恶劣海况下的艉轴承磨损案例分析

作者：上海船舶研究设计院　汤瑾璟，黄鑫慧，陆利平；中国船舶重工集团第702研究所　韩用波

船舶推进轴系的主要功能，是将主机发出的功率传递给螺旋桨，同时又将螺旋桨在水中旋转时产生的轴向反推力传递给船体，以推动船舶航行。

确保推进轴系安全、平稳地运行是整个船舶设计的重中之重。

2014年8月～2015年2月，有一船东的两艘散货船先后3次发生艉轴承磨损的情况，值得设计人员去仔细分析其中原因。

众所周知，船舶推进轴系在运转过程中，承受着复杂的应力和负荷，包括螺旋桨的扭矩及其产生的扭应力、螺旋桨的推力及其产生的推应力、螺旋桨及轴系各部件的质量产生的负荷及其相应的弯曲应力。

此外，由于复杂的海洋环境和船体结构的特殊性，在海上航行时，船舶推进轴系还要承受由于主机温升产生的基座变形、船舶吃水状态不同产生的船体变形、不均衡尾流和螺旋桨转向等因素产生的螺旋桨附加应力和附加弯矩等，这些都可能改变整个推进轴系的运行状态，影响船舶航行的可靠性和安全性。

由船东的反馈得知：

三次事故发生时，船舶均处于空载加速状态，并且仅采用类似轻压载状态航行（船舶首垂线吃水4.17m，船舶尾垂线吃水7.8m），螺旋桨浸没只有约113%，而外部海况达到了蒲氏风级为9～11。

此时海上风速超过41kn～47kn，涌浪7m～10m。

通常情况下，大型船舶压载状况下遇到7～8级风时，满载船舶遇到8～9级风时，即可认为属于大风浪操船。

大风浪中，空载船舶航行干舷高，受风影响大，吃水浅，而由于此航程船舶纵倾远超1.5%船舶垂线间长（通常允许Z大吃水差为船长的1.5%），并且Z小艏吃水小于规范的限定值4.3m，在大风浪中必将出现艏部拍击现象，引发船舶剧烈纵摇。

考虑外部海况恶劣，船舶易与波浪谐振或产生骑浪现象，势必会导致螺旋桨出水，此时外部流体对桨的作用相当于在静水中流体叠加6自由度的运动后进入桨叶盘面，推力将发生脉动等明显变化，推力中心也将发生明显的改变。

针对这一共性情况，本文就螺旋桨在出水情况下对轴系的影响展开重点研究。

一、桨受力分析

螺旋桨在运转时，除了会产生轴向推力外，由于船体线型造成的不均衡尾流和螺旋桨转向等因素，会在轴向、径向和切向上形成动态的力和弯矩。

图1 桨盘面伴流分布图

根据试验或计算得到伴流场（图1）和螺旋桨的几何形状（图2），直线航行时螺旋桨上附加的力和弯矩是可以用软件进行预测的。

图2 螺旋桨受力简图

对于单机单桨的普通船型，螺旋桨在全浸没状态下，其推力偏心点一般位于象限，即在垂直方向上，将产生一个向上的弯矩。

但是，一旦螺旋桨未能完全浸没，露出水面时，螺旋桨运行时产生的动态力和弯矩会出现截然不同的变化。

计算结果显示，当螺旋桨三分之一的桨叶露出水面时，推力偏心点会下移，由象限移至第四象限。

以该项目螺旋桨为例，定义坐标：

从船尾向船首看，x方向为垂直方向，垂直向上为正；y方向为水平方向，水平向右（右舷）为正。

图3 螺旋桨出水现象

图3显示，螺旋桨全浸没时推力偏心点的坐标为垂直方向上x=224.9mm，水平方向上y=164.4mm。

螺旋桨三分之一桨叶出水时推力偏心的计算结果如表1所示。

螺旋桨产生的附加弯矩根据螺旋桨的角度呈周期变化，由于是5叶桨，故结果以72°为周期。

附加弯矩等于螺旋桨产生的推力乘以推力偏心的距离，而螺旋桨产生的推力与螺旋桨的负荷有关，所以在不同负荷下，螺旋桨产生的附加弯矩也是不同的。

二、轴系分析

对于推进轴系校中计算，大部分船级社仅要求对冷态和热态工况下的计算结果进行评估，两者均属于静态工况，此时螺旋桨仅对轴系施加一个稳定的悬臂负荷。

螺旋桨在水中不同的浸没程度，区别仅在于浮力的增减。

一般校中计算书都会给出?同浸没程度下的计算结果。

表2为该型散货船船级社已批准的轴系校中计算结果。

但是，校中计算书中给出的螺旋桨不同浸没状态下的结果，并不意味着允许船舶在螺旋桨未全部浸没的状态下运行，而主要是由于船厂可能会在不同吃水状态下对轴系进行校中，所以需要对多个工况提前进行计算，以便对校中结果进行检验。

而螺旋桨在动态运转工况下，对于轴系的影响要远比静态工况复杂得多，尤其是在非全浸没状态，即出水情况下，其截然不同的受力情况会对推进轴系产生相当的危害。

由上述分析可知，对于单机单桨的普通船型，螺旋桨在全浸没状态下，其推力偏心点一般位于象限，即在垂直方向上，将产生一个向上的弯矩，如图4所示。

图4 全浸没状态下螺旋桨推力弯矩图

显然，此弯矩可抵消部分桨本身的重力所产生轴承处的弯矩，此时尾管后轴承上的负荷会下降，支点处的相对转角也会减小。

所以，即使不对动态工况进行详?计算，在螺旋桨全浸没状态下，轴系的运行也是安全的。

但是，当螺旋桨三分之一的桨叶露出水面时，推力偏心点由象限移至第四象限，这也就意味着，垂直方向上的弯矩将由向上变为向下，这显然会加重尾管后轴承上的负荷，支点处的相对转角也会随之增加，还会导致负荷更加集中于尾管后轴承的后端，边缘载荷增大，大大增加尾管后轴承出现故障的风险。

对于该型散货船，根据之前计算得到的推力偏心点，螺旋桨三分之一出水时，100%、85%、75%和65%负荷下垂直方向上的Z大附加弯矩分别为−182.1kNm、−163.4kNm、−150.3kNm和−136.6kNm，动态工况下的校中计算结果如表3所示。

表3的结果显示：

在螺旋桨三分之一露出水面时，由于螺旋桨会产生与全浸没状态完全不同的动态力和弯矩，使得尾管后轴承的负荷增大，而尾管后轴承支点处的相对转角在65%负荷以上时，均已超过了船级社允许的Z大值。

三、分析结果

相对于负荷的加大，相对转角的加大对轴系的危害更大。

图5 尾管后轴承比及承支点处相对转角示意图

尾管后轴承支点处的相对转角表征的是螺旋桨轴与尾管后轴承之间的倾角，如图5所示，其大幅加大意味着尾管后轴承上的负荷将更集中于轴承的后端面，局部边缘压力大幅增加会影响后端面的油膜建立，引发轴承的磨损。

所以，螺旋桨出水对于推进轴系的危害是不容忽视的。

船级社也有与上述结论类似的经验。

例如，NK表示，在螺旋桨未能全部浸没时，只能以尽量低的航速航行，尽可能减小螺旋桨产生的动态力和弯矩；DNV也表示，螺旋桨部分浸没状态下运行，会产生对轴系有重大影响的水动力弯矩，而且对于考虑冰区航行的船舶，如果压载工况下螺旋桨不能全部浸没，推进系统必须在设计时就给予特殊考虑。

由此可见，船级社虽然没有在规范中对螺旋桨半浸没状态做出严格的限制，但不可否认，这种航行工况对于轴系的可靠运行是非常不利的。

据此，若在大风浪下因未采用适当的风暴压载工况航行而造成螺旋桨出水，转速剧增，轴承负荷波动巨大，对轴系产生交变激励，影响油膜的形成，进而导致艉轴承磨损。

四、建议及措施

常规散货船一般都设计有专门的风暴压载舱，以便海况恶劣时供船长调整船舶状态或是在港口装卸工况净空高度受限、航道有Z小吃水限制等情况下使用。

而实际营运航程中，船长和船员对风暴压载却抱有一种消极的态度，原因有3个：

1）为迎合节能的大趋势，避免开启额外的发电机、压载泵和压载水处理装置等设备，节省燃油，减少成本；

2）设计上一般是将某一居中货舱设置为风暴压载舱，而散货船单货舱舱容都比较大，基本相当于其他压载水舱舱容之和或是更多，故碍于航行周期时间限制，船员会Z大限度避免压载水额外的置换或处理，减少时间损耗；

3）压载系统长期不检查，压载舱壁锈破、管路烂穿、水阀失效和测深管透气管破损等情况都可能导致船员主观上不愿意采用风暴压载航行。

但压载水是保证船舶在空载或少量货物状态下正浮和安全航行的手段，减少船舶压载水量不能以降低船舶安全系数为代价。

基于以上分析，建议船长在预见未来航线会遭遇大风浪而又无法绕行避开的情况下，及时考虑将船舶从小吃水工况?整为风暴压载工况下航行，避免在大风浪下因艏部抨击情况严重、纵摇剧烈、动稳性余度不足或是螺旋桨出水等情况的发生。

恶劣海况和气象条件是船舶航行的必遇课题，同时也是安全航行的潜在威胁。

空载航行时适当压载、调节吃水使船舶稳性适当，防止螺旋桨出水，增强舵效，对船舶航行、机舱设备安全具有重要意义。

（来源：船舶工程）