吊艙推進裝置推力軸承模塊研究

邱曉峰，王 欣，徐建國

(武漢船用機械有限責任公司，湖北 武漢430050)

0 引言

吊艙推進裝置是一種新穎的推進形式。吊艙通過支柱懸掛在船體下面，艙體內置電機通過電機軸直接驅動螺旋槳。整個吊艙可在水平面內實現360°方向回轉，因此可提供來自各個方向的推力，吊艙電機可通過周圍的海水直接冷卻[1]。吊艙電力推進軸承單元主要由螺旋槳軸非驅動端推力軸承模塊和驅動端調心軸承組成。驅動端調心軸承僅承受螺旋槳軸上的徑向力，而非驅動端的推力軸承模塊承受了螺旋槳軸工作中的全部軸向載荷，同時也承受部分的徑向力，因此其可靠性設計對于整個吊艙推進裝置至關重要。

1 推力軸承可靠性因素分析

推力軸承模塊由兩個背靠背安裝的球面滾子推力軸承組成，因此可承受來自兩個方向上(向前/向后)的全部軸向負荷。該模塊安裝于電機軸非驅動端，置于一體式軸承座內，具體布置如圖1所示。

潤滑是保證軸承正常運行的必要條件。綜合考慮吊艙裝置的結構設置以及性能要求，推力軸承模塊通常采用油浴潤滑方式，潤滑油箱設置在非驅動端電機端蓋上。鑒于軸承因受載和振動產生的熱量會積聚在潤滑油油箱中，潤滑油液若得不到充分的冷卻將會變質，推力軸承滾子的使用性能也將隨之下降，甚至損壞，因此設計一套完整的潤滑系統，保證其可靠性和可測試性是潤滑系統設計的關鍵。

圖1 ABB Compact Azipod 緊湊型吊艙推進器

推進電機在工作過程中，電機軸上會產生軸電壓。如果軸承、軸及電機殼體之間形成回路時，就會形成軸電流，對軸承產生電擊腐蝕。電擊腐蝕將使得軸承提早失效，極大降低軸承的工作壽命，同時由于軸承損壞及更換帶來的直接和間接經濟損失將更大。美國NEMAMGI標準規定，按IEEE112標準進行試驗，如果軸電壓峰值大于300 mV時即需采取絕緣措施[2]。因此，在吊艙電力推進系統中抑制軸電流是必須解決的難點。

吊艙推進器的機械部件，尤其是內部傳動的零部件，因受到溫度、摩擦、腐蝕、電擊等各種破壞激勵，均為易損部件，而這其中最易損壞的部件當屬推進器中的滾動軸承。由于吊艙推進器長期在水下工作，故對滾動軸承進行實時有效的監控，是保證吊艙推進器可靠性、安全性和可測試性的難點。

2 難點的研究與實現

2.1 推力軸承模塊的潤滑與冷卻

為了保證潤滑系統的可靠性和可測試性，完整的滑油系統需實現潤滑油箱的油位檢測、油液取樣、油液補充等功能。潤滑油箱設置在非驅動端電機端蓋上，需對油箱進行密封設計，防止油液泄漏。潤滑油利用油箱周圍的海水直接進行冷卻，當軸承運轉起來后，油箱油液的熱量將經由箱體外部流動的海水而消散。為了平衡電機殼體內部與潤滑油箱之間的空氣壓力，在電機端蓋上需設置通氣管路，如圖2所示的1#管路。為了保證軸承的充分潤滑，油箱中的液位必須達到一定的高度，因此需設置油位自動調節和液位監測系統，以確保潤滑油液保持在合適高度。油液消耗后，將導致潤滑油箱中的油量不足，所以需設置一套定期補充油液的油液補充系統。在使用過程中，為了檢查推力軸承的磨損情況，需要對潤滑油液進行取樣化驗，因此需設置油液取樣系統。潤滑油的使用達到一定期限后，需要對潤滑油及時進行更換，此時則需要對潤滑油箱內的油液進行抽出和注入操作。對于油潤滑系統功能中的油位檢測和油液取樣，可利用電機單元內的壓縮空氣，而潤滑油箱的抽油和補油則需要單獨提供抽油泵和補油泵來進行。

1#—通氣管保持油池和電機艙室壓力平衡；2#—進油口管路

排放；4#—壓縮空氣管路。

圖2 推力軸承模塊潤滑系統示意圖

2.2 軸電流抑制

軸電流的大小對滑動軸承和滾動軸承的影響略有不同。對滾動軸承而言，由于滾珠(滾柱)與軸承內外圈滾道的接觸面積小，對軸電流的敏感比滑動軸承更大，軸電流給滾動軸承造成的損傷及破壞更厲害。當軸電流大于2 A時，幾小時內即可能損傷；若軸電流為1～1.4 A，軸承只能繼續運轉200～700 h；軸電流只有低于1 A時，一般滾動軸承才能無大傷害的運行[2]。目前軸承絕緣是阻斷軸電流在軸承和船體之間形成回路的一種最有效的方法。

2.2.1絕緣點選取

理論上來講，吊艙艙室軸承絕緣點可設置在非驅動端推力軸承以及驅動端調心軸承兩處，軸承絕緣方案如圖3所示。從圖3可知，當驅動端采取絕緣設計時，軸電流將無法在吊艙內部形成電流回路，而當僅有驅動端絕緣時，從驅動端傳播的電流將繞過驅動端的調心軸承從螺旋槳、電機艙室再回到非驅動端的軸承形成電流回路[3]。

圖3 軸承絕緣方案

通過查閱和收集資料總結，目前吊艙的主流成熟品牌Rolls Royce與ABB吊艙絕緣設計見表1，綜合考慮軸承絕緣應設置在非驅動端推力軸承。

表1 Rolls Royce與ABB吊艙絕緣設計

2.2.2軸承絕緣方法

常用的軸承絕緣方式見表2[4]。通過對比分析，在非驅動端設置絕緣裝置，在驅動端設置軸系接地裝置，選擇絕緣套絕緣的方式阻斷軸電流回路。在軸承座外圓設置絕緣套，同時為了保護螺栓，在螺栓孔設置絕緣套。

表2軸承絕緣方法

2.3 軸承在線監測

軸承在線監測涉及到很多的技術難點，具體涵蓋選用傳感器類型、軸承故障檢測方法、信號的采集和信號處理等內容。

2.3.1滾動軸承故障監測方法

滾動軸承的破壞形式包含疲勞剝落、裂紋和斷裂、壓痕、磨損、電流腐蝕、銹蝕、保持架損壞等，而所有的破壞形式均會表現出或發熱、或振動、或噪聲突然增大等現象。因此，監測滾動軸承的運行狀態主要從溫度和振動兩方面進行監測。

2.3.1.1溫度

工作溫度是反映軸承工作狀態的直接指標。正常工作時，軸承溫度穩定在正常的溫度范圍內，一旦軸承發生故障，軸承溫度會立刻出現異常。

2.3.1.2振動

軸承本身的振動信號含有大量的工作運行信息，任何一類機械故障發生，都會在其振動信號的相應頻率成分發生變化。對其振動信號進行分析，能可靠快速地分析故障并定位故障部位[5]。綜上，吊艙電力推進裝置推進電機中調心軸承及推力軸承端需設置的監測點見表3。

表3 軸承在線監測項目

吊艙推進器軸承監測傳感器布置圖見圖4。

1—推力軸承徑向振動傳感器；2—推力軸承軸向振動傳感器；

2.3.2軸承故障信號的拾取

軸承故障信號的拾取是指傳感器及安裝部位和感應頻率段的選擇。傳感器的安裝部位往往選擇軸承座部位，并按信號傳動的方向選擇垂直、水平、軸向布置。這里距故障信號源最近，傳輸損失最小，也是軸、齒輪等故障信號傳輸路徑必經的最近位置。

不同的軸承故障對應有不同的振動信號頻段。針對不同的信號所處頻段，需采用不同的信號拾取方式。

表4 軸承在線監測項目

滾動軸承固有頻率通常為2 000～5 000 Hz，因此，吊艙軸承振動信號的監測選用加速度傳感器。

2.3.3信號的傳輸

一套完整的信號監測系統大致可分為四個組成部分：傳感器、信號電纜、采集卡(帶恒流源)和數據分析系統。吊艙推進器輸送給永磁電機的電流較高，周圍的電場、磁場對信號的傳輸干擾性比較嚴重，且每路信號均需從推進單元經過信號滑環傳輸至采集卡。傳感器與采集卡之間的信號傳輸一般采用雙芯雙屏蔽電纜，每一路信號分為一根接地負極信號和一根正極信號。當信號傳輸至信號滑環時，都需要拆解后經過滑環傳輸，一路信號需要兩道環來傳輸。

2.3.4振動信號的后處理分析

軸承的在線監測系統主要是對采集到的振動信號和溫度信號進行處理分析，評定軸承的運行工作狀態，在故障發生的初級階段，預報軸承的故障。

溫度信號可以被采集卡采集到后直接讀取，根據預先設定的溫度范圍進行報錯。對于振動信號，通常采集卡采集到的振動信號為時域信號，時域信號的一些指標如峰峰值、均方根值等，都能直接地反應出軸承的故障信息。如果軸承發生故障，這些時域信號指標一般會成倍增加，此時可預報故障。

3 結語

推力軸承模塊的可靠性設計對于提高吊艙的安全穩定至關重要。采用封閉油箱的油浴潤滑系統在保證軸承充分潤滑的基礎上，還可實時對油液取樣化驗，檢查軸承的磨損情況。在非驅動端設置軸承絕緣有效地抑制了軸電流形成回路，避免軸承遭到電擊腐蝕。對滾動軸承的溫度和振動進行監測，可及早發現問題，避免安全事故發生。這些措施可全方位地保障推力軸承的良好運行，極大地提高軸承的使用壽命。2013年9月，ABB公司曾對已運行9 a的吊艙推進器進行檢修，檢修發現采取以上措施的推力軸承模塊仍然保持在非常好的狀態[6]。由此證明這些措施是有效可行的，這對于吊艙推進器的進一步研發有著非常重要的意義。

參考文獻：

[1] 冀路明, 汪慶周. 二十一世紀的Azopod吊艙式電力推進系統[J].船舶工程，2002(2)：61.

[2] 于曉東，李振宇，李積繼.變頻電機軸電流的防止[J].防爆電機，2003，38(2)：19.

[3] BERGH Lena，HELLDéN Ulrika.Electrical systems in pod propulsion[D]. G?TEBORG: CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY，2007:32-37.

[4] 張佳興，潘國順，章力源.淺析變頻電機軸電流對電機軸承的影響[J].防爆電機，2007，42(2):20.

[5] 王林鴻.滾動軸承故障診斷[EB/OL].(2013-12-05)[2017-08-02]. https://wk.baidu.com/view/4d40100a376baf1ffc4fadba.

[6] KOCK Juho，VARIS Jukka，AHO Jaakko.10 Years Overhaul Interval with Gearless Azipod Thruster [C/OL].(2014-10-14)[2017-08-02].http://dynamic-positioning.com/proceedings/dp2014/thrusters-varis.pdf.