轴承船连接大船的螺旋桨，发动机的“尾轴”，如何穿出船体和防水？|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

连接大船的螺旋桨，发动机的“尾轴”，如何穿出船体和防水？

我们现在常用的船舶，一般都靠螺旋桨来提供动力。要让尾轴穿出船体连接船上的发动机和水里的螺旋桨，可不是一件容易的事情。

螺旋桨

首先，

螺旋桨本身就有几十上百吨的重量 ，相当于20头左右成年大象的体重，其次，螺旋桨在水里运动做功，也会因为水的阻力而产生各种振动，也就是说这些“大象”还会不断的躁动，以及尾轴自己在实际运转中也产生的各种振动。若是尾轴无法承担这些重量，就有可能使船尾产生巨大的破损，同时也会失去这“20头大象”提供的动力，轻则停滞，重则沉底！

为了管理这些“大象”，可以在船尾加入艉柱，让船尾逐渐收拢到艉柱上来，就可以很好的强化艉部结构，使得“大象的管理者” 船体本身更加牢固，能承受这些躁动。

可是艉部的轴承和密封装置还是没办法安装，也不能让轴承润滑和冷却，就好比“大象的管理者”手中只有一根“木棍”，不能使所有“大象纪律化”，所以这时艉部就需要加入艉轴管。

它可以加固这根“木棍”，让它变成“金箍棒”，这样就可以更好的训练这些“大象”不再躁动！

艉轴管

为了能够保证尾轴顺利穿出，艉轴管一般是用铸钢或铸铁做成的空心长管，用螺纹或者其他方式将一端固定在艉柱上，另一端固定在水密隔舱壁上。并且在两端分别装上轴承，让艉轴从艉轴管中穿过去，连接发动机和螺旋桨。

这样一来，这些“大象”就可以在轴承、艉轴管等部件组成的“金箍棒”的管理下，变得更加温和有纪律，更加顺从于“大象的管理者”，并且这样还不会改变船体结构。

至于轴承的冷却和润滑，有两种解决方案：第一种是用密封装置封住艉轴管的两端，再往艉轴管里加满滑油，实现油润滑的作用！第二种是只密封艉轴管链接艉柱的一端，让海水从螺旋桨端流进艉轴管，实现水润滑的作用。

我们通过艉柱和艉轴管等部件，加强了船体结构以后，还要面临一个重要的问题。

那就是如何能做到不让海水从尾轴渗进去！

大家都知道，船体需要水的浮力才能够不会下沉。所以船体本身的结构就是：由骨架和蒙皮组成的巨大的空腔，在水中停泊时，船体的一部分会在水面以下，其中便包括螺旋桨，那么要想让尾轴穿出船体连接发动机和螺旋桨，就必须研制出能够有效防水的尾轴密闭装置！

面对这个问题，尾轴的设计巧妙的借鉴了发动机的工作原理。一般的发动机的密闭空间主要由气缸盖、气缸和活塞构成，燃油通过一侧的气缸盖进入气缸，并在气缸中剧烈燃烧膨胀推动活塞做工，燃烧过后的废气再从另一侧的气缸盖排出去，不断重复这个过程！就是发动机可以通过燃油提供动力的原因。

活塞式发动机工作原理

重要的是活塞在运动时，气缸里面必须保持封闭环境 。一旦燃油“漏气”，就没办法推动活塞做功。这种在做功的同时保证其密闭性的设计和尾轴的作用非常相似！

我们可以发现，只有活塞比气缸内劲小才能来回运动，但如果太小的话又会漏气此时就要提到一个重要的结构——活塞环，它可以通过自身的弹性与气缸壁贴合，这样一来压缩气体就不能从环外圆和气缸内壁之间通过。当有部分压缩气体窜进活塞环的内槽时。活塞环的外环就会被撑大，活塞环和气缸内壁就会贴合的更紧，压缩气体就不可能逃得出去了！

活塞环

既然了解到了发动机气缸是如何实现封闭环境的，那我们接下来就来说，它将如何应用在尾轴的设计中。

最开始人们会采用一种简单粗暴的密封方式：填料密封！就是在需要密封的地方塞入油浸石棉绳等填料，然后用压盖把它压紧，让它跟尾轴紧紧的挨着，进而保证水不会渗进去！

但是这种填料密封有一些显而易见的缺陷：就是艉轴与填料之间压力太大，尾轴的磨损就会非常严重！并且很容易发热，所以现在的大型船舶基本都不会采用填料密封，更多会选择皮碗密封！

橡胶皮碗

皮碗密封通过用一种特殊的橡胶密封圈来达到密封作用，它的截面有点像字母“J”，一般利用水或者油与海水之间形成的压力差，使得橡胶密封圈能够紧压在轴衬套上。并且由于密封环唇口与轴衬套接触宽度很小！

初中学过：接触面积越小，压强越大！ 所以唇口接触处的压力很容易达到润滑油或者海水的几十倍！从而有效抵挡油或水沿轴渗入或渗出。皮碗密封的好处有很多，比如橡胶的弹性和跟随性好，能一定程度上抵御尾轴在运动中产生的各种振动！是现在最常使用的“辛泼莱克司密封装置”！

除此以外还有一种叫端面密封方式 ，这种密封性装置的结构，一般由动环与静环构成、顾名思义：动环会随艉轴转动而静环则静止不动。两个部件顺着尾轴接触密封。静环上还设有密封块，这些密封块依靠弹簧或者水压等压力作用，和动环紧紧挨在一起。从而达到密封效果!

这种断面密封装置的优点在于：安装方便摩擦小寿命长等！

但它的结构非常复杂，制造安装工艺要求很高，不太适用于民用船舶，反而能在军用舰艇实现更高价值！在尾轴穿出船体的问题上，设计者克服了其受力结构 与密闭性 这两大难题！

出现问题，解决问题！一向是我们在科技发展道路上的指路信仰，像袁隆平教授在全国挨饿时培育出的杂交水稻；又或者从“2G”信号到“5G”信号的不断进步，都是各个伟大的科学家们不断克服困难才为人们创造出的便利!

这就是科技的力量！

特别关注｜偏心轴承整体艉管安装定位工艺控制要点

轴系合理校中对大型轴系的正常运转和船舶安全可靠的航行至关重要，它是根据船舶轴系的实际结构，按照规定的约束条件，即规定的轴承负荷、应力和转角等允许范围，通过校中计算和现场安装工艺确定各轴承的合理位置，把轴系安装成规定的曲线状态，使各轴承的负荷分配均匀，支承截面上的弯矩和转角在允许范围内。现场安装工艺中，为确保轴系校中尽可能接近理论计算状态，水上阶段轴承斜率的精确定位尤为重要。结合现场建造检验经验，总结归纳出带斜率或抬高中心线的轴承(以下统称偏心轴承)在轴系水上定位安装的工艺要点。

1、 偏心轴承简介

大型轴系的重量带来的轴系扰度不可忽略，特别是艉轴后轴承位置，由于螺旋桨的额外重量，该处的弯曲一般比较大。为避免轴承局部比压过大，增加轴与轴承之间的有效接触面积，确保润滑油膜的有效建立，现在主流的做法是将轴承内孔中心线设计成带有一定斜率或者整体抬高一点，轴承外圆仍然与艉管同心(斜镗孔方式已不常见)。根据CCS船舶建造检验管理轴系课题组发布的艉轴承高温原因研究报告显示，由于镗孔压装或整体艉管定位偏差导致轴与轴承的相对倾角得不到有效保证是引起艉轴承高温最常见的原因，双斜率轴承和没有前轴承的轴系尤为敏感。

基于上述原因，《钢制海船入级规范》(以下简称规范)第3篇12.5.3.6条规定，在尾管后轴承支点处，螺旋桨轴与尾管后轴承的相对倾角，在静态下应不超过3.5×10-4 rad(约0.35mm/m)。以某13800DWT项目轴系为例，如下图1所示，按照批准的《轴系校中计算书》中简化的轴系支撑计算理论曲线图显示，尾轴在后轴承支撑点位置与水平的倾斜角大约为0.4mm/m(以下均简称)，如果采用常规轴承则超过规范要求。

图1 某13800DWT轴系简化支撑理论曲线图

厂家结合其他限制计算结果和成熟经验，最终确定艉轴后轴承中心线斜率为0.24mm/m，艉轴前轴承中心线抬高0.3mm，如下图2左右所示。因此理论上轴与后轴承之间的倾斜角降低为0.16mm/m，满足规范要求的轴与轴承静态下倾斜角不超过0.35mm/m。

图2 某13800DWT艉轴前后轴承内孔结构形式

2、 偏心轴承轴系的水上安装方法

按照CCS持证规则要求，艉轴承和艉管均需按照批准的图纸尺寸加工并持有产品证书，也就是说轴承内孔本身的偏心加工数据已经得到我社产品验船师的认可，作为建造现场的验船师，则需要保证轴承最终上船定位后其空间位置的准确性，即轴承内孔中心线与水平面之间的斜率值等于设计值。

目前船厂在水上主要采用两种轴系安装工艺：一是采用艉管定位并镗孔，船厂自己压装轴承的方式；二是采用先将轴承压入艉管，该过程由外包方进行，船厂仅对整体艉管进行环氧定位。根据规范第3篇12.5.5.4条要求：尾轴承压装完成后，应测量尾轴承处斜度，因此前者对船厂技术能力要求较高，主要难点为：镗孔精度要求较高，并需要考虑镗排扰度对轴承外圆和艉管内孔配合的精度影响；压装结束后，需要测量安装好的轴承相对水平面的斜率和抬高值，限于篇幅本文不再详述。后者相对简单，以13800DWT项目为例，船厂艉管和轴承打包给某厂家，艉管和轴承分别由CCS认可厂家生产并持证，该厂家完成轴承压装工作，并提供压装和测量过程的数据报告，船厂和建造验船师的主要工作就是怎样将艉管准确的定位在船上，定位工艺的控制要点将在下一节详述。

3、 偏心轴承整体艉管定位的工艺要点

首先，对于偏心轴承的整体艉管，验船师必须验证压装数据报告，若船厂无入库测量斜率的能力，验船师有权利要求见证厂家压装测量的全过程，确保艉轴承压入艉管之后不会因其外圆与艉管内孔配合的误差影响整体艉管的偏心值，做到过程监控无死角。如下图3所示，为13800DWT经验船师见证的厂家轴承压装测量数据报告。

图3 某13800DWT外协厂家轴承压装测量报告

其次，检查整体艉管的定位标记，正常情况会有4个TOP标记，分别在前轴承、艉管前轴承座、后轴承、艉管后轴承座上，这四个标记点理论上必须在同一面上，且该面通过艉管的中心线，如下图4所示，为13800DWT艉轴前轴承和前轴承座上的TOP标记。该标记主要有两个作用：一是确保前后轴承压装方向的准确性，防止前后轴承压装的相对位置出现周向旋转偏差；二是作为现场艉管周向定位使用，确保艉管在顺逆时针方向上的准确性。

图4 13800DWT艉管前轴承座及前轴承上的TOP标记

最后，艉管在船上的定位，确保轴承与水平方向的偏心值满足设计要求。偏心轴承的整体艉管的定位跟普通整体艉管的定位在基本工艺上是一致的，采用拉线、照光、拉线照光结合的方式都是可以的，相对来所照光方式更加准确，不同之处有两点：一是偏心轴承的整体艉管的定位是以轴承外圆或者艉管轴承座内圆为参考，让理论轴系中心线跟上述两者的中心线重合；二是偏心轴承艉管需要特别注意艉管周向的定位，通过旋转艉管的方式，最终需要让4个TOP标记点在12点钟方向。如下图5所示，13800DWT最终艉管定位后，其中艉轴承座的TOP标记的位置正好在12点方向。

图5 某13800DWT艉管定位后12点钟方向的TOP标记

4、 工艺的改进

偏心轴承整体艉管精确定位的难度就在于周向定位的准确性，如果不能够精确的保证轴承在周向的位置，则出现的直接后果就是轴与轴承之间的实际倾斜角不能达到理论要求，同时轴承的左右间隙可能出现严重不均的现象，后者尤为明显。从目前厂家采用的TOP定位标记来说，很难精确的将轴承定位在设计的理想位置，因为TOP标记由3个字母组成，现场验船师也只能通过肉眼观察的方式将其定位在12点钟方向。笔者通过思考，提出改进建议：船厂在与厂家进行技术协议签订的时候，要求厂家将TOP标记改为标记线，即在轴承和艉管端面分别做4根竖直的标记线，如下图6所示。现场在进行周向定位时，让艉管旋转到该标记线位于最上方且垂直水平面时，即可认为艉管周向上定位已经到位。船厂接受了笔者的建议，在后续船舶建造时采取了改进工艺，从测试的数据来看，后续船的轴承左右间隙在均匀性上得到了极大的改善。