后軸承上的負(fù)荷會下降，支點(diǎn)處的相對轉(zhuǎn)角也會減小。

所以，即使不對動態(tài)工況進(jìn)行詳?計(jì)算，在螺旋槳全浸沒狀態(tài)下，軸系的運(yùn)行也是安全的。

但是，當(dāng)螺旋槳三分之一的槳葉露出水面時，推力偏心點(diǎn)由象限移至第四象限，這也就意味著，垂直方向上的彎矩將由向上變?yōu)橄蛳?，這顯然會加重尾管后軸承上的負(fù)荷，支點(diǎn)處的相對轉(zhuǎn)角也會隨之增加，還會導(dǎo)致負(fù)荷更加集中于尾管后軸承的后端，邊緣載荷增大，大大增加尾管后軸承出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)。

對于該型散貨船，根據(jù)之前計(jì)算得到的推力偏心點(diǎn)，螺旋槳三分之一出水時，100%、85%、75%和65%負(fù)荷下垂直方向上的Z大附加彎矩分別為−182.1kNm、−163.4kNm、−150.3kNm和−136.6kNm，動態(tài)工況下的校中計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3的結(jié)果顯示：

在螺旋槳三分之一露出水面時，由于螺旋槳會產(chǎn)生與全浸沒狀態(tài)完全不同的動態(tài)力和彎矩，使得尾管后軸承的負(fù)荷增大，而尾管后軸承支點(diǎn)處的相對轉(zhuǎn)角在65%負(fù)荷以上時，均已超過了船級社允許的Z大值。

三、分析結(jié)果

相對于負(fù)荷的加大，相對轉(zhuǎn)角的加大對軸系的危害更大。

圖5 尾管后軸承比及承支點(diǎn)處相對轉(zhuǎn)角示意圖

尾管后軸承支點(diǎn)處的相對轉(zhuǎn)角表征的是螺旋槳軸與尾管后軸承之間的傾角，如圖5所示，其大幅加大意味著尾管后軸承上的負(fù)荷將更集中于軸承的后端面，局部邊緣壓力大幅增加會影響后端面的油膜建立，引發(fā)軸承的磨損。

所以，螺旋槳出水對于推進(jìn)軸系的危害是不容忽視的。

船級社也有與上述結(jié)論類似的經(jīng)驗(yàn)。

例如，NK表示，在螺旋槳未能全部浸沒時，只能以盡量低的航速航行，盡可能減小螺旋槳產(chǎn)生的動態(tài)力和彎矩；DNV也表示，螺旋槳部分浸沒狀態(tài)下運(yùn)行，會產(chǎn)生對軸系有重大影響的水動力彎矩，而且對于考慮冰區(qū)航行的船舶，如果壓載工況下螺旋槳不能全部浸沒，推進(jìn)系統(tǒng)必須在設(shè)計(jì)時就給予特殊考慮。

由此可見，船級社雖然沒有在規(guī)范中對螺旋槳半浸沒狀態(tài)做出嚴(yán)格的限制，但不可否認(rèn)，這種航行工況對于軸系的可靠運(yùn)行是非常不利的。

據(jù)此，若在大風(fēng)浪下因未采用適當(dāng)?shù)娘L(fēng)暴壓載工況航行而造成螺旋槳出水，轉(zhuǎn)速劇增，軸承負(fù)荷波動巨大，對軸系產(chǎn)生交變激勵，影響油膜的形成，進(jìn)而導(dǎo)致艉軸承磨損。

四、建議及措施

常規(guī)散貨船一般都設(shè)計(jì)有專門的風(fēng)暴壓載艙，以便海況惡劣時供船長調(diào)整船舶狀態(tài)或是在港口裝卸工況凈空高度受限、航道有Z小吃水限制等情況下使用。

而實(shí)際營運(yùn)航程中，船長和船員對風(fēng)暴壓載卻抱有一種消極的態(tài)度，原因有3個：

1）為迎合節(jié)能的大趨勢，避免開啟額外的發(fā)電機(jī)、壓載泵和壓載水處理裝置等設(shè)備，節(jié)省燃油，減少成本；

2）設(shè)計(jì)上一般是將某一居中貨艙設(shè)置為風(fēng)暴壓載艙，而散貨船單貨艙艙容都比較大，基本相當(dāng)于其他壓載水艙艙容之和或是更多，故礙于航行周期時間限制，船員會Z大限度避免壓載水額外的置換或處理，減少時間損耗；

3）壓載系統(tǒng)長期不檢查，壓載艙壁銹破、管路爛穿、水閥失效和測深管透氣管破損等情況都可能導(dǎo)致船員主觀上不愿意采用風(fēng)暴壓載航行。

但壓載水是保證船舶在空載或少量貨物狀態(tài)下正浮和安全航行的手段，減少船舶壓載水量不能以降低船舶安全系數(shù)為代價(jià)。

基于以上分析，建議船長在預(yù)見未來航線會遭遇大風(fēng)浪而又無法繞行避開的情況下，及時考慮將船舶從小吃水工況?整為風(fēng)暴壓載工況下航行，避免在大風(fēng)浪下因艏部抨擊情況嚴(yán)重、縱搖劇烈、動穩(wěn)性余度不足或是螺旋槳出水等情況的發(fā)生。

惡劣海況和氣象條件是船舶航行的必遇課題，同時也是安全航行的潛在威脅。

空載航行時適當(dāng)壓載、調(diào)節(jié)吃水使船舶穩(wěn)性適當(dāng)，防止螺旋槳出水，增強(qiáng)舵效，對船舶航行、機(jī)艙設(shè)備安全具有重要意義。

（來源：船舶工程）