这是一个在船舶动力、轮机工程和安全管理中非常核心的话题。船舶主机轴系负荷指的是从主机（发动机）到螺旋桨之间的传动轴系（包括推力轴、中间轴、尾轴等）在工作时所承受的各种力的综合，它直接关系到船舶的动力性、经济性、可靠性和安全性。
轴系负荷的组成
轴系负荷不是单一的力，而是多种复杂载荷的叠加,我们可以将其分解为以下几个主要部分：
（图片来源网络，侵删）
扭矩
- 来源：主机输出的功率通过曲轴、联轴器、传动轴传递给螺旋桨，使其旋转,这个传递过程在轴上产生的剪切应力就是扭矩。
- 特点：这是轴系传递动力的核心负荷，扭矩的大小直接取决于主机的功率和轴系的转速，扭矩在轴的横截面上产生剪切应力,是轴系强度计算的首要依据。
- 影响：扭矩过大会导致轴系发生扭转变形甚至扭断。
推力/拉力
- 来源：螺旋桨在水中旋转时，会产生一个向后推动船舶前进的力（推力），这个力通过整个轴系最终作用在主机的推力轴承上，当船舶倒航时,螺旋桨产生向前的拉力。
- 特点：这是轴向负荷，推力轴承的设计就是为了承受这个巨大的轴向力，并将其传递给船体，推力的大小与船舶的阻力、航速和螺旋桨的设计密切相关。
- 影响：过大的推力负荷会推坏推力轴承，严重时可能导致整个轴系向后窜动，影响齿轮箱（如果有的话）和主机曲轴的轴向定位。
弯曲力矩
- 来源：这是由轴系的自重、螺旋桨的重量以及轴系安装误差（不对中）引起的。
- 自重和螺旋桨重量：由于轴系很长且有一定的重量，会像一根横梁一样向下弯曲,产生弯曲应力。
- 不对中：这是最常见也最危险的弯曲力矩来源，当主机、中间轴承、尾轴管等中心线不在一条直线上时，轴系在旋转过程中会受到周期性的弯曲和剪切应力,产生巨大的附加载荷。
- 特点：弯曲力矩在轴的横截面上产生正应力（拉应力和压应力），不对中引起的弯曲是交变应力,是导致轴系疲劳断裂的主要原因。
- 影响：过大的弯曲力矩会导致轴系产生永久性弯曲、轴承异常磨损、振动和噪音加剧,最终可能导致轴系断裂。
振动力
- 来源：
- 主机激振力：主机（特别是二冲程柴油机）本身的往复运动部件会产生周期性的振动,通过机座传递给轴系。
- 螺旋桨激振力：螺旋桨在不均匀的船尾伴流场中工作，每转一圈，桨叶上的水动力会发生变化，产生周期性的激振力，如果螺旋桨叶片频率与轴系的固有频率重合，会发生共振,这是非常危险的。
- 轴系本身的临界转速：当轴系的转速达到其自身的固有频率时,会产生剧烈的扭转振动或横向振动。
- 特点：振动是动态负荷,具有高频和冲击性。
- 影响：持续的剧烈振动会加速轴承磨损、紧固件松动、轴系材料疲劳，甚至导致整个船体结构振动,影响船员舒适度和设备寿命。
瞬态冲击负荷
- 来源：在船舶航行中突发的、短时但极大的负荷。
- 主机紧急倒车：螺旋桨从正车最大推力瞬间变为倒车最大拉力,对轴系产生巨大的冲击。
- 螺旋桨打空（空转）后突然入水：船舶在风浪中航行，螺旋桨可能部分或全部离开水面，此时转速会急剧升高，当螺旋桨重新入水时，会瞬间吸收巨大扭矩,对轴系产生剧烈冲击。
- 冰区航行：螺旋桨与浮冰碰撞。
- 特点：负荷峰值极高,作用时间极短。
- 影响：虽然时间短，但巨大的冲击力可能导致轴系产生塑性变形、裂纹，甚至直接断裂,轴系必须有足够的冲击韧性。
轴系负荷的重要性与影响
正确理解和控制轴系负荷至关重要,其影响体现在以下几个方面：
- 船舶安全：轴系是船舶的“心脏”和“大动脉”，轴系负荷过大或控制不当是导致断轴、丢桨等恶性海损事故的直接原因,严重威胁船舶和人员安全。
- 设备可靠性：过大的负荷会加速轴系、轴承、密封件等部件的磨损和疲劳，缩短其使用寿命,增加维修成本和停航时间。
- 航行性能：轴系不对中或振动过大会导致主机功率无法有效传递，浪费燃油，降低航速,影响船舶的经济性。
- 船体结构：剧烈的轴系振动会通过轴承传递给船体，引起船体局部或整体的振动，影响船员居住舒适度,并可能损害船体结构和上层建筑。
轴系负荷的管理与控制
为了确保轴系安全、可靠、高效地运行,轮机管理人员必须对轴系负荷进行严格的管理和控制。
设计与安装阶段
- 精确计算：在船舶设计阶段，工程师会根据主机功率、航速、船体线型等参数，精确计算轴系在各种工况下的扭矩、推力和弯曲力矩，并据此选择合适的轴径、材料和轴承。
- 精确对中：这是安装阶段最关键的一步，必须使用激光对中仪等高精度工具，确保主机、中间轴承、尾轴管等所有部件的中心线严格对中,将初始不对中误差控制在极小范围内。
运行与监控阶段
- 日常检查与维护：
- 监测轴承温度：中间轴承、尾轴管轴承的温度是反映轴系负荷是否正常的重要指标,温度异常升高通常意味着润滑不良或负荷过大。
- 检查润滑系统：确保轴承有充足的、符合要求的润滑油,防止因缺油或油质不良导致干摩擦和过热。
- 检查轴系振动：通过机舱的振动监测系统或手持式测振仪，定期监测轴系的振动幅值和频率,及时发现异常。
- 操作规范：
- 平稳加速/减速：避免主机油门过快过猛,防止扭矩和推力急剧变化。
- 谨慎倒车：紧急倒车操作必须严格按照操作规程进行，必要时进行“脱排”操作,减轻对轴系的冲击。
- 避免螺旋桨打空：在风浪天气航行时，适当调整航速和航向,防止螺旋桨长时间空转。
- 状态监测与诊断：
- 扭振监测：对于大型船舶，通常会安装扭振监测仪，实时监控轴系的扭振情况,防止发生共振。
- 油液分析：对轴系系统的润滑油进行取样分析，通过检测金属磨粒含量,可以判断轴承和轴颈的磨损状况。
船舶主机轴系负荷是一个综合性的力学概念，它涵盖了扭矩、推力、弯曲力矩、振动和冲击等多种负荷，这些负荷相互作用，共同决定了轴系的工作状态，从设计、安装到日常运营，对轴系负荷的有效管理和控制，是保障船舶安全航行、提高运营效率和延长设备寿命的根本，对于轮机员而言，深刻理解这些负荷的来源和影响，并掌握相应的监控和维护技能,是其核心职责之一。
（图片来源网络，侵删）
