水潤(rùn)滑球面艉軸承振動(dòng)試驗(yàn)研究

，，

(1.中國(guó)船級(jí)社 武漢規(guī)范研究所,武漢 430022;2.泰州口岸船舶有限公司，江蘇 泰州 225321；3.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063)

艉軸承是船舶推進(jìn)軸系的關(guān)鍵部件，起著支撐艉軸的作用。軸系運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于螺旋槳的懸臂作用或軸系校中不良等因素的影響，導(dǎo)致艉軸承上的徑向壓力分配不均，出現(xiàn)局部過(guò)載，從而產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲，會(huì)嚴(yán)重影響船舶安全[1-3]。水潤(rùn)滑球面艉軸承由關(guān)節(jié)軸承與普通水潤(rùn)滑艉軸承組成，具有自調(diào)心功能。因此，用它來(lái)代替普通水潤(rùn)滑艉軸承，可以增加艉軸承接觸面積，減小艉軸承振動(dòng)。為了評(píng)價(jià)水潤(rùn)滑球面艉軸承的減振效果，在自行研制的艉軸承試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行球面艉軸承和普通艉軸承振動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)量和評(píng)價(jià)兩艉軸承的振動(dòng)特性與減振效果。

1 球面艉軸承

1.1 船舶水潤(rùn)滑球面艉軸承

水潤(rùn)滑球面艉軸承的調(diào)心功能取決于關(guān)節(jié)軸承。關(guān)節(jié)軸承是一種特殊結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)軸承，由一個(gè)有外球面的內(nèi)圈和一個(gè)有內(nèi)球面的外圈組成，外圈內(nèi)孔中安裝有普通水潤(rùn)滑艉軸承。由于關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈具有球面滑動(dòng)表面，因此球面艉軸承可在一定角度范圍內(nèi)作調(diào)心運(yùn)動(dòng)[4-5]。

水潤(rùn)滑球面艉軸承有兩對(duì)摩擦副，比普通水潤(rùn)滑軸承多一對(duì)。其內(nèi)圈的外球面與外圈的內(nèi)球面為一對(duì)，采用脂潤(rùn)滑；內(nèi)圈中的普通艉軸承與艉軸為一對(duì)，采用水潤(rùn)滑，見(jiàn)圖1。

圖1 球面艉軸承

球面艉軸承的主要技術(shù)性能如下。

1)傾角范圍為3°～15°。

2)允許的工作溫度主要由艉軸承滑動(dòng)面間配對(duì)的材料決定，一般均可在-30 ～ +80 ℃范圍內(nèi)使用，并能夠保持正常的承受能力。

3)在任何情況下，球面艉軸承所選用的配合均不得使套圈發(fā)生不均勻的變形，球面艉軸承配合和等級(jí)的選擇必須根據(jù)載荷大小、支承形式及軸承類(lèi)型等條件來(lái)決定。

4)裝配和拆卸時(shí)施加的拆裝力不能直接通過(guò)球形面來(lái)進(jìn)行傳遞，應(yīng)使用輔助性拆裝工具，如拆卸器、套筒等，把外界所施加的拆裝力直接、均勻地施于所配合的套圈上，或用加熱等其它輔助方法進(jìn)行無(wú)載荷裝卸。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)中設(shè)計(jì)了一對(duì)拆卸架，用以球面艉軸承的拆卸。

1.2 艉軸承試驗(yàn)臺(tái)

1.2.1 艉軸承試驗(yàn)臺(tái)組成

艉軸承試驗(yàn)臺(tái)主要由電機(jī)、調(diào)速器、軸系(推力軸、中間軸和艉軸)、軸承(推力軸承、中間軸承和球面艉軸承)、螺旋槳、軸承支架、壓力傳感器、試驗(yàn)臺(tái)底座和水箱等構(gòu)成，見(jiàn)圖2。

試驗(yàn)臺(tái)中軸系分為3段：推力軸、中間軸和艉軸。軸系的基本外徑25 mm，總長(zhǎng)875 mm。艉軸：外徑38 mm，內(nèi)徑15 mm，長(zhǎng)370 mm；中間軸：外徑 35 mm，長(zhǎng)100 mm；推力軸：外徑 35 mm，長(zhǎng)80 mm。

1.2.2 振動(dòng)信號(hào)采集

振動(dòng)信號(hào)的采集采用B&K公司的4508B型加速度傳感器。考慮將傳感器布置在試驗(yàn)臺(tái)艉軸承外殼上，因?yàn)轸狠S承與艉軸承外殼之間無(wú)減振阻尼材料，信號(hào)損失很小。選取艉軸承的橫向和垂向?yàn)檎駝?dòng)測(cè)試點(diǎn)，分別安裝加速度傳感器。

1.2.3 振動(dòng)信號(hào)的處理

振動(dòng)信號(hào)處理選擇PULSE 系統(tǒng),可以同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)、多通道、FFT、CPB、總級(jí)值等分析。PULSE 系統(tǒng)的平臺(tái)包括軟件和硬件兩個(gè)部分。

軟件部分是7700 型的平臺(tái)軟件及應(yīng)用軟件(7700 型分為7770 型FFT 分析與7771 型CPB 分析)。硬件部分是3560 B /C /D /E / LANXI 型的數(shù)據(jù)采集前端，前端中模塊能依據(jù)客戶(hù)的測(cè)量和分析選擇任務(wù)，但其中必須包含一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口模塊，如7536、7537或7539 型模塊。其中B 型前端(5通道)和LANXI 前端(6通道)是體積最小的便攜式機(jī)箱。

1.3 艉軸承振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)比

在艉軸承振動(dòng)試驗(yàn)中，在軸系轉(zhuǎn)速為120～750 r/min(線(xiàn)速度為0.24～1.49 m/s)時(shí)，分別測(cè)量球面艉軸承和普通艉軸承的垂向和橫向振動(dòng)。

1.3.1 低頻區(qū)間(10 ～ 200 Hz)

1)垂向振動(dòng)對(duì)比。

(1)在相同的轉(zhuǎn)速下，球面艉軸承的振動(dòng)幅值小于普通艉軸承，轉(zhuǎn)速越高，相差越大；

圖3 低頻區(qū)間垂向振動(dòng)對(duì)比

2)橫向振動(dòng)對(duì)比。

(1)在相同的轉(zhuǎn)速下，球面艉軸承的振動(dòng)幅值小于普通艉軸承,轉(zhuǎn)速越高，相差越大；

圖4 低頻區(qū)間橫向振動(dòng)對(duì)比

1.3.2 中頻區(qū)間(200～1 000 Hz)

1)垂向振動(dòng)對(duì)比。

(1)在相同轉(zhuǎn)速下，球面艉軸承振動(dòng)幅值小于普通艉軸承振動(dòng)幅值，且轉(zhuǎn)速越高，相差越大。

2)橫向振動(dòng)對(duì)比。

(1)在相同的轉(zhuǎn)速下，球面艉軸承的振動(dòng)幅值小于普通艉軸承，轉(zhuǎn)速越高，相差越大。

圖5 中頻區(qū)間垂向振動(dòng)對(duì)比

圖6 中頻區(qū)間橫向振動(dòng)對(duì)比

1.3.3 高頻區(qū)間(1 000 ～ 8 000 Hz)

1)垂向振動(dòng)對(duì)比。

(1)在相同轉(zhuǎn)速下，球面艉軸承的振動(dòng)幅值小于普通艉軸承振動(dòng)幅值，且轉(zhuǎn)速越高，相差越大。

2)橫向振動(dòng)對(duì)比。

(1)在相同轉(zhuǎn)速下，球面艉軸承振動(dòng)幅值小于普通艉軸承振動(dòng)幅值，轉(zhuǎn)速越高，相差越大。

(2)隨著轉(zhuǎn)速升高，普通艉軸承振動(dòng)幅值出現(xiàn)2個(gè)極大值點(diǎn)(W1、W2)，球面艉軸承振動(dòng)幅值出現(xiàn)了1個(gè)極大值點(diǎn)(W1′)。見(jiàn)圖8。

圖7 高頻區(qū)間垂向振動(dòng)對(duì)比

圖8 高頻區(qū)間橫向振動(dòng)對(duì)比

2 結(jié)論

1)在相同轉(zhuǎn)速下，球面艉軸承振動(dòng)幅值小于普通艉軸承振動(dòng)幅值，且轉(zhuǎn)速越高，相差越大。

2)隨著轉(zhuǎn)速增加，球面艉軸承優(yōu)于普通艉軸承的效果就更加明顯。

[1] 張 霞.水潤(rùn)滑軸承的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].裝備制造技術(shù).2008(1)：101-102.

[2] 溫玉奎．57 300DWT散貨船軸系校中研究[D].大連：海事大學(xué)，2007.

[3] 中華人民共和國(guó)船舶檢驗(yàn)局．船舶振動(dòng)控制指南[M].北京：人民交通出版社，2000.

[4] 魏穎春.基于有限元法的船舶艉軸承承載仿真研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.