艉軸損壞原因及拂配檢驗要點淺析

梁震

摘 要：本文結合案例，通過建立力學模型，對艉軸的受力情況進行分析，提出導致艉軸裂紋產生的主要因素，同時論述艉軸裝船前包括加工、拂配等工藝的檢驗要點，并提出防范措施。

關鍵詞：艉軸;裂紋;偏心;拂配

中圖分類號：U664.2 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2019）11-0085-02

裂紋是艉軸在運轉過程中常見的缺陷，當裂紋未能及時發現而繼續擴展的話甚至會導致發生軸體斷裂，螺旋槳掉落的嚴重事故，嚴重的威脅船舶航行安全。裂紋產生的原因諸多，螺旋槳自重與自重偏心產生的載荷在很大程度上是其誘發的主因之一。

1 ?案例

某公司所屬的散貨船，從歐洲的某港口離港過程中發現主機正車轉速偏慢，隨后船舶到錨地停船測試，其異常情況未見好轉，當時船員初步判定故障原因是螺旋槳在離碼頭倒車過程中被冰塊擊傷受損所致。

故障發生后，船東安排潛水員對本輪進行了探摸，根據螺旋槳損壞情況，對螺旋槳進行了兩次修邊切割，隨后投入運營。同時船東訂購了新的螺旋槳，半年后船舶進塢更換新槳，之后一切恢復正常。兩年后，船舶再次進塢修理并進行塢內檢驗時，發現艉軸錐部與螺旋槳槳轂接觸處前端有圓周方向的徑向裂紋，對裂紋進行打磨后發現深度超過超過了規范要求的裂紋深度。為防止將來艉軸斷裂掉槳，造成重大事故，驗船師建議更換艉軸，重新拂配。

2 ?原因分析

螺旋槳正常運行過程中，本身自重及偏心會對艉軸產生的影響， 主要原因來自螺旋槳本身重力及螺旋槳重力偏心引起的慣性力。

2.1 ?力學模型分析

根據艉軸在船體上的安裝形式，可將螺旋槳艉軸段看成是等直徑平滑圓軸，艉軸的載荷簡圖如圖1所示：

圖1 ?艉軸的載荷簡圖

其中螺旋槳的自重視為一偏心距為e的集中載荷 G， F為螺旋槳的自重偏心所產生的慣性力，其大小為：

F=（Ge/g）（nπ/30）2[1] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中 g為重力加速度 （取9.8m/s2 ） ，ω為角速度，e為偏心距（mm），n為螺旋槳的轉速（r/m in）。

因此螺旋槳處艉軸所受的最大的力Fmax為

Fmax =G +F = G（1+en2π2/900g） ? ? ? ? （2）

兩者共同作用導致槳軸的推力中心會產生一定距離的偏移，從而產生一定的偏心彎矩，在螺旋槳未發生損壞情況下是正常允許的。

案例中船舶的螺旋槳在損壞后依舊運行一段時間，此時運行時螺旋槳的偏心距e將明顯增大，考慮艉軸的支承形式， 可將其簡化為如圖2的力學模型，

圖2 ?艉軸變形圖

其撓度方程[2]為：

AB段

y=Fmax（l2-x2）/6EI ?（0≤x≤l） ? ? ? ? ? ? （3）

BC段

y=Fmax（x -l）[a（3x-l）-（x-l） 2/6EI ?（l≤x≤x+a） ? （4）

重點考慮BC段（即艉軸與螺旋槳連接端），其最大撓度ymax為：

y max = Fmax a2 （ l + a） /3E I ? （x=l+a） ? ? ? ?（5）

由公式（1）-（5）可得出，偏心距e對艉軸變形的影響是一種線性關系，其影響如圖3所示：

由圖3可以看出，隨著e的增大，ymax也增大，當e達到某一值時，ymax將可能超過軸的許用撓度，加之轉速的提升使慣性力增大，相互作用之下使得艉軸發生損傷。

2.2 ?主要因素分析

（1）因槳葉損傷修補、割邊后打磨處理不當， 加之生產時留下的工藝誤差， 經長時間使用，使各槳葉傾角、螺距因時效作用發生變化，加之葉片受化學腐蝕、空泡氣蝕、磨損等影響呈現不均衡。這些均會造成螺旋槳重心與槳轂中心軸線的不重合，此時在螺旋槳自重和其產生的慣性力作用下， 使船舶在運行過程中加劇軸系同軸承間的摩擦和振動， 促使原來軸系在熱、冷生產工藝和加工過程中就存在的客觀尺寸裂紋和內部的微觀缺陷（如較大的非金屬夾渣、縮孔、氣孔、焊接缺陷等）[3] ， 進一步發展成宏觀裂紋。

（2）船東在更換新槳時的拂配不到位，加劇了由偏心距e產生的慣性力對艉軸承負載產生的影響， 交變應力的作用使軸系運行極不穩定， 軸承和軸頸的磨損加劇，最終造成軸系的工作環境進一步惡化。加之軸和軸承表面存在細裂紋， 在應力作用下極易導致裂紋擴展， 最終產生疲勞破壞斷裂。

3艉軸裝船前檢驗

由于艉軸裂紋深度已超過規范要求的范圍，需要更換新的艉軸。按照設計圖紙，尋找滿足要求的原材料，經機械加工、產品檢驗后形成成品，經銅套鑲嵌、軸槳拂配，法蘭鉸孔，涂層涂裝等工藝后上船安裝使用。

3.1 ?艉軸加工

根據艉軸設計圖紙，由配套廠提供滿足要求的毛坯件（提供檢驗報告和產品證書），加工廠按圖對毛坯件進行機械加工，并對加工后的艉軸尺寸和精度進行檢驗，滿足圖紙及規范要求后對艉軸進行磁粉或著色表面探傷檢查，最后應在艉軸顯眼位置使用鋼印打上船檢標識并由船檢機構發產品證書[4]。

3.2 ?前、后銅套車制、熱（紅套）鑲嵌

前、后銅套按材料配方要求，進行配料、鑄造，粗成型，上車床內外加工，車削，完工后與新艉軸進行紅套鑲嵌，過盈配合，冷卻緊固后根據圖紙要求，再進行倒角，銅套外表精加工滿足圖紙工藝精度。

3.3 ?與螺旋槳拂配

3.3.1 新艉軸錐體精加工后，需與螺旋槳錐孔進行拂配

拂配工藝可分為豎拂、橫拂等，本次采用豎拂工藝，應注意：

（1）應有相應的場地及吊重設施，吊鉤有效高度必須大于艉軸的樹立高度;

（2）螺旋槳錐孔大端朝上，水平牢靠固定;

（3）艉軸采用專用吊環起吊，注意軸體的保護，每次起吊前應檢查連接是否可靠，簪緊裝置安裝在艉軸上方便艉軸起吊后的轉動。

（4）拂配時注意檢查槳軸的合配情況，用塞尺檢查大小端間隙直至滿足要求。

3.3.2 ?螺旋槳拂配工藝要求[5]應保證：

（1）錐孔拂配后接觸應均勻，應保證結合面在全長上均勻貼合，錐部大端的接觸面積用色油檢查應不少于70%均勻貼合，并要求在25×25mm?內接觸油斑不少于3個接觸點;

（2）螺旋槳錐孔加工時，應四周均勻的修刮，以保持同軸度與垂直度;

（3）錐孔修刮后，艉軸錐體部分在錐孔內的相對位置，應滿足圖紙或工藝的要求;

（4）螺旋槳與槳軸拂配后，螺旋槳錐孔小端端面與艉軸小端錐面間距應在15mm以上（視軸徑大小而定）。

3.4 ?艉軸法蘭鉸孔

新艉軸與中間軸連接法蘭的螺栓孔應重新配鉸。鉸孔時軸應對中，并重復配絞打磨，直至螺栓孔與其相配的螺栓精度滿足要求，內孔粗糙度應滿足圖紙要求。

3.5 ?新艉軸賽龍涂料涂裝

案例中船舶艉軸冷卻方式為水冷式，為防止海水腐蝕，艉軸應采取涂裝保護。噴涂前艉軸應進行噴砂處理，然后移至車床，在轉動的同時進行涂料噴涂操作，涂料兩端接觸部位采用貝爾佐納包裹過渡，涂料固化并徹底干透后艉軸才能安裝。

4 ?防范措施

（1）螺旋槳的偏心距和偏心產生的慣性力對軸的強度有很大的影響，如螺旋槳出現損壞應及時切割或修復槳葉，并注意槳葉邊緣的打磨處理，同時降低運行轉速，以降低偏心距和慣性力的影響，避免艉軸的裂紋惡化。

（2）艉軸的制造要嚴格按照圖紙和工藝要求進行，盡量減少生產與加工過程中所產生的缺陷，盡量避免裂紋，減少軸尺寸突變，保證過度光滑，減少應力集中產生。

（3）螺旋槳與艉軸的拂配要嚴格按照工藝進行，準確到位，避免因拂配不準而導致軸系運行不穩、應力集中等情況發生，最終造成艉軸損壞的結果。

參考文獻：

[1]哈爾濱工業大學理論力學教研室， 編. 理論力學（II冊）. 第 8 版. 北京： 高等教育出版社， 2016.

[2]劉鴻文. 材料力學 （I冊）. 第 6 版. 北京： 高等教育出版社， 2017.

[3]錢立保.蔣義海， 螺旋槳修理中的靜平衡檢驗方法研究. 裝備制造技術， 2012.

[4] 陸俊岫，船舶建造質量檢驗，哈爾濱工程大學出版社，1996.CB/T 3420-1992，船舶軸系修理裝配技術要求，1992.

[5]CB/T 3420-1992，船舶軸系修理裝配技術要求，1992