淺談船舶主機(jī)曲軸臂距差影響因素與對策

徐寧

摘要：在復(fù)雜的工況下，船舶主機(jī)曲軸極易發(fā)生故障，進(jìn)而影響主機(jī)的正常運(yùn)行，為了確保曲軸工作的耐久性與持久性，必須保證船舶運(yùn)行過程中曲軸臂距差控制在規(guī)定范圍內(nèi)。本文主要分析了曲軸臂距差的一系列影響因素，并對其變化規(guī)律及相應(yīng)的解決策略進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，確保船舶航行安全。

關(guān)鍵詞：船舶；主機(jī)；曲軸；臂距差

1.研究背景與研究目的

曲軸在軸線呈直線狀態(tài)下工作，同時(shí)曲軸的剛性比較差，導(dǎo)致安裝時(shí)主軸時(shí)，由于微變形產(chǎn)生承高低程度不一致現(xiàn)象，工作時(shí)曲軸呈周期回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對主軸承造成不同程度的磨損，導(dǎo)致曲軸變形、軸線彎曲，產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力。經(jīng)過實(shí)際測量，曲軸臂距差越大，表明曲軸彈性彎曲越大，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)曲臂與曲柄銷的過渡圓角處所受的交變應(yīng)力也越大，使圓角處更易產(chǎn)生疲勞裂紋，引發(fā)曲軸斷裂事故。

曲軸的工作條件要求其必須保證軸線呈直線狀態(tài)，然而曲軸具有相對較差的剛性，在靜止?fàn)顟B(tài)下，曲軸因軸承不同程度的磨損承受了相對較大的彎曲力矩，若在此情形下曲軸持續(xù)較長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，就會形成反復(fù)作用的附加應(yīng)力，進(jìn)而曲軸的折斷損壞風(fēng)險(xiǎn)就會極大的增加。所以，為實(shí)現(xiàn)主機(jī)的正常安全運(yùn)行，必須確保曲軸臂距差控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

為了保證曲軸工作可靠性和耐久性，設(shè)計(jì)和安裝過程中須保證曲軸臂距差不宜過大。但由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的復(fù)雜性和曲軸自身工作條件與環(huán)境，曲軸臂距差所受的變化因素影響較多。本文將對影響臂距差的幾種主要因素進(jìn)行分析，試圖了解其變化規(guī)律，并提出解決方案，確保曲軸處于良好工作狀態(tài)，延長曲軸和主軸承的使用壽命，確保船舶的安全。伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，船舶工業(yè)也得到了快速的興起，主機(jī)在運(yùn)行過程中，受力不當(dāng)?shù)那S不但會造成活塞受到損壞，嚴(yán)重情況下還會導(dǎo)致曲軸發(fā)生裂紋甚至斷裂等，造成主機(jī)不能正常運(yùn)行。

2.活塞連桿組件對曲軸臂距差的影響與對策

低速主機(jī)活塞連桿機(jī)構(gòu)具有重量重、功率大的特點(diǎn)，因此對曲軸臂距差的影響程度更大?；钊B桿組件的重力作用更無法改變對臂距差的影響。塞連桿組件的重量延垂直方向作用，使臂距差正值增加、負(fù)值減少并趨向于零。主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，燃料在氣缸內(nèi)燃燒會產(chǎn)生巨大的氣體力，這種內(nèi)力通過活塞連桿機(jī)構(gòu)作用在曲軸上，也使垂直方向上的曲軸臂距差正值增加，負(fù)值減少并趨于零。氣體力的影響雖然可以通過調(diào)節(jié)各缸的供油量從而改變單缸功率來影響臂距差，但會導(dǎo)致主機(jī)各缸功率的不均衡性。但是如果在主機(jī)安裝時(shí)，發(fā)現(xiàn)活塞連桿組件裝上前后臂距差有很大變化，則說明主軸頸與主軸承沒有貼合，有脫空現(xiàn)象。

3.影響的曲軸臂距差因素及策略

3.1傳動(dòng)系統(tǒng)與臂距差

船舶尾軸傳動(dòng)系統(tǒng)的安裝順序?qū)Ρ劬嗖钣兄匾绊?，不同的安裝順序使曲臂差的范圍也不一樣，經(jīng)驗(yàn)告訴我們，以下安裝順序可以最大限度的降低曲臂差：首先安裝螺旋槳軸，然后中間軸、推力軸、齒輪箱是以螺旋槳軸法蘭作為基準(zhǔn)軸來進(jìn)行安裝的，最后進(jìn)行安裝主機(jī)。安裝過程盡量避免剛性連接，這會導(dǎo)致曲軸臂距產(chǎn)生曲折和偏移。但不可避免的傳動(dòng)軸系是通過法蘭與曲軸進(jìn)行剛性連接，船舶安裝規(guī)范要求是曲折值不得超過0.1mm/m，偏移值不得超過0.1mm，當(dāng)曲折值與偏移值超過規(guī)范要求時(shí)，曲軸主軸承就會產(chǎn)生較大程度的磨損。所以，需要對傳動(dòng)軸系與曲軸的中心線高低加以調(diào)節(jié)來進(jìn)行矯正。

3.2主軸承不均勻磨損與臂距差

主機(jī)有多種工況，包括正常的和特殊的，每根曲軸在主機(jī)各種工況下承受不同的應(yīng)力和磨損，所受浦東應(yīng)力不同導(dǎo)致每根曲軸的磨損程度也不同。因此，曲軸的各主軸頸會因?yàn)椴痪鶆虻闹鬏S承磨損程度而發(fā)生不均勻的下沉，進(jìn)而導(dǎo)致曲軸軸線發(fā)生形變，引起曲軸臂距差不同程度的變化。對于長期運(yùn)行的主機(jī)而言，可以觀察到一定的規(guī)律。因此，在對曲軸臂距差進(jìn)行調(diào)整的過程時(shí)，了解曲軸臂距差的變化規(guī)律，可以對曲軸臂距差數(shù)值超出了正常規(guī)律的范圍，應(yīng)對曲軸軸線狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)，同時(shí)可以應(yīng)用測量臂距差值和橋規(guī)值的方法。

3.3主機(jī)機(jī)座填充墊塊與臂距差

主機(jī)機(jī)座填充墊塊作為主機(jī)中一個(gè)至關(guān)重要的部件，其對主機(jī)機(jī)座起到了固定的作用并且實(shí)現(xiàn)了機(jī)座位置的調(diào)節(jié)作用。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，主機(jī)機(jī)座填充快對臂距差影響很大，因?yàn)樘畛淇鞎c主機(jī)機(jī)座有70%以上的連接面積，在長期處在高頻振動(dòng)、高溫的環(huán)境中填充快會導(dǎo)致主機(jī)機(jī)座發(fā)生形變，最后造成曲軸臂距的變化。過去的填充快一般選擇金屬材料作為制作形狀多樣的主機(jī)機(jī)座墊塊的主要材質(zhì)，在加工過程中，研磨余量約為0.1～0.2mm，并保證0.05mm的塞尺不能插入機(jī)座與墊塊的間隙中。導(dǎo)熱性、延展性以及易熱脹冷縮是金屬材料所獨(dú)具的特征，因而若選擇金屬材料來制作主機(jī)機(jī)座的墊塊，會很快導(dǎo)致填充塊的變形。所以，金屬已不再是主機(jī)墊塊的主要材質(zhì)，環(huán)氧樹脂高聚物代替了原來的金屬，其所制作的墊塊不僅可以實(shí)現(xiàn)與機(jī)座的完全接觸，而且與金屬材質(zhì)的墊塊相比，其具有相對較差的導(dǎo)熱性，優(yōu)良的隔振性能有效地保障了曲軸臂距差控制在標(biāo)準(zhǔn)合理的范圍內(nèi)

3.4缸內(nèi)氣體壓力與臂距差

缸內(nèi)氣體壓力屬于內(nèi)力，往往在安裝過程中會被忽視，主機(jī)曲軸在安裝過程中先將曲軸安裝于主機(jī)基座上，然后吊裝活塞運(yùn)動(dòng)裝置部分。在安裝過程中即使在安裝活塞運(yùn)動(dòng)裝置部分之前，也會由于曲軸體積、質(zhì)量過大，曲軸自重的原因發(fā)生曲軸中心線下沉的狀況。當(dāng)在安裝活塞運(yùn)動(dòng)裝置部分之后，活塞運(yùn)動(dòng)裝置和曲軸自重疊加，會使主機(jī)曲軸中心線下沉的情況更加嚴(yán)重。從另外一個(gè)方面來說，主機(jī)在工作過程中，燃燒室中的油氣混合物發(fā)生燃燒，體積迅速增大，會對活塞運(yùn)動(dòng)裝置部分產(chǎn)生巨大的推力，這個(gè)推力通過活塞運(yùn)動(dòng)組件中的連桿傳遞給主機(jī)曲軸，曲軸會同樣產(chǎn)生軸線下沉的不良結(jié)果。所以在調(diào)節(jié)臂距差時(shí)要考慮燃料燃燒值以及活塞做功夠缸內(nèi)氣體產(chǎn)生的內(nèi)力對臂距差造成的力。

4.機(jī)座變形對曲軸臂距差的影響與對策

主機(jī)機(jī)座在設(shè)計(jì)階段會著重考慮其屈服強(qiáng)度，以保證其在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下不變形，但特殊情況下船舶由于擱淺、觸礁等原因可能導(dǎo)致主機(jī)基座變形。主機(jī)在運(yùn)行過程中，由于震動(dòng)也可致使機(jī)座地腳螺栓松動(dòng)、貫穿螺栓松動(dòng)或上緊程度不均衡，包括機(jī)座墊塊磨損變薄等都可能導(dǎo)致機(jī)座變形。機(jī)座變形對曲軸臂距差的影響很大，有些事故甚至就是由于主機(jī)機(jī)座變形引起的。曲軸中心線狀態(tài)將隨機(jī)座的凸凹變形而變化，導(dǎo)致機(jī)座變形時(shí)各道主軸頸橋規(guī)值保持不變，而臂距差卻變化很大。現(xiàn)有的測量方法，一般是測量橋規(guī)值和臂距差值的方法檢查機(jī)座是否變形：用測出的橋規(guī)值和臂距差值作圖，如兩條曲線基本一致，則說明機(jī)座沒有變形，如果兩條曲線互相矛盾則說明機(jī)座有變形。日常檢查，及早找出主機(jī)機(jī)座變形位置是預(yù)防曲軸臂距差的一項(xiàng)關(guān)鍵工作。

5.結(jié)束語

目前對影響曲軸臂距差變化的各種因素只能做定性的分析，定量分析還無法找到適用于所有機(jī)器的通用公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。作為輪機(jī)管理人員，只能從某一類型船舶或某一機(jī)型船舶出發(fā)，找出曲軸臂距差變化的規(guī)律性，采取有效的預(yù)防措施，使曲軸臂距差符合規(guī)范及主機(jī)說明書的要求，保證船舶的航行安全。

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