滾動軸承在內河船舶上的應用與經濟價值分析

谷瑞安，閆　鋼

(南寧船舶檢驗局，廣西　南寧　530031)

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滾動軸承在內河船舶上的應用與經濟價值分析

谷瑞安，閆鋼

(南寧船舶檢驗局，廣西南寧530031)

文章從研究現已安裝滾動軸承船舶入手，通過實船使用情況對比、強度和壽命計算，以及對營運數據的分析，得出采用滾動軸承的船舶艉軸系統比使用滑動軸承系統能帶來明顯的經濟效益和社會效益，并對推動滾動軸承的應用提出了一些建議。

內河船舶；艉軸；滾動；滑動；軸承；節能

0　引言

《鋼質內河船舶建造規范》(中國船級社，2009)中明確規定：船舶可以使用滾動軸承或滑動軸。但是由于種種原因，目前滾動軸承在船舶建造中尚未得到廣泛的應用。筆者對兩種軸承的安裝技術及其使用情況進行了認真研究，在翻閱大量技術資料并選取具體實驗船舶后，通過對營運數據進行分析，認為滾動軸承較滑動軸承有很多優點，尤其是經濟效益更為顯著。

1　滾動軸承在內河船舶上的應用現狀

滾動軸承在車輛車軸、減速裝置、軋鋼設備等領域應用已經比較廣泛，但是到目前為止，船用卻不多，歸結起來主要原因大致為：(1)法規規范缺乏技術要求，船檢部門檢驗技術難度大，一般不鼓勵安裝；(2)滾動軸承安裝技術要求比滑動軸承高，導致滾動軸承在船舶上的使用發展緩慢。

目前部分內河船舶已開始安裝滾動軸承，并且其潛在的優勢正得到逐步確認。內河船舶推進系統由于功率較小，結構簡單，部分船舶甚至沒有中間軸，受力情況較為簡單，這就為滾動軸承的普及提供了先決條件，廣西已有相當一部分內河集裝箱船、干貨船采用滾動軸承作為船舶艉軸軸承。

圖1展示了一個比較典型的內河船舶艉軸系統，其特點是：前軸承為2個滾動軸承，后軸承為3個滾動軸承與部分滑動軸承配合使用的結構形式，選定軸承的類型為調心滾子軸承，采用強制潤滑油系統。

圖1　艉軸系統示意圖

調心滾子軸承為內圈兩側均有擋邊和采用車制實體保持架的CA型特瑞恩軸承，同時為了改善軸承的潤滑效果以降低軸承工作時的溫度還增加了外圈環狀油槽及三個油孔。

2　實船應用中與滑動軸承的比較

2.1振動分析

初始階段，經實船測試，滾動軸承和滑動軸承對振動響應區別不大，但是大概連續運轉6個多月后，兩種軸承所產生的振動效應區別將隨著時間的推移而逐漸加大，其主要原因如下：

滑動軸承比較容易產生磨損，使用一段時間后，由于間隙增加艉軸振動的幅度也隨之加大，特別是對于軸徑較大的系統，當艉軸轉速相同時，后軸承處承受艉軸和螺旋槳重力的軸承面與艉軸表面的相對速度就較大，摩擦力亦越大，磨損自然比小軸徑的系統較快，圖3和圖4分別為滑動軸承初裝船時與使用6個多月之后的間隙對比情況。

圖3　滑動軸承初裝時的間隙示意圖

圖4　滑動軸承運轉一段時間后的間隙示意圖

調心滾動軸承外圈滾道是球面型，內圈有兩條與軸承軸線傾斜一定角度的滾道，具有良好的調心性能，調心度能達到1～2.5度，能夠很好地補償同軸度誤差，同時整個軸在使用中受到比較均勻的徑向力的作用，跳動較小，磨損也就相對較慢，使用6個多月后軸承間隙變化不大，振動幅度相對較小，如圖5所示。

圖5　滾動軸承的工作工況示意圖

2.2維修優勢

內河航道比較復雜，船舶航行中螺旋槳打到礁石和淺灘的情況時有發生，滾動軸承具有穩定可靠的優勢，如果受到同樣的外力撞擊，其對軸系的影響則相對較小。

滾動軸承使用比較方便，由于滾動軸承與艉軸的配合是采用較為輕松的過渡配合或較小的間隙配合，發生故障時，將船頭壓載使船艉翹起，在水面使用專用工具便可輕松更換軸承，既方便又省時，同時又降低了維修成本。

3　強度及使用壽命計算

3.1強度計算

滾動軸承強度計算較為復雜，船舶建造規范又沒有明確的選型標準，可參照《船舶設計手冊》和《機械設計手冊》來計算軸承工作時所受的動負荷，計算如下：

(1)

式中，C——基本額定動負荷計算值；

fh——壽命系數；

fm——力矩負荷系數；

fd——沖擊負荷系數；

fN——速度系數；

fT——溫度系數；

P——當量動負荷(N)。

其中，P=XFr+YFa

(2)

Fa——軸向負荷；

Fr——徑向負荷支點反力計算值，即RA。

(3)

其中，

q——艉軸自重的均布載荷(N/m)，q=F·γ，F為軸的截面積，γ為鋼重度(N/cm2)；

Gp——螺旋槳及附件的總重力(N)；

G0——可拆卸法蘭的集中載荷(N)；

l1——前后軸承的距離(m)；

a——后軸承到槳轂中間的距離(m)；

b——后軸承到螺旋槳最后端的距離(m)；

c——前軸承到可拆卸法蘭中心的距離(m)；

d——前軸承到可拆卸法蘭前端的距離(m)。

根據《輪機工程手冊》艉軸軸承受力分析及負荷的限制，合理的軸系校中對軸承負荷的基本要求為：軸承應不受水平負荷或將水平負荷減到最小程度。調心滾子軸承具有良好的調心性能，因此不承受軸向負荷，為安全起見本文假定艉軸軸承的水平最大負荷為螺旋槳推力的1/10。

根據軸承性能表選取X、Y的值，將上述各參數帶入以上各式即可得出C值和P值。

本文研究選取的艉軸系統是前軸承為2個滾動軸承后，軸承為3個滾動軸承與部分滑動軸承配合使用的結構形式，參照機械設計手冊：三只并列軸承可承受的總額定載荷為2.16倍的Cr(Cr為單只軸承徑向基本額定動負荷)，或3倍的Ca(Ca為單只軸承軸向基本額定動負荷)，因此計算所選取的軸承工作動負荷C值滿足下式即可：

C<2.16Cr

或C<3Ca

前軸承與齒輪箱距離較近，軸向負荷及大部分徑向負荷由齒輪箱推力軸承承受，前軸承僅承受支撐部分艉軸自重的負荷，該負荷較小可忽略不計，本文不做研究。

3.2壽命計算

滾動軸承的壽命計算可按常用計算公式來計算，如下：

(4)

式中，L10h——以小時數(h)表示的軸承的基本額定壽命；

n——軸承的工作轉速(r/min)；

ε——壽命指數，滾動軸承ε=10/3。

根據常用機械設備推薦表查得螺旋槳的推薦使用壽命約為Lh=100 000 h。

將上述各參數帶入算式所計算的L10h值，滿足L10h>Lh即滿足要求。

4　經濟效益分析

4.1實驗船型的選取

本文研究所選取得船舶為兩艘同型船，船舶資料對比情況見表1：

表1　船舶資料對比表

航次信息如下：

航線：柳州市航運局白沙碼頭-東莞市中塘港(往返約1 600～1 800 km)；

貨物：水泥、礦粉、煤灰等，每個對比航次所運貨物相同；

載貨量：柳州到東莞滿載(1 020 t)，東莞到柳州空載；

航行時間：為排除水流、風速等因素，取往返一次的時間為一個航次；

燃油：柴油，加油站點相同；

船員：兩船同型，船員配置相同。

4.2航行數據

為增加數據的可靠性，本次研究選取的兩艘船4個月10個航次的航行數據進行對比，航行信息如表2所示：

表2　船舶航行信息表

4.3數據分析

根據表2可計算出平均航次節約的時間為8.9 h，節約時間比率為7.6%，由于貴港西航212船的主機功率比貴港西航039船大，若為同功率船舶，節約的時間百分比應高于7.6%。

根據表2亦可計算出平均航次節約的燃油為291 L，節約燃油比率為21%，排除柴油機功率及油耗等因素的影響，同功率船舶節約比例應<21%。

綜合上述分析，同船型船舶使用滾動軸承與滑動軸承相比節約比例在7.6%～21.0%之間。

5　一些建議

船舶有關規范應制定出滾動軸承在船舶上應用的相關技術要求，明確計算方法、檢驗方法，這樣才能有效促進行業的發展。

有關行業主管部門應積極引導，加強培訓，宣傳鼓勵船東使用滾動軸承，鼓勵舊船改造，作為節能技術推廣，甚至是對使用滾動軸承的船舶進行補貼，加大扶持力度，以降低船舶營運時的廢氣排放，節約能源，減少對空氣的污染。

6　結語

雖然滾動軸承在船舶上的應用還處于初始階段，但其在應用中的優勢已經逐步顯現，特別是經濟價值頗為可觀，節能效應達到7.6%～21.0%，若能全面推廣，對節能減排的貢獻將是巨大的。

[1]朱珉虎.內河船舶設計手冊[M].北京：中國標準出版社，1996.

[2]機械設計實用手冊[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3]陳紹綱，朱國偉，李渤仲，等.輪機工程手冊[M].北京：人民交通出版社，1992.

Analysis on Application and Economic Value of Rolling Bearing in Inland Vessels

GU Rui-an，YAN Gang

(Nanning Ship Inspection Bureau，Nanning，Guangxi，530031)

Starting from studying the ships installed with rolling bearings，and by comparing the actual use situation of ships，strength and longevity calculation，as well as operational data analysis，this article obtained that the stern shaft system of ships using the rolling bearings can bring significant economic and social benefits than using the sliding bearing system，and proposed some recommendations for promoting the application of rolling bearings.

Inland vessels；Stern axis；Rolling；Sliding；Bearings；Energy saving

U664.2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.03.026

1673-4874(2016)03-0101-05

2016-03-06

谷瑞安(1986—)，工程師，研究方向：船舶軸系、船舶減排；

閆鋼(1989—)，助理工程師，研究方向：船舶軸系、船舶減排。