汪国君1 方映2
1.东台市海鹏船舶配件有限公司 2.东台船用配件有限公司 江苏 东台 224200
摘要：船用艉管轴承为轮机设备，由于在水下工作，工况差，检测困难。随着船舶大型化趋势，艉轴和螺旋桨尺寸不断加大，使得艉轴更易发生不对中、挠曲或者弯曲现象，破坏艉轴承与轴颈间的良好润滑状态，引起轴承与轴颈之间的摩擦与碰撞，甚至在轴承内衬出现裂纹，影响船舶的安全营运。艉管轴承优化结构技术的出现，不仅解决了轴承工作过程中的裂纹和碰撞的难题，还提高了设备营运的效益。
关键词：船用;艉管轴承;结构材料;优化
1 概 述
艉管轴承设在船舶推进系统中艉轴管内部，位于水线以下，其工作条件十分恶劣，既要承受螺旋桨回转时的不均匀悬臂负荷及螺旋桨偶然碰到障碍物时的动力负荷，又要承受艉轴和螺旋桨重量及运转过程中可能发生的附加振动力等。由于艉管轴承在船舶航行时很难检查，只有在船舶进坞时进行检修，因此它应具有可靠和坚固的结构。艉管轴承一般由前轴承、后轴承组成，形状为园柱形，由铸铜或铸铁成份壳体和巴氏合金内衬套组成。艉管轴承不仅支撑着艉轴自身的重力还支撑着船体外悬挂螺旋桨的巨大重量，所以艉轴承是船舶轴系中负荷最大的轴承之一。如今，随着船舶吨位的不断增加，船舶艉轴和螺旋桨的重力作用也不断加大，使得艉轴常常发生挠曲现象，这给艉轴承造成很大的边缘负荷影响甚至破坏艉轴承与轴颈之间的良好润滑状态。在船舶轴系的运行过程中，由于船舶轴系的不对中或者弯曲，使得艉轴的运动振幅增大，当其振幅超过艉轴承与轴颈之间的间隙时，便引碰撞与摩擦，同时在轴承内衬偶尔出现裂纹现象，这种故障现象出现，使艉轴管轴承磨损量和轴承与轴颈之间的间隙增大，甚至导致船舶推进轴系故障，影响船舶的安全可靠营运。
通过调查统计分析，一般情况新造船运行几个周期后出现碰撞现象约占总维修量的3～5%，轴承表面部分出现裂纹现象占总维修量的8～10%。
通过对船舶使用者了解和设计研究部门研讨分析提出：造成上述现象出现主要是轴承内衬与壳体结合面尖角燕尾结构，使应力过于集中是轴承内衬产生裂纹的原因。而艉管轴承内孔中心与艉轴中心线变形斜度倾角不一致，配合间隙不良也是造成轴与轴承碰撞的原因之一，同时巴氏合金材料的组成配方也有影响。
为此，我们针对艉管轴承内外结构材料进行优化改进。
2 艉管轴承的优化方案
2.1 艉管轴承出现裂纹现象采用了如下技术方案：
现行使用的艉管轴承形状为圆管形，由外壳体与内衬套两个部分组成。壳体材料多为铸铜合金或铸铁，衬套材料为巴氏白合金。壳体内孔开设数条纵向或横向的燕尾槽，内衬套巴氏白合金材料在一定温度熔化后采用离心浇铸法工艺与壳体内孔紧紧贴合，冷却后精加工到尺寸。考虑艉轴管轴承内表面的润滑，在外壳上开设轴向贯通的油槽数根，在油槽上钻一个或多个径向通油孔，供桨轴与轴承间润滑及循环，油孔为圆形直孔。这种结构优点是：抗压强度高，散热性良好，耐磨性好，不伤轴颈，寿命长。但壳体内孔开设数条纵向或横向的燕尾槽，一般为60度角，在转角过渡处为尖角，与衬套结合处容易产生应力集中，在桨轴工作一段时间后，极易产生裂纹，时间长了造成轴承内孔破坏，影响使用效果。
为减少衬套裂纹产生，结构进行优化改进：将轴承壳体内孔开设纵向或横向60度角燕尾槽过渡设计为圆弧过渡。半径为R0.5到R1.0间，使壳体内孔与巴氏合金内衬套缓和过渡结合充分，内应力得到缓解，桨轴运转时衬套不容易产生裂纹，减少对白合金内衬套的破坏。
其实施后效果是：在极端情况下使油槽上全部滑油汇集到内锥孔上从而进入艉轴管轴承内孔面，为船舶的正常运行提供有益保证。
2.2 桨轴与艉管轴承出现碰撞现象采用下列技术方案：
众所周知，随着主机转速的逐渐升高，艉轴中心线也逐渐由上拱状态向平直状态转化。在这种情况下，艉轴轴颈与艉管轴承之间的接触部位也会由艉管两端逐渐向中部扩展，轴颈与轴承之间的接触面积迅速增大，这时，艉轴转速增高、与轴承的接触面积增大，而轴承表面单位面积上的承压值并不高，在正常的配合间隙和良好的润滑条件下，轴承温度不会升高。根据机械运动原理，一对运动副(比如轴与轴承)要想保持正常的相对运动状态，必须具备适当的配合间隙和良好的润滑，二者缺一不可。由于桨轴转速提高，桨轴与轴承之间磨碰加剧。艉管轴承所产生的发热、发黑甚至出现高温报警现象，艉轴在轴承中的运转呈现一种不正常状态，加剧了摩擦热的产生、破坏了二者之间的良好润滑、延误甚至阻滞了所产生高温及时疏散。
对此我们进行下列改进：对艉管前后轴承的内径中心进行了偏心加工，前后端下调了一定量的偏移量，这样目的这使轴承安装中心偏移量与桨轴运转中心一致，轴承处于最佳运行间隙，同时桨轴在转速升高时与轴承产生磨碰频次的减少，通过精确计算和实际安装运行，轴承中心倾角大于桨轴中心弯曲变形运转中心倾角，轴承与桨具备适当的配合间隙和良好的润滑，艉管轴承所产生的发热、发黑甚至出现高温报警现象明显减少，满足桨轴运行要求。
这样设计实施后效果：避免了艉轴轴颈与艉管轴承之间的接触部位由艉管两端逐渐向中部扩展，艉轴转速增加、与轴承的接触面积增大，产生轴承间隙过小造成摩擦和碰撞风险减少，保证良好的配合间隙和润滑条件。
2.3 在轴承合金铸造过程中，对合金层材料配方进行下列技术调整：
为了改善轴承承载能力，对巴氏合金锡锑SnSb11Cu6加入微最元素隔Cd合金，合金中锡锑SnSb相尺寸减小，数目增多，细化了锡锑SnSb相的作用，增强合金的硬度、强度和塑性；同时隔Cd溶于Sn形成固溶体，提高合金的硬度和强度，起到细晶强化和固溶强化的作用。当隔Cd的含量在0.5%～1.0%（质量分数）左右时，合金的硬度、强度和塑性同时增加，功能发挥最佳状态。
实施后效果：合金中晶粒的大小差异范围最小，合金强度、硬度增大，合金的塑性也增大，晶粒尺寸差异小，分布均匀，有利于提高合金的塑性。
经过上述结构优化改进，在三十条实船上应用，通过三年多时间使用报告发现，船舶轴承维护频次减少了，运行周期增长，艉管轴承内衬裂纹和轴与轴承碰磨现象明显减少，进出坞期减少，营运成本下降。
3 创新点及先进性
3.1 优化结构的艉管轴承采用园角燕尾结构设计，改变了传统的尖角结构形式，极大减少轴承内衬裂纹的出现概率，结构更加固定，安全可靠。该技术具有创新性。
3.2 优化结构的艉管轴承内孔中心的偏移量及倾角的大小，与桨轴中心弯曲及转动幅度存在的数学逻辑关系，这种关系既能保证桨轴处于最佳间隙运行，又同时保证使轴与轴承互不干涉。
3.3作为轴承合金材料，合金轴承材料加入适量的微量元素隔Cd不仅具有足够的强度和硬度，使合金具有一定的承载力，而且具备良好的嵌藏性、顺应性和抗咬合性。在国内外很少有单位研究使用，该技术具有先进性和创造性。
4 结 语
优化结构艉管轴承技术的出现，不仅较好地解决了轴承工作过程中的裂纹和桨轴与轴承碰撞的问题，大大提高了设备营运的效益。到目前为止，优化结构艉管轴承技术在轮机轴系设计选用受到欢迎，推广应用速度正逐步加快。该技术产生的技术参数指标已被国家标委批准为国家标准，于2018年7月实施。
参考文献
1轮机工程设计手册编委会《轮机工程设计手册》［M］ 人民交通出出版社 1992.11第1版
2成大先《机械设计手册》［M］化学工业出版社 2002第四版
3陈永红 钟宁等《微量元素Cd对锡基轴承合金SnSb11Cu6组织与力学性能的影响》［J］《中国有色金属学报》 2019年6月