調距槳內外油管支撐布置的優化研究

，，

(1.武漢船舶職業技術學院，武漢430050；2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

目前推進系統采用調距槳裝置在水面艦船上的應用越來越廣泛，隨著水面艦船的排水量、主機功率日趨增大，大功率調距槳裝置的結構研究也越來越深入。大功率調距槳裝置裝船必將增加軸系設計的復雜性。調距槳的內外同心油管是調距操縱的重要組成部分，因此在軸系設計中應確保軸系與內外油管在運行中不發生共振現象，所以對于內外油管的支撐布置必須進行優化研究[1]。

1 軸系振動分析

由于軸系內外油管在軸系內為剛性支撐，所以支撐油管的布置情況，直接影響了軸系的振動情況，而內外油管的振動與軸系在模型簡化上可認為是固定一體的。

軸系振動的主要影響因素是，螺旋槳軸上的附加動應力和船體艉部產生的結構振動時引起的軸系反作用力的動力放大。而軸系產生的振動往往會影響軸系的穩定運行。根據軸系計算模型簡化，通常螺旋槳被模擬成布置在無質量軸自由端的均質薄圓盤(螺旋槳盤面)，所以其固有頻率w為

(1)

式中：m——螺旋槳及其附連水的質量，kg；

G=(K/n-1)·Jd；

其中：K=JP/Jd;

JP——螺旋槳及其附連水的極慣性矩，

N·m2；

Jd——螺旋槳及其附連水的徑向慣性矩，

N·m2；

n——回旋振動階數，n=ω/Ω,對于逆回旋,n<0；

Ω——振動角速度(即軸的旋轉頻率)，rad/s；

δp、θp——螺旋槳盤面處受到單位力作用時，該盤面處的固定撓度(m/N)和轉角(rad/s)；

δm、θm——螺旋槳盤面處受到單位力矩作用時，該盤面處的固定撓度(m/N)和轉角(rad/s)；

其中這些影響因素參數δp,θp,δm,θm假定在所有半徑方位上是確定的常量[2-3]。

2 建立仿真模型

研究中采用有限元法對調距槳軸系旋轉振動進行數值仿真，所以必須建立調距槳軸系以及內外油管的有限元模型。內、外油管與軸同心布置，外油管在后端與槳轂內的活塞桿相連接，前端和主控制閥相連接，外油管支撐于軸系內孔中設置的支承座上，內油管支撐于外油管內孔設置的支承座上，在軸系運轉時，油管隨軸系同步轉動。為減小內、外油管相互影響，內油管支撐位置和外油管保持一致，因此在分析軸內油管時，為簡化模型，可將內、外油管簡化為一根油管，簡稱為軸系內油管。

油管屬于細長旋轉桿件和勻質細長桿件，根據簡單的細長桿件動力學原理，為保證桿件平穩和支撐受力均勻，油管各支撐距離應均勻布置，另外在油管支撐布置時，除考慮油管靜態支撐受力特性外，還必須考慮油管的動態振動特性。由于油管布置在軸內，隨軸同步轉動，因此油管的振動特性和軸系的振動特性相互影響，一方面軸系的振動通過支撐對油管產生影響，另一方面油管通過支撐施加到軸系上，對軸系的振動特性產生影響，因此在油管布置設計時，必須綜合考慮軸系振動特性和油管的振動特性，合理布置油管支撐，有效控制振動對油管和軸系產生的影響[4]。

為使油管各支撐受力盡量小，油管重力在軸系上的布置應盡量均勻，盡可能增加油管支撐數量。但油管支撐數量的增加增大了安裝工作量，因此為保證油管和軸系相互影響在可接受范圍內，支撐數量盡量少。

以某調距槳軸系為研究對象。軸系由螺旋槳軸、艉軸、中間軸、齒輪箱組成，總長約70 m，螺旋槳軸內外徑為400/770 mm，艉軸內外徑為400/660 mm，中間軸內外徑為400/600 mm。其中軸系內孔布置內外油管，方案一中油管支撐布置見圖1。

3 有限元仿真邊界條件

在研究軸系振動特性時，通常采用集總參數模型。此類型模型由三種基本元件組成：剛性均質圓盤元件、無慣量阻尼元件及無慣量扭轉彈簧元件。現在，也常采用集總參數元件與分布參數元件相結合的模型。軸承支撐則等效為剛度矩陣中的附加項，通過傳遞矩陣等方法，利用得出的剛度、質量矩陣求取軸系振動方程的特征值，得到結構的振動固有特性和響應特性。

有限元方法具有模型準確、計算精度高的特點，特別是對于調距槳的復雜軸系振動特性，通過定義不同的單元類型來實現結構振動特性的求解，可以準確地得到軸系的固有振動特性，因此本研究采用ANSYS有限元仿真進行分析。

在建立軸系有限元模型時，進行如下簡化。

1)忽略軸系中較小的倒角；

2)軸段之間的聯軸器和螺栓連接認為是剛性連接；

3)計算中軸承簡化為點支承，軸承簡化為彈簧單元(Combine14)；

4)簡化軸系內油管結構。

4 調距槳軸系固有振動頻率仿真

調距槳軸系固有振動頻率仿真見圖2～5。

圖2 軸系第一階振型

圖3 軸系第二階振型

圖4 軸系第三階振型

圖5 軸系第四階振型

由于葉片次共振頻率最高為16.7 Hz，而軸系第四階固有頻率達到19.6 Hz，因此分析中僅考慮軸系前三階固有頻率[5]。

5 內外油管支撐布置優化方案仿真

5.1 方案一

假定各中間軸內放置1個支撐，即在第一個中間軸中點處布置第一個支撐，在螺旋槳端軸系內每隔約10 m布置一個支撐，則根據布置長度需求，在螺旋槳軸和艉軸內放置2個支撐，則油管支撐一共有7個，對油管進行有限元仿真分析,見圖6～11。

圖6 油管第一階振型

圖7 油管第二階振型

圖8 油管第三階振型

圖9 油管第四階振型

圖10 油管第五階振型

圖11 油管第六階振型

由仿真結果分析可知油管與軸系固有頻率，其對比見表1。

表1 油管與軸系固有頻率對比 Hz

由表1可知：

1)油管第二階固有頻率與軸系第一階固有頻率相差約5%，可能產生共振；

2)油管第四階固有頻率與軸系第二階固有頻率相差約4%，可能產生共振；

3)油管第五階固有頻率與軸系第三階固有頻率相差約7%，可能產生共振。

由以上分析得出在軸系頻率分析范圍，油管可能與軸系產生共振，因此該油管支撐布置方案不可行。

5.2 方案二

假定各中間軸內放置2個支撐，即在第一個中間軸首端1/3處布置第一個支撐，向螺旋槳端軸系內每隔約6 m布置一個支撐，則根據布置長度需求，在螺旋槳軸和艉軸內必須放置3個支撐，則油管支撐一共12個。對方案二進行振動特性仿真計算，得出油管第一階固有頻率為34.5 Hz，仿真分析見圖12。

圖12 油管第一階振型圖(方案二)

由于油管第一階固有頻率為34.5 Hz，遠大于軸系前三階固有頻率，因此油管和軸系不會產生共振，因此該油管支撐布置方案可行[6-7]。

6 結論

分析以上計算結果可知，內外油管的支撐布置與軸系的振動頻率有密切關系。支撐位置越多，內外油管的固有頻率就越遠離軸系固有頻率；內外油管必須保證一定的柔度，以確保其在軸系內運行時能夠適應軸系的振動和外界的沖擊影響，保證調距槳調距機構的正常工作，完成調距功能。 通過油管支撐布置仿真方案對比，建議內外油管布置時應遵循以下原則。

1)軸系內油管支撐應盡量均勻布置；

2)在條件允許的情況下，應盡量合理地選取支撐點的數量；

3)油管支撐布置數量應根據軸系情況設定，應保證油管與軸系在運行過程中不會產生共振。

[1] 盛振邦，劉應中.船舶原理[M].上海：上海交通大學出版社，2004.

[2] 陳之炎.船舶推進軸系振動.[M].上海：上海交通大學出版社，1987.

[3] 馬運義，黃 白.船舶振動控制[M].大連：大連海運學院出版社，1992.

[4] 曾凡明，吳家明，龐之洋.船舶動力裝置原理[M].北京：國防工業出版社，2009.

[5] 高耀東，郭喜平.ANSYS機械工程應用25例[M].北京：電子工業出版社，2007.

[6] 小颯工作室.最新經典ANSYS及Workbench教程[M].北京：電子工業出版，2004.

[7] 盛和太，喻海良.ANSYS有限元原理與工程應用實例大全[M].北京：清華大學出版社，2006.