推力軸承軸向剛度對船舶軸系振動響應的影響

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(武漢第二船舶研究所，武漢 430064)

推力軸承是軸系振動傳遞的重要途徑之一。它將動力裝置的功率傳給螺旋槳，也將螺旋槳產生的推力或拉力傳遞給船體，使得艦艇前進或后退，同時也將軸系振動傳遞到船體。由此可見，推力軸承結構參數的合理選取將直接影響軸系振動傳遞特性，也決定了艇體艉部輻射噪聲水平。影響推力軸承振動特性的主要參數有剛度和阻尼[1],它們直接影響軸系系統的振動特性，尤其是推力軸承的軸向剛度對船舶軸系縱振有重要的影響。本文采用ANSYS有限元軟件對某型艦船軸系進行相似建模，在計入螺旋槳激振力的條件下，研究軸系縱振通過推力軸承傳遞至船體結構的振動響應特性，探討推力軸承剛度對軸系縱振的影響并提出相應的減振降噪措施。

1 船舶軸系動力學模型

1.1 幾何模型的建立

據某型船舶結構特點，將螺旋槳軸、艉軸、推力軸和中間軸定義為三維梁單元Beam 188，并對彈性聯軸節根據其轉動慣量和質量進行等效處理。為滿足聯軸節外轂輪質量7 800 kg、轉動慣量6 500 kg·m2和懸掛力臂320 mm的要求，將其等效成直徑2.23 m、密度4 987.2 kg/m3的三維梁單元。支撐軸承采用Combine 14進行模擬，其中螺旋槳軸承的支點設在離螺旋槳尾端1/3L處(L為螺旋槳軸承長度)。螺旋槳建模時，將螺旋槳的質量加上附連水質量(螺旋槳質量附連水系數取1.15，極轉動慣量附連水系數取1.3 ，徑向轉動慣量附連水系數取1.6)，并簡化為集中質量單元Mass 21，集中質量直接加在螺旋槳的幾何中心位置。軸系的實體模型及單元劃分見圖1。

圖1 船舶軸系實體模型

1.2 推力軸承的剛度

推力軸承的剛度可分為徑向剛度和軸向剛度。前者為推力軸承支撐軸承剛度，而后者主要由推力軸承推力塊殼體軸向剛度以及推力塊與推力瓦間的油膜剛度組成[2]。本文主要分析后者，探討推力軸承軸向剛度對軸系振動的影響。

根據CB-Z337-84《船舶柴油機軸系縱振計算》要求：推力軸承的軸向剛度應通過實測確定。一般情況下取Kth=1.0～5.0 MN/mm。

由于對推力軸承的軸向剛度進行實測的工程量大，費用高，根據《船舶柴油機軸系縱振計算》要求，采用仿真計算方法，擴大軸向剛度取值范圍，通過分析計算，求得合適的推力軸承軸向剛度。

1.3 激振力分析

船舶軸系縱振主要由軸向交變作用力所致，其中螺旋槳的軸向激勵力是重要因素之一。螺旋槳工作時，除了產生扭振、橫振外，還會出現周期性變化的軸向激勵力，產生軸向振動(縱振)。螺旋槳軸向激振力主要包括軸頻激振力和葉頻激振力。其中軸頻激振力是由螺旋槳制造或安裝誤差導致機械不平衡或水動力不均勻所引起，其變化頻率等于軸的旋轉頻率；葉頻激振力是螺旋槳在不均勻伴流場中運行時，由作用在槳葉上的流體力引起的，其變化頻率為葉頻(槳葉數乘以軸的旋轉頻率)或倍葉頻(葉頻的整倍數)。當螺旋槳葉片數或其倍數與軸轉速的乘積等于軸系縱振固有頻率時，由螺旋槳引起的軸向激勵力就可能使軸系縱振振幅增大或減小，這取決于相位角[3]。在實際軸系中，考慮到螺旋槳的空泡特性，通常要保證其轉速較低，如該型船額定轉速為280 r/min，在該軸系工作轉速范圍內不大可能發生軸頻共振，即使有,軸頻激振力也相對較小，可以忽略。

根據螺旋槳在非均勻流場中運行時非定常力的計算，可以獲得額定轉速工況下螺旋槳的軸向、水平和垂直三個方向的激振力分別為6.5、0.5、0.3 kN。

可見，在額定轉速下，螺旋槳的軸向激振力遠大于水平和垂直方向的激振力，應重點研究其對軸系振動的影響。

2 推力軸承軸向剛度對軸系振動的影響

運用ANSYS 有限元軟件中的諧響應(Harmonic)分析模塊[4], 分別計算推力軸承不同軸向剛度下船舶推進軸系的動響應特性。

2.1 推力軸承軸向剛度對響應頻率的影響

推力軸承的軸向剛度對艦船殼體的水下聲場輻射有較大的影響。推力軸承軸向剛度變化會導致軸系縱振固有頻率的變化，進而影響到推力環處的軸向位移和剛度，改變作用在船體上的作用力與力矩，軸系電機端軸向位移響應見圖2。

圖2 軸系電機端軸向位移響應頻譜

由圖2可以看出，推力軸承軸向剛度越大，其振幅響應越小；各階諧響應振幅變化則很復雜，但對于船舶軸系而言，低階振動響應尤為重要。隨著軸向剛度的增大，其最大振幅所對應的頻率也隨之增大。由此，增加推力軸承的軸向剛度，能使得軸系共振頻率處于軸系正常運行范圍之外，振幅在某一范圍內逐漸減小，具有一定減振效果。

2.2 推力軸承剛度變化對軸系振動的影響

以下討論軸系軸向激振力頻率為60 Hz時，推力軸承剛度對軸系振動的影響，其中包括橫向振動(水平方向和垂直方向)、扭轉振動和軸向振動。軸系的橫向、扭轉和縱向的振動響應見圖3。

圖3 軸系振動響應

由圖3可見，軸向振動位移大約是橫向振動和扭轉振動的10倍，兩者相差一個數量級，這表明推力軸承軸向剛度對軸系橫向振動和扭轉振動影響小(見圖3a)、b)、c))，對縱向振動影響大(見圖3d))。推力軸承軸向剛度越大，在螺旋槳端附近的振動越小，在近電機端的振動越小，而推力軸承附近的振幅為零，出現轉折點。這說明增大推力軸承軸向剛度能有效地衰減軸系縱向振動從螺旋槳端向電機端、船體的傳遞，具有一定的減振降噪效果。

推力軸承節點的振動幅值為軸系縱振在推力軸承節點的響應值，同時也是軸系縱振對船體結構的激勵。軸系縱向振動在軸承節點處的振動幅值見表1。由表1可以看出，推力軸承軸向剛度越大，推力軸承節點的軸向振動響應越小，振動幅值下降。但剛度大于3.00×1010N/mm后，剛度增大，縱向振幅沒有明顯變化。

因此，為了減小軸系的縱振程度，應盡可能選取剛度大于3.00×1010N/mm的推力軸承。

表1 不同推力軸承軸向剛度下的縱向振幅 μm

3 結論

1)推力軸承軸向剛度越大，則縱向低階振動的諧響應振幅越小，但振幅變化趨于平緩。這說明提高推力軸承軸向剛度，能使得軸系共振頻率有效避開軸系工作頻率范圍。隨著推力軸承軸向剛度的增大，一階振幅逐漸降低，由此可見,增大軸向剛度具有一定減振的效果。

2)推力軸承軸向剛度對軸系縱振影響較大。軸向剛度越大，在螺旋槳端附近的振動越小，在近電機端的振動越小，在推力軸承附近出現轉折點。這說明增大推力軸承軸向剛度能有效地衰減振動從螺旋槳端向電機端、船體的傳遞, 降低噪聲輻射，具有較明顯的減振降噪效果。

3)為了減小軸系的縱振程度，應盡可能選取剛度大于3.00×1010N/mm的推力軸承。

[1] 王 濱.軸承剛度對船舶軸系振動特性的影響研究[J].齊齊哈爾大學學報,2009,25(6):55-60.

[2] 張金國,姚世衛,王 雋.法蘭盤式推力軸承推進軸系振動傳遞特性分析研究[J].噪聲與振動控制，2008(2):23-25.

[3] 何友聲,王國強.螺旋槳激振力[M].上海:上海交通大學出版社,1987.

[4] 尚曉江,邱 峰,趙海峰,等.ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用[M].北京:中國水利水電出版社,2008.