船舶軸系中間軸承的探索與研究

李若騏 吳永紅 丁凱峰

摘要：推進軸系作為船舶動力裝備，其運行的穩定性及可靠性是保障船舶生命力的重要條件。中間軸承作為船舶推進軸系的主要支承單元，其工作性能的好壞將直接影響艦船推進動力性能，進而影響到艦船整體的推進效率、可靠程度及使用壽命等服役性能。

關鍵詞：中間軸承；船舶軸系；探索研究

船舶軸系是船舶推進系統的重要組成部分，它把主機功率傳遞給推進器，并把推進器產生的推力傳遞給船體，以推進船舶的航行。船舶軸系能否安全可靠的運行工作，直接影響船舶安全航行及船員的生命力。 船舶軸系的狀態關系到船舶推進動力裝置的可靠性，因此是船舶設計、制造與使用管理的重要內容。在船舶建造時，船舶軸系安裝質量及軸承負荷的合理分布決定了軸系工作的可靠性。

1 中間軸承的結構說明

目前大多數船舶的中間軸承采用白合金的滑動軸承。我國滑動式中間軸承結構已經標準化。某輪屬于尾機型船舶，屬于剛性軸，即僅有一根中間軸聯接到螺旋槳。該輪采用了固定油盤式中間軸承。此種中間軸承適用于中間軸工作軸頸圓周線速度在3一10m/s范圍內的大型船舶上。軸承座內裝有軸瓦和套在中間軸上的圓盤（即油盤），油盤有徑向斜凹槽。油盤下部浸在軸承座底部的油槽中。當中間軸轉動時，油槽中的潤滑油被圓盤（儲存在徑向斜凹槽內）帶至上部鋁合金分油盤中，對軸頸和軸瓦進行潤滑，然后再流回到油槽中去。基于潤滑的重要性，每次機艙巡回檢查應查看分油盤上的油量及油的顏色，若量少應加入適量潤滑油。油槽內設有蛇形冷卻水管，引入弦外海水冷卻油槽中熱的回油。

2 滑動軸承與滾動軸承的比較

滾動軸承包括球軸承和滾子軸承，設計滾動式中間軸承往往要比設計滑動式中間軸承容易得多，因為它只需根據所需設計的中間軸承軸徑和轉速以及載荷從軸承樣本上選擇合理的軸承，再根據所選軸承設計出軸承的殼體就可以了。對于載荷和轉速不太苛刻的許多應用場合，滾動軸承能更適應于油脂填充的密封結構工作，在整個使用期內不需要或很少需要再加油脂和維護。因為沒有什么磨損表面要修復，所以若有備用的滾動軸承更換就很方便，同時滾動軸承的摩擦系數要比滑動軸承小得多。但是，滾動式中間軸承的中間軸至少有一端是可拆聯軸節。

滑動式中間軸承是目前船舶上用得較多的中間軸承，即使是最新型的滑動軸承也比滾動軸承容易更換，特別是由于大多數滑動軸承都容易做成剖分式結構，故不需移動中間軸就可以將它們拆卸。滑動軸承的承載能力可以比滾動軸承大很多，也適合在較高轉速下運轉。滑動軸承傾向于逐漸地磨損，而不會沒有預兆就突然損壞。現在的滑動式中間軸承設計時都安裝了溫度傳感器或表盤式溫度計，可以對中間軸承軸瓦的工作溫度和潤滑油溫度進行現場測量，一旦出現軸瓦溫度和潤滑油溫度偏高或燒瓦現象就可以立即分析原因，現場進行解決。滑動式調心中間軸承現在在船舶行業已得到廣泛應用。調心中間軸承軸瓦采用球體結構，可以在軸承殼體內自由轉動，這降低了軸承的安裝要求。但是由于軸瓦和軸承殼體的配合為球面配合，故其對軸瓦和殼體的加工要求比以前更高了，加工難度也比以前大。軸承的冷卻是通過冷卻盤管的熱交換來進行的，冷卻盤管是由B10鎳銅管彎曲制成，這就減少了冷卻海水對軸承殼體的腐蝕。

3 滑動式中間軸承冷卻性能分析

熱器的數值分析方法在國外已經發展了四十余年。1972年，英國學者S.V.Patankar和D.B.Spalding最先將CFD（ComputationalFluidDynamics，CFD）方法應用在實際的管殼式換熱器中，研究了換熱器殼側無相變時的流體流動與傳熱過程。受當時條件的限制，他們提出分布式阻力的概念以表征殼程處固體表面對流體流動的影響，并提出體積多孔度概念，形成簡化了的換熱器流動和傳熱數學模型。這種處理方法在簡化了換熱器復雜幾何結構的同時，還保留了使用微分方程描述殼程式流體流動與傳熱的優點，第一次以數值模擬的方法對管殼式換熱器殼程流場進行分析。2001年MichaelSchafer和IlkaTeschauer研究了一種基于塊結構網格的專門用于計算復雜幾何體流固耦合問題的多重有限容積法。該方法采用了基于壓力修正的非線性多重網格法，因此精度較高。后來，研究者針對這種算法做了一系列的實驗來驗證計算方法的準確性。近年來，FabienWlassow和FlorentDuchaine研究了高壓汽輪機內部葉片的流固耦合傳熱問題。該研究將流動的Navier-Stokes求解器和固體導熱的求解器進行耦合，預測葉片的溫度場分布，通過對比數值分析的計算結果和實驗結果，證明數值分析的準確性。EnderOzden和IlkerTarl研究了管殼式換熱器的傳熱問題，對比一階、二階離散方法、不同湍流模型及兩種網格密度對計算結果的影響。P.Rollet-Miet，D.Laurence和J.Ferzige開發了LES（LargeEddySimulation，LES）的有限元程序，對柵格湍流、通道流及管束的交叉流進行了計算，最后與Simonin和Barcouda的實驗數據進行了對比，驗證對于以上流動問題LES比RANS（ReynoldsAveragedNavier—Stokes，RANS）具有更加準確的預測性。NasserGhorbani，HessamTaherian及MofidGorji等做了許多實驗來研究管徑、盤管間距、殼程與管程質量流率對換熱器換熱性能的影響，實驗包括了盤管層流及湍流流動問題。同時，研究人員計算了換熱器的穩態換熱問題。結果表明，殼程與管程質量流率對換熱器軸向溫度分布有顯著影響。

國內也有許多研究人員應用CFD法研究流固耦合的流動及傳熱問題。近年來，姜培學、柯道友、任澤霈等對有內熱源的耦合換熱問題進行了數值求解，得到了物體內的最高溫度分別在直角坐標系和貼體坐標系下的變化規律。李隆鍵，黃旭方把有源液池內的自然對流和冷卻盤管內的強制對流的傳熱進行耦合研究，給出換熱系數的變化的曲線，并與實驗結果進行對比驗證。駱清國，劉紅彬，龔正波等對柴油機氣缸蓋的流固耦合傳熱問題進行了分析，得到了額定工況下冷卻水的流場、缸蓋溫度場以及耦合面的溫度分布圖。陳紅巖，李迎，李孝祿對內燃機活塞組-缸套-冷卻水-機體之間耦合傳熱的問題進行了研究，對發動機額定工況下的換熱情況進行了數值模擬，得到了耦合系統的溫度場和流場。最后對比實驗結果，得到數值計算合理的結論。Jian-FeiZhang，Ya-LingHe，Wen-QuanTao等對中度折疊螺旋折流板管殼式換熱器的換熱性能進行了數值仿真及實驗研究。該研究計算了換熱器的殼程壓力場與溫度場，對比了整個換熱器的平均Nu數、整體壓降的仿真結果與實驗結果以及不同循環的平均Nu數的仿真結果與實驗結果，在工程精度允許的范圍內，仿真結果能有效地預測該型換熱器的換熱特性。

4 結語

總之，針對于船舶軸系的研究和應用需要結合實際情況，經過縝密的分析和選擇，設計和采用成本較低、維護和操控過程中消耗較少、對操作和維護人員技術要求不高、安裝和維護都方便簡單、性能可靠的中間軸承來用于承受船舶中間軸系負荷。總而言之，船舶軸系中間軸承的設計和選用需要根據具體情況而定，如果出現什么問題可以請教軸承制造廠的相關人員。

參考文獻：

[1] 陳樂東.一起中間軸承異常漏油故障原因分析[J].航海技術，2011（05）.

[2] 張力.船用滑動式中間軸承潤滑及冷卻性能耦合分析研究[D].華中科技大學，2015.

（作者單位：江蘇南極機械有限責任公司）