某型辅助船推力轴承故障研究与维修技术浅析

作者：王维信
（91329部队）

　　摘　要：文章根据推力轴承结构特点，剖析其工作原理，结合修理档案、故障记录，分析故障现象，严格排查故障因素，采取针对性维修方案和技术手段进行修理，使用验证可靠、有效。
　　某型辅助船中修试航时，推力轴承正车推力块合金层严重烧蚀。文章从分析其结构、工作原理入手，结合故障前后实际修理过程，对故障原因及修理技术要求进行分析研究。
　　1　基本情况
　　该船采用单机单桨，由一台8300C型柴油机作主机［Pe=441 kW （600 hp），Ne=450 r/min］，配合滑动式单环推力轴承推进。
　　1.1基本结构
　　该型推力轴承结构，由轴承座、轴承盖、推力环、推力块、扇形调节环、冷却盘管、支点轴承组成。推力块与推力环之间有轴向间隙S（推力轴承间隙）。推力块工作面上浇铸巴氏合金，背面有小块平面凸台3，其几何中心O2与推力块几何中心O1有一偏心距H（如图1所示），工作时绕承推棱MN偏转。

　　1.2工作原理
　　1）受力情况。工作起始瞬间，轴转速为零，
　　推力环、推力块、油膜未受力，状态如图2所示；随着转速增加，旋转的推力环将滑油带入楔形间隙中产生动力油压，如图3所示，推力环、推力块承受推力，油膜受轴向压力。

　　2）楔形油膜的建立。主机转速一定时，推力轴承工作于静载荷（大小、方向均恒定）条件下，液体摩擦状态（动力油膜）的建立主要取决于油膜的旋转效应即油楔作用。摩擦副之间建立油楔作用必满足3个条件：①温度、黏度适宜的润滑油；②足够的相对滑动速度；③可靠的楔形间隙。条件①和②容易满足，仅分析条件③的建立。如图3所示，推力环按箭头方向旋转时受推力作用而压向推力块，滑油对推力块的作用力P相对O2有偏心距H（图1），P对点O2构成力矩MP，使推力块以承推棱MN为轴偏转（支点即转移至承推棱中点C，偏心距减小为h， MP减小），迎转向边（进油边）间隙增大，顺转向逐渐减小；同时，滑油流经间隙作用在推力块表面的摩擦力F对支点C构成另一个力矩MF，MP与MF方向相反，当它们大小相等时，推力块倾角φ即稳定下来，形成稳定的楔形间隙，实现良好的液体润滑。
　　2　故障研究
　　2.1故障特征
　　拆检推力块，合金层严重烧蚀、刮擦，平均厚度小于0. 85mm，沿推力环转向造成许多不规则的沟痕，推力块边缘缝隙间有熔融的合金堆积；润滑油稀释、变暗，混有细碎的合金屑。
　　2.2故障过程分析
　　1）推力轴承试航档案温度记录（表1）。

　　2）分析说明（临界温度60℃）。
　　0-A区：转速低，动力油压相对较小，压力油膜不易形成，产生边界摩擦，温度升高较快。A-B-C区：转速升高，动力油压变大，油膜建立、实现液体润滑，温升率降低、温升趋缓。C-D1区：额定转速，负荷增加引发边界摩擦，磨损加剧，温升率骤增，温度骤升至临界点（60℃）。
　　D1-D2区：温度速升超过60℃，液体润滑失效———楔形油膜破坏，导致干摩擦，温升异常，合金层过热，导致软化、熔化，产生粘着磨损以致咬合，出现大面积沿推力环旋转方向被拖动、刮擦的沟痕，边缘出现合金熔化铺开、延展、堆积的宏观痕迹。大量合金磨屑、磨粒混入滑油，使之变浑浊、暗淡。
　　2.3故障原因分析
　　1）滑油质量差。取滑油化验分析，发现大量合金磨屑，闪点、黏度大幅下降。经查，码头系泊试车后更换滑油时，未排净冲洗油腔的柴油，后加的滑油被稀释。
　　2）装配间隙过小。按行业修理标准，对应D=180mm、Pe=441kW（600hp），应选修理装配间隙范围0.30~0.35mm，而实际修理装配间隙为0.22mm（修理档案记录）。
　　3）加工精度低。使油膜临界厚度hcr增大，易导致边界摩擦；相同负荷时，流经推力块表面的润滑油所受阻力f（逆转向，与F反向）增大，一方面带走热量的效率降低，摩擦副与滑油温升快，导致滑油黏度下降快（油质差时更严重），油膜形成和维持能力变差；另一方面使力矩MF增大，楔形间隙变小（图3），推力环旋转带入间隙的润滑油量减少、阻力增大，油膜变薄，油楔承载能力（即传递推力能力）降低，轴功率较大时油楔易被压溃失效，导致干磨，造成合金烧损故障。

　　3　维修改进
　　3.1润滑油质量控制
　　清洁油腔及推力轴承组件，确保润滑油洁净;检查，确保滑油适量、无漏泄、冷却有效。
　　3.2装配间隙控制
　　1）装配间隙选定。按行业修理标准，结合维修与使用经验，选取0.34mm为装配间隙。
　　2）静态、动态间隙修正。测量扇形调节环各处、各推力块本体厚度，用磨床修正均匀，使研装后静态时（图2）平均间隙与各推力块间隙误差Z小；修正各推力块、承推棱，使其形状、尺寸一致，动态时倾角φ相等、间隙均匀，均衡分担负荷，提高承载能力和工作可靠性。
　　3.3推力块研配
　　一是提高合金面粗糙度等级，减小滑油流动阻力、降低油膜临界厚度hcr；二是修正厚度，控制装配间隙；三是提高贴合面积，修正受力部位。
　　1）初研。浇铸合金切削加工，置于平板上用色油检查，刮研后接触点≥2个/cm²。
　　2）研配。初研后的推力块与推力环平面进行着色检查、复研，接触点≥5个/cm²。
　　3）润滑。如图4所示：①在合金面3（纵横轴长×宽=115mm×95mm）的中心位置开圆环形槽1（内径×外径×深度=38mm×42mm×2mm，合金层厚≥4.25mm），边缘倒圆角；②合金层边缘倒小圆角2；③滑油进口边缘倒大斜圆角，使润滑油进入足量、顺畅。

　　4）检测。①合金层粘合情况检查，用手锤轻敲推力块背面平面部位，声音清脆纯正，粘合紧密、可靠；②贴合面积检查，各推力块与推力环研配后，接触面积均不小于70%，且受力部位基本一致（见图5），保证负荷均衡，提高承载能力；③推力块厚度检查，于平台上用百分表测量：同一推力块不同部位厚度均匀，误差≤0.02mm；各推力块平均厚度，误差≤0.02mm；装配完毕，测得推力轴承总间隙为0.34mm，符合要求。

　　3.4试航
　　1）按规定程序要求试航，测试推力轴承工况（表2）。

　　2）分析说明:参照故障时试航情况（表1），作如下对比。
　　Q-Ⅰ区：对比O-A区，温升率明显下降（45.0%↓35.0%），表明修后推力块表面粗糙度等级提高，临界厚度hcr减小，润滑状况极大改善。
　　Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ区：对比A-B-C区，温升率降低，温度升高明显趋缓，表明动力油压变大，润滑良好。
　　Ⅲ-Ⅳ1区：对比C-D1区，额定负荷下工作，但温升率小、温度低，推力块与推力环间隙配合正常、动力油膜润滑良好。
　　Ⅳ1-Ⅳ2区：对比D1-D2区，额定负荷持续工作，温升率降低，温升速度更趋缓慢，对应工况温度更低，推力块与推力环工作配合趋于稳定。
　　Ⅳ2-Ⅳ3区：继续检验推力轴承额定工况下工作状态，温度保持基本恒定，推力块与推力环在额定负荷下实现良好配合、可靠工作。
　　4　结束语
　　经跟踪调查，该船出厂后推力轴承在额定负荷下曾多次连续工作78h以上，状态良好。该推力轴承结构简单，但维修技术要求高，故障告诫我们，维修工作必须精心组织、严格管理、科学施工，采取针对性措施，严格落实维修技术要求，才能达到维修目的，减少或者避免失误和损失，真正提高工作绩效。

来源：《中国修船》