海港28右舵槳輸入軸法蘭滑移故障分析
2023-09-01
作者：姜東?！碓矗簭团d船務技術設備
（版權歸原作者或機構所有）
1. 故障現象陳述
1.1 設備配置
主機：洋馬6N260-SN
舵槳：川崎KST-165ZF/A
1.2 故障現象
2018年4月13日，大管輪在做設備檢查時發現右舵槳輸入軸法蘭向外滑移，見下圖左右機對比，整個輸入軸法蘭幾乎要脫落狀態（如下圖）。
川崎KST-165ZF/A型舵槳輸入軸法蘭與輸入軸之間采用花鍵連接，通過壓板將法蘭緊緊壓在輸入軸上實現軸向定位（見下圖），輸入軸法蘭向外滑移也就意味著壓板螺栓發生了斷裂或脫落情況，需要進行拆檢。
通過輸入軸端拆檢發現，壓板螺栓保險完好，4根螺栓全部沿根部斷裂，沒有明顯拉升現象，呈疲勞斷裂狀（如下圖所示）。定心套上軸承鎖緊螺母松動。軸承內圈與定心套之間有明顯間隙（約0.15mm左右）。
2. 故障原因分析
2.1 全回轉拖輪軸系布置介紹
全回轉拖輪普遍采用Z形傳動舵槳，舵槳基座平臺一般都會高于主機基座平臺，舵槳輸入軸中心與主機曲軸中心亦不在同一軸線上，為了安全有效的進行動力傳輸，傳動軸系一般采用彈性聯軸器（主機飛輪側）——短軸——萬向軸——長軸——萬向軸——舵槳輸入軸的布置形式（如下圖所示），通過兩段萬向軸實現不同軸線上轉矩傳輸。
理論上只要輸入軸和輸出軸間夾角小于90°均可以通過萬向軸實現運動和力矩的傳遞。但受機械結構的限制，同時為了保證動力的高效傳輸，減輕萬向軸的磨損，實際應用中萬向軸的擺角（如下圖中θ1θ2）遠遠小于90°，川崎舵槳一般要求將萬向軸的擺角限制在6°以內，當然這個擺角越小越好。
海港28船舶出廠時萬向軸擺角為4.82°。由于這個擺角的存在，且萬向軸的兩邊法蘭軛的法蘭平面在轉動過程中保持軸向定位，在實際轉動過程中花鍵軛與套筒軛會產生軸向相對伸縮位移，擺角越大，相對伸縮位移也就越大，這也是全回轉拖輪萬向軸采用花鍵套筒連接方式的重要原因。也正是采是采用了花鍵套筒這種連接方式，正常情況下在軸系轉動過程中，萬向軸不會對與之相連的中間軸連接法蘭或舵槳輸入軸連接法蘭造成較大的牽拉或擠壓作用（除重力作用外）。
2.2 故障原因分析
本案右舵槳輸入軸法蘭壓板螺栓全部斷裂，斷口沒有任何拉伸頸縮現象，呈現疲勞斷裂狀。壓板螺栓怎么會疲勞呢，正常情況下壓板螺栓僅受預緊拉力作用，不存在疲勞應力。那么這個異常的疲勞應力來自于哪里？經過對萬向軸結構的仔細研究分析，我們認為萬向軸的花鍵套結構卡滯可能是引起這個異常疲勞應力的重要原因。經過詢問，船上大管輪也如實介紹了萬向軸的保養情況，船上每季度都會給萬向軸十字頭軸承及花鍵套筒機構加注潤滑脂，加注的方法都是采用牛油槍壓注新油擠出老油的方式。這種加注方式十字頭軸承來說沒有任何問題，但對于花鍵套筒來說可能是致命的錯誤，花鍵套筒機構會因為這種加注方式引起軸向相對伸縮位移受限，但實際轉動過程中，萬向軸花鍵套筒又不可避免的會產生這種軸向的伸縮位移。如今花鍵套筒內注滿了油脂，使其幾乎變成了一根剛性軸?原來套筒花鍵的軸向伸縮位移也就轉變成軸向拉壓交變應力，由于花鍵套筒軛與法蘭軛回轉中心不在同一軸線上，這個拉壓交變應力傳遞給與相連的舵槳輸入軸法蘭就可分解為輸入軸法蘭軸向的交變拉壓應力和徑向交變剪切應力，軸向的拉壓交變應力和徑向剪切應力使壓板螺栓產生疲勞斷裂，同時軸向的拉壓交變應力通過輸入軸法蘭、輸入軸、油封襯套、定心套傳遞給軸承及鎖緊螺母，導致軸承鎖緊螺母松動，軸承內圈與定心套、軸承外圈與滾子之間間隙增大。
3. 解決方法
問題已經找到，本案就是由于設備保養方式方法不正確導致的機損事件，經過對萬向軸的拆檢、清理，重新調整輸入軸端軸承位置并更換壓板螺栓后，完成修復工作。舵槳、軸系恢復正常運行。
4. 結束語
萬向軸作為全回轉拖輪動力傳輸重要部件，可靠性顯得尤為重要，如本案右舵槳輸入軸法蘭的滑移未能及時發現，一旦運行中發生完全滑出舵槳輸入軸花鍵齒嚙合區，將有可能造成機毀人傷的嚴重事故，為此對萬向軸的日常檢查和保養工作絕對不能馬虎。
對于拖輪普遍使用的中村自工19070型萬向軸，其十字頭軸承和花鍵齒套位置應定期加注潤滑脂，正常的加脂周期是9~12個月（軸轉速低于500RPM取上限，軸轉速高于500RPM取下限），禁止加注不同品牌規格的潤滑脂，也不允許潤滑脂里混有水份和灰塵等異物。加脂量要適應，十字頭軸承處加注至舊油全部被擠出看見新油為止（一般加脂量310cc），花鍵套/軸處加脂量需嚴格控制，萬萬不可將花鍵套內注滿油脂（一般加脂量320cc）
平時要注意對萬向軸的檢查，十字頭軸承蓋螺栓保險及緊固情況，法蘭軛法蘭緊固螺栓保險；運行時萬向軸有無異響，異響往往是由于十字頭軸承或花鍵套/軸異常磨損所致，一旦發現有異響情況，應立即停車對萬向軸進行檢查。
