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上海海事大学船用电喷柴油机培训课题组
上海市浦东新区海港大道1550号
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引言
船舶尾轴承是尾轴与螺旋桨的重量支撑部件及尾轴周向旋转的定位部件，在船舶轴系中具有重要作用。良好的尾轴承状况不仅可以保证船舶的正常航行，同时还能够与尾轴密封系统形成良好配合，确保船舶航行安全和防止环境污染。
随着造船技术和世界航运市场的发展，船舶建造吨位越来越大，相应地，船舶螺旋奖直径与尾轴长度也逐渐增长、增大，对尾轴承的设计建造和使用维护要求也越来越高。如果船舶重视程度不足，缺乏有力的预防措施，容易造成船舶尾轴承异常发热，甚至造成轴承合金烧熔而损毁。
1 船舶尾轴承工作原理
目前大多数船舶尾轴承是采用白合金材质制成的前后两段式结构，在两部分轴承之间形成尾轴管封闭区域。区域内部充填滑油用于尾轴与轴承间的润滑，并对摩擦产生的热量进行传导。当主机带动尾轴运转时，尾轴与尾轴承之间会产生相对运动并形成楔形空间、这时尾管中滑油随尾轴周向运转而进入楔形空间内。运动中滑油受到尾轴与轴承的挤压作思从而产生一定的反作思力。由于滑油本身所具有的粘性特征，在尾轴与尾轴承之间会形成一层油膜。此油膜不仅减少了尾轴与轴承之间的接触力，同时也减少了两表面间的摩擦与磨损。此外，这部分油膜还会将尾轴运转过程中产生的热量，通过滑油的传导作用传入尾轴冷却水舱中，最终传入大海。具体结构如图1:
图1
2 故障案例
某轮是一艘18万载重吨的大型远洋散货船，某航次从巴西装载铁矿回中国。某日清晨，该轮尾轴承出现高温报警，瞬时温度显示209℃，同时检查发现尾轴油柜中油位有一定程度的下降。船员将主机停车，待尾轴降温后对尾轴油滤器进行了清洁，发现滤器中有些许金属碎屑，如图2所示。随后船员对主机进行盘车，盘车机电流显示正常:对主机进行正倒车试验，尾轴运转正常，尾轴承温度也显示正常。船员再次启动主机并逐渐加车至slow ahead档位，监控并测量尾轴润滑系统各项参数，均显示正常;同时用听针监听尾轴处也未发现异常声响，尾轴油柜油位稳定。船员逐渐将主机加速至65转，尾轴承温度显示44℃。在主机运行一段时间后，继续加车至75转，轴承温度持续升高但是升高幅度逐渐变小并维持在46.5℃左右。由于当时船舶正在印度洋航行，无法快速抵达沿岸港口;因此在接下来的航行时间内，公司指示船员一直密切观察尾轴及其润滑油系统状态，维持船舶运行。
一周后，船员再次发现尾轴油柜出现了泄露现象，漏油量约为:100-200L/天左右。公司咨询厂家工程师后指导船员采取了应急处理措施，临时控制住尾轴滑油泄漏并保持船舶继续航行。
船舶到达目的港后，公司首先安排潜水员对船尾进行水下检査，未发现船体变形或存在渔网缠绕螺旋桨等异常现象;但是通过尾轴油柜出现的滑油泄露现象和尾轴油滤器中发现的金属碎屑，初步判断尾轴承已经发生部分烧熔。由于该轮尾轴密封装置外漏滑油较为严重，不仅会给海洋生态带来污染，还会导致公司面临巨额赔偿，同时船舶也存在滞留风险，因此公司决定安排船舶抵达就近船厂开展尾轴承的维修工作。
船厂人员对船舶轴系进行了测量，并将所得数据与船舶出厂时的标准数据进行比较，发现船舶尾轴存在一定程度的下沉;在尾轴解体后，发现船舶前后尾轴承均出现不同程度的磨损与烧熔，照片如图3所示。
经公司技术人员、船厂技术人员实地勘察分析，并邀请瓦锡兰服务工程师对船舶尾轴承进行激光对中检查测量，得出以下结论并提出改正意见:
(1)船舶后尾轴管壳体在垂直方向上有-0.093mm/m的不对中。根据后尾轴管轴承图和轴对中计算书要求，后尾轴承安装后，轴承在垂直方向上应该有0.3mm/m坡度，建议把后尾轴承坡度修正至0.39mm/m。
(2)船舶前尾轴管壳体在垂直方向上有-0.132mm/m的不对中。根据前尾轴管轴承图和轴对中计算书要求，前尾轴承安装后，轴承在垂直方向上应无倾斜，建议对前尾轴承进行坡度修正0.13mm/m。
(3)后&前尾管壳体有较大的椭圆度和锥度，并且后尾轴管壳体内孔壁部分圆周区域存在锥度制作错误，因此建议船厂对尾管壳内表面进行抛光处理，以减少目前存在的过大偏差影响。
(4)在修改后的尾轴管前后部分尾轴承装复后，要再次对尾轴承进行激光对中检查，确保尾轴轴承的倾斜度和偏移量在数据要求范围内。
(5)在船舶出坞后，按照轴对中计算书要求，进行千斤顶液压顶升实验，并将轴系轴承调至自由浮动状态。
根据上述技术要求，相关方工程师对船舶尾轴管内孔进行镗孔修理，对前、后部分尾轴承拆解后运至瓦锡兰加工车间进行重新浇筑，恢复加工至标准尺寸。安装过程严格遵守上述步骤与要求。经监测船舶尾轴系统恢复正常。
3 故障原因分析
根据此次尾轴承故障维修处理过程，造成本次轴承烧熔的原因大致如下：
3.1 轴线状态不符合建造标准要求
本轮在设计建造之初，存在尾轴管安装定位不准确现象，并最终导致船舶轴线不符合标准要求。目前科学的船舶尾轴设计理念是尾轴管中心轴线向尾部下倾一定角度，以保证尾轴在承受螺旋奖重量向下弯曲的情况下，也能够有效与轴承贴合。在船舶建造过程中，如若尾轴管安装时定位不准或安装工艺不精，如:尾轴管中心轴线尾部稍有上倾、尾轴管与轴承的安装顺序错误;或者由于船龄增加、船舶搁浅等原因，造成船舶轴线状态发生改变，就会破坏轴与轴承间油膜的形成，从而引发轴承合金烧熔甚至脱落的故障现象。
本轮在维修检査中未发现船舶搁浅或者船体变形现象，而测量的数据显示尾轴管中心轴线状态为尾部上倾。这就造成了船舶在营运时尾轴后轴承前端承受压力过小甚至悬空，后端承受压力过大，从而引发接触面摩擦过热，轴承合金烧熔。
3.2 尾轴管在安装过程中发生变形
正常情况下安装完成的尾轴管的状态是后面开口较大、前面开口较小的正锥形，且圆周方向为标准圆形。但有的船厂为了节省工时采用整体式尾轴管安装方法，在车间将尾轴管加热后再将尾轴承压入其中，然后将尾轴管和尾轴承作为一个整体，吊装到船舶坞台进行定位安装。这种装配工艺往往会引起尾轴管和尾轴承的配合过盈量偏大，最终导致尾轴承发生形变，导致船舶尾轴完成组装后尾轴承局部合金与尾轴之间配合间隙过小，影响轴与轴承中滑油油膜的形成。
在此次尾轴维修过程中发现，本船尾轴管与尾轴承之间过盈量的实际值为12丝，超出正常值1倍左右;后轴承拆解拉力约为120吨，而正常情况下最大拉力为80吨。同时现场还发现尾轴管存在一定程度的椭圆度和后部设计台阶锥度错误。这将进一步挤压尾轴承导致其发生变形，从而使尾轴在运转过程中轴承局部合金与尾轴贴合过于紧密，影响润滑油膜形成，进一步造成运转中局部过热导致合金烧熔。
3.3 尾轴滑油品质存在问题
滑油是机械设备的血液”。尾轴滑油品质对尾轴承的使用寿命与运行状态具有非常重要的影响。因此船员应该密切注意尾轴滑油的质量并定期取样化验，发现滑油品质变差要及时更换。在尾轴添加或者全部更换滑油时，要充分考虑不同油品间的兼容性。如:更换环保滑油时，要多次反复冲洗滑油系统，避免不同品质滑油掺杂。一般而言，环保油中掺杂普通滑油的比例应控制在5%以内，否则在尾轴运行过程中油膜建立的能力将急剧下降，无法对尾轴承形成有效润滑导致轴承磨损。尾轴滑油系统初次投入运行时，应对滑油系统及管路滤器充分清洁干净，防止存在杂质对轴承造成磨损。
在本轮轴承拆解过程中发现，轴承表面呈现暗黑色并且轴承与尾轴表面间的空间内存有些许碳粉状残余物。而运行状况良好的轴承表面巴氏合金应该呈现银灰色，并且表面光滑、平整。
前期管理资料显示，本轮过去使用的是高、低位重力油柜形式的尾轴密封系统，先后使用过普通滑油和环保滑油;后期为了保证尾轴的良好密封效果，降低污染的可能性，更改成现在的空气密封形式的尾轴密封系统，使用普通滑油。但船员在更换滑油过程中没有做到将尾轴管内或者滑油管系内的滑油尽量清洁干净，并将掺混比例控制在允许的范围内。这就导致滑油品质快速下降，从而给尾轴承润滑造成损害。
此外，以下因素也会影响尾轴承状态与运行效果:
(1)轴承镗孔:
近年来，随着船舶建造吨位越来越大，螺旋桨直径和船舶轴系的长度也在逐步增加。在主机运转过程中，尾轴尾部部位转角增大，尾轴与轴承的接触面积减小，导致尾轴承局部受力过大。为了使前后轴承受力均匀，延长轴承使用寿命，斜镗孔与倾斜轴承等设计应运而生。因此在轴承制作与安装过程中一定要保证轴承镗孔尺寸的合理性，并匹配严格的加工技术，才能达到预期效果。
(2)轴承间隙:
在尾轴承设计与安装过程中，要保证轴承间隙设计的合理性，并确保在安装过程中各工程尺寸也在要求范围内。轴承间隙过小,，则接触面间楔形空间不足，无法建立有效油膜，轴与轴承之间容易产生“干磨擦”，进而导致轴承高温，合金烧蚀脱落。轴承间隙过大，则尾轴在运动过程中会产生“甩荡”现象。这时滑油油膜受到不规则力的扰动作用，也无法形成有效油膜，无法保证其润滑效果。同时由于接触面上无油膜生成，就无法进行热量传导，导致尾轴温度升高，轴承异常损。
(3)轴承“长径比":
轴承“长径比”设计是否合理，直接影响轴承在运行过程中的受力情况。当尾轴转动时，尾轴承与尾轴接触面圆周上的任意一点，均受到轴承自身的重力和轴运转时产生的切应力以及海浪与涌浪对螺旋桨产生的不规则作用力。保持轴承长寿命，就必须保证接触面上各点受力均匀。因此如果轴承“长径比”设计不合理，当轴承承受外力时，材料内部结构受力就会发生变化，无法保证轴承各处受力均匀，从而无法有效克服这些外力对轴承造成的损害，无法保证轴与轴承之间油膜的生成，造成磨损。
(4)船舶操纵与管理:
在船舶运营过程中，驾驶人员在复杂海况下对船舶的操纵方式对船舶尾轴承的运行状态与使用寿命有很大的影响。如，①船舶在大风浪天气航行时，由于外界恶劣海况影响，螺旋奖会出现时而露出水面时而浸入水中的运转现象，而驾驶人员未对主机转速进行相应调整;②大风浪天气航行时未对船舶进行重压载;③船舶空载时经过吃水较浅的航道等情况;④船舶倒车运行时，驾驶人员操纵主机加速过快等等。在这些情况下螺旋桨会存在漏出水面的情形，运转中的螺旋桨受到的海水浮力减少，加大了其对尾轴承下部的压力。特别是在大风浪天气时，运转中的螺旋桨反复露出水面，尾轴承下部合金不断承受交替变化的压力。此时接触面间油膜状态较差，从而造成接触面间合金过热而烧熔。此外，在船舶运行过程中如果尾轴封内卷入渔网等杂物，也会损伤尾轴油封，对轴承间油膜造成破坏，并且因为尾轴轴封遭到破坏而使尾轴滑油发生乳化，从而影响尾轴承的运行。
4管理对策
综上分析可知，影响船舶尾轴承平稳运行的因素存在于两个环节:船舶建造环节与日常管理环节，因此需要在此两个环节中探讨具体措施，避免尾轴事故的发生。
4.1船舶建造环节对策
建造环节首先要加强船舶在设计阶段的数据准确性与合理性。优良的船舶设计标准是船舶能够长期平稳运行的基础。船东在建造船舶前应该综合各方信息，根据历年来的事故案例分析报告，总结经验，制定方案，安排专业技术人员审查船舶设计图纸，避免有缺陷的、落后的设计理念与技术数据出现在新造船舶上。
其次要保证船舶建造过程中安装工艺的合理性。在造船技术规格书中船东要对尾轴施工工艺方法提出要求并聘请专业的船舶监造人员负责监管，以防备船厂采用省工省时的违规工艺方法。如像前文提及的，在车间将尾轴管加热后再将尾轴承压入其中，这就容易造成尾轴承和尾轴管发生变形。如果后续安装定位出现误差，船厂为了保证准时完工交船，就只能从尾轴承内侧加工修正，从而造成船舶营运多年后，容易发生问题。
4.2 管理措施
在船舶日常营运过程中应加强对船舶一线人员在船舶操纵与管理过程中的培训与监控，对船舶在特殊时期、特殊海域、特殊装载等情况下的操纵与管理给与技术指导，避免发生严重事故。
船舶驾驶员应熟悉掌握船舶轮机设备基础知识，在特殊海况下采用适宜的船舶操纵方式，避免野蛮操作;在大风浪天气来临前,
提前增加压载水，保证螺旋桨浸入水中。轮机管理人员在尾轴系统日常管埋中，要注意以下方面:①尾轴冷却水舱内冷却水量不能太少。船舶由热带进入寒带航行时，船员要密切观察尾轴冷却水舱内冷却水的存量，并适时调整以维持尾轴油合适的温度，保证滑油的润滑性能。②要定期及时清洁尾轴油滤器，一是可以有效清除系统内的杂质，保证系统清洁;二是可以通过观察滤器内杂质状态及时判断轴承是否出现异常磨损，对于轴承故障的发现起到积极的作用。③准确取样，定期化验尾轴油。轮机人员要加强相关知识的培训，系统了解尾轴油取样步骤与方法,能够有效监控润滑油的品质与轴承磨损程度。④更换滑油或者添加滑油时，要充分冲洗滑油管系并考虑滑油间的相容性;⑤加强尾轴油系统的日常监控，发现异常及时处理。
5 结束语
由于建造过程中的不合理因素和日常运营管理中的不当措施，大型远洋货轮尾轴事故时有发生。这些事故不仅影响船舶的正常营运，给船东造成巨大的经济损失;同时严重威胁船员的生命安全，污染海洋环境。因此，应积极总结事故教训，积累船舶建造与管理经验，努力提升船舶的设计、建造质量、船舶管理公司的管理水平和船员的业务能力，避免尾轴承故障的发生,。
参考文献：
[1]张志镭,王植富,王志见.大型远洋船舶尾轴承原理与故障分析[J].青岛远洋船员职业学院学报,2024,45(03):40-43+75.
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