艦船推進軸系的螺旋槳激勵力傳遞特性

俞強，王磊，劉偉

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

艦船推進軸系的螺旋槳激勵力傳遞特性

俞強，王磊，劉偉

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

螺旋槳激勵力會通過軸系向各軸承基座傳遞，并激發船體結構產生振動聲輻射問題。為掌握螺旋槳不同方向激勵力通過軸系的傳遞規律，利用船舶推進軸系試驗臺，在軸系固有特性計算與測試的基礎上，測試分析螺旋槳水平、垂向與縱向激勵力通過軸系向3個軸承基座的傳遞特性。結果表明：單方向激勵力作用下，軸系會產生不同方向的耦合振動，并在基座處產生3個方向的振動，其中軸系振動固有頻率有明顯體現；不同方向的激勵力傳遞路徑不同，水平激勵在艉軸后軸承基座處產生較大水平振動，垂向激勵在艉軸后軸承和推力軸承基座處產生較大垂向振動，縱向激勵在推力軸承基座處產生較大縱向振動，螺旋槳激勵力通過軸系向艉軸前軸承基座的傳遞相對較弱；與垂向激勵相比，水平激勵會在3個軸承基座處產生更大的振動響應。

軸系；螺旋槳；振動；激勵力；軸承基座；傳遞特性

0 引 言

螺旋槳是艦船艉部主要噪聲源之一，其旋轉時與海水作用會產生振動，這種振動一方面直接向水中輻射噪聲，另一方面螺旋槳激勵力通過軸系傳遞到基座與船體，引起船體結構振動，產生輻射噪聲。因此，研究螺旋槳激勵力通過軸系向船體的傳遞特性具有重要意義。

在潛艇艉部振動控制這一工程實際問題的牽引下，自上世紀40年代，美國開展了軸系振動與螺旋槳激勵艇體振動的研究［1-3］，并于上世紀80年代進行了主動與半主動控制技術研究［4-6］，研制的軸系振動控制裝置已應用于實艇。英國的研究基本同步于美國，起步于上世紀40年代并于60年代開展了軸系縱振共振調整器（RC）的研究［7］。近年來，澳大利亞新南威爾士大學與西澳大利亞大學的Pan和Dylejko，Merz等［8-12］在螺旋槳激勵船體振動理論分析與控制裝置研制方面開展了卓有成效的研究工作。國內在螺旋槳激勵軸系與船體振動方面的研究起步較晚，但進展較快，其中曾革委等［13-24］對艦船艉部縱向激勵力傳遞特性、振動響應、槳—軸—艇系統振動控制等進行了研究，并提出了主、被動控制措施。上述研究關注的重點是槳—軸系統的縱向振動對艉部聲輻射的影響，但對螺旋槳縱向、橫向激勵力沿軸系向基座的傳遞規律這一問題缺乏直接性的研究，而該問題也是開展艦船軸系與船體基座聲學設計需突破的難點之一。

本文的研究將基于本單位推進技術實驗室軸系試驗臺架，通過在螺旋槳部位施加激勵，測試其在各軸承基座處產生的振動響應信號，同時進行軸系固有特性計算與測試以剔除基座振動的影響，分析螺旋槳激勵力沿軸系的傳遞規律。

1 試驗研究方法

本研究采用的推進軸系試驗臺架總長約17 m，由電機驅動，設置有彈性聯軸器、中間軸承、推力軸承、艉軸軸承和軸段等，是一種通用的船舶軸系試驗臺架，具有一定的普遍性。軸系試驗臺架布置圖如圖1所示。

圖1 試驗臺架布置簡圖Fig.1 Layout of the test rig

為排除軸系旋轉時的軸承摩擦振動和電動機、輔機運行產生的振動干擾，試驗采用靜態錘擊法，即在軸系靜止狀態下，在螺旋槳部位采用錘擊方式模擬寬帶激勵，軸承基座上布置振動傳感器，以獲取軸承基座的三向振動。考慮到電動機采用了減振器和彈性聯軸器等隔振措施，中間軸承基座與推力軸承基座在一個公共基座上，故在電動機基座和中間軸承基座處不設置振動測點，在艉軸后軸承、艉軸前軸承和推力軸承3個基座上分別設置9個單向振動傳感器，分別拾取基座在螺旋槳模擬激勵力作用下的振動響應信號。同時，結合臺架軸系固有頻率與振型計算、測試結果，分析螺旋槳激勵沿軸系向船體基座的傳遞規律。

2 軸系固有振動特性識別

設備基座上測量得到的振動信號是軸系—基座系統振動特性的體現，與軸系參數、基座參數密切相關，為剔除基座參數對軸系傳遞特性的影響，關注軸系自身的傳遞特性問題，有必要對軸系固有振動特性進行分析，以識別振動測量信號，排除基座振動特性對所研究問題的影響。

2.1 軸系固有頻率理論計算

根據試驗臺架軸系參數，采用有限元方法建立計算模型，將軸系簡化為具有環形截面的階梯連續梁系統。每一梁段分配獨立的幾何特性和材料參數，用慣性元件（包含質量和轉動慣量）或者嵌入式彈性聯接（如聯軸器）等元件模擬梁段之間的聯接關系。對于螺旋槳，將其簡化為具有質量和轉動慣量的剛性元件，忽略槳葉的彈性作用。用線性剛度、阻尼特性描述軸承的支承特征，由彈簧質量系統建模，并將軸承支承載荷分別等效至各接觸點。軸系在彈性聯軸器處斷開，只保留彈性聯軸器的從動端，并將其簡化為具有質量和轉動慣量的剛性元件。通過以上步驟，將軸系簡化為如圖2所示的計算模型。其中螺旋槳、彈性聯軸器和電動機采用集中質量單元處理，軸承與軸系用彈簧單元連接，軸段用梁單元處理，建立的有限元模型如圖3所示。

圖2 軸系計算模型Fig.2 Calculation model of the shafting

圖3 軸系計算有限元模型Fig.3 FE model of the shafting

考慮到低頻振動是軸系振動關心的重點，取100 Hz以下計算結果，水平和垂向前5階、縱向前2階計算頻率如表1所示。

表1 軸系振動固有頻率計算值Tab.1 Natural frequencies calculated values of shafting vibrations

2.2 軸系固有頻率與振型測試

為驗證計算結果的準確性，對試驗臺架的軸系進行固有頻率和振型測量。測試采用傳感器在固定位置拾振，通過移動錘擊法獲取模態參數。拾振位置根據模態計算結果進行選擇，避免靠近振型節點。根據理論計算結果，軸系水平和垂向模態參數測量在螺旋槳、艉軸和推力中間軸3個位置同時進行拾振，從螺旋槳到中間軸不同軸段部位（共16處）分別進行水平和垂向錘擊，獲取頻響函數，然后使用時域最小二乘復指數法進行模態參數辨識。受現場條件測點和錘擊點的限制，軸系縱向僅測量固有頻率，不測量縱向振型，縱向錘擊點設置在推力軸后法蘭處，拾振點位置不變。

對比軸系振動固有頻率測試與理論計算結果，發現其前5階（100 Hz以內）的最大誤差約為5%，具體如表2所示。

表2 軸系振動固有頻率測量值及差值Tab.2 Natural frequencies measured values of shafting vibrations and the D-values comparing to calculated values

軸系水平和垂向振型對比如圖4和圖5所示。從圖中可以看出，理論計算振型與實測結果基本相同，軸系水平和垂向振動振型相似，1，2階振動以艉軸振動為主。

圖4 軸系水平振動前5階振型Fig.4 First five orders lateral vibration modes in horizontal direction

圖5 軸系垂向振動前5階振型Fig.5 First five orders lateral vibration modes in vertical direction

通過理論計算與試驗測試，獲得了試驗臺架軸系固有振動頻率和振型，可為傳遞特性分析奠定基礎。

3 螺旋槳激勵力傳遞特性測試分析

在軸系試驗臺架螺旋槳部位沿水平、垂向、縱向3個方向分別施加沖擊激勵，同時測量3個軸承基座的振動響應，研究螺旋槳部位3個不同方向激勵力通過軸系向基座的傳遞特性。

3.1 水平激勵力傳遞測試分析

在螺旋槳部位施加水平激勵，艉軸前軸承基座、艉軸后軸承基座和推力軸承基座處3個方向的傳遞特性如圖6所示（圖中，g/N表示重力加速度每牛頓）。從圖中可以看出，螺旋槳水平激勵條件下軸系的傳遞特性有以下特點：

1）所有軸承部位都產生3個方向的振動，其中水平和縱向振動較為強烈，垂向振動相對較弱。

2）基座水平振動在10～60 Hz范圍，艉軸后軸承基座位置在軸系水平固有頻率16.6，51.7 Hz附近振動較大，在60～100 Hz范圍，3個基座的振動相當。

圖6 水平激勵下振動傳遞Fig.6 Vibration transmissibility at horizontal impulse excitation

3）基座垂向振動中，推力軸承和艉軸前軸承基座部位的振動高于艉軸后軸承基座。

4）總體上看，基座振動最大峰值點出現在約95 Hz處，該峰值點在3個基座的3個方向振動上都有體現，說明該峰值頻率是基座固有頻率的可能性較小，應是軸系固有頻率，該頻率與軸系第8階水平振動固有頻率（94.8 Hz）接近。

5）水平激勵力在基座處產生的縱向和垂向振動峰值頻率體現了軸系水平固有振動頻率，如16.6，51.7 Hz比較明顯，說明軸系振動以水平彎曲振動特征為主。

3.2 垂向激勵力傳遞測試

在螺旋槳部位進行垂向激勵，艉軸前軸承基座、艉軸后軸承基座和推力軸承基座處3個方向的傳遞特性如圖7所示。從圖中可以看出，螺旋槳垂向激勵條件下沿軸系的傳遞特性有以下特點：

1）所有軸承部位都產生3個方向的振動。

2）基座垂向振動中，艉軸后軸承與推力軸承基座的振動較大，艉軸前軸承的較小。

圖7 垂向激勵下振動傳遞Fig.7 Vibration transmissibility at vertical impulse excitation

3）總體上看，基座振動最大峰值點出現在約89 Hz處，與軸系第5階垂向固有振動頻率接近。

4）垂向激勵力在基座處產生的水平和垂向振動峰值頻率與軸系垂向固有振動頻率較為接近。

3.3 縱向激勵力傳遞測試

在螺旋槳部位進行縱向激勵，艉軸前軸承基座、艉軸后軸承基座和推力軸承基座處3個方向的傳遞特性如圖8所示。可以看出，螺旋槳部位縱向激勵條件下軸系的傳遞特性有以下特點：

圖8 縱向激勵下振動傳遞Fig.8 Vibration transmissibility at longitudinal impulse excitation

1）所有軸承部位都產生3個方向的振動。

2）基座振動中，縱向振動高于水平振動和垂向振動，其中推力軸承基座縱向振動最大。

3）3個基座的水平振動與垂向振動相似。

4）縱向振動中，基座振動峰值點出現在39，87 Hz附近，與軸系第1，2階縱向固有振動頻率接近。

5）在水平振動和垂向振動中，基座振動峰值點出現在39，63，87和90 Hz附近，與軸系縱向和垂向固有振動頻率接近，說明縱向激勵會激發軸系彎曲振動。

4 結 論

本文針對螺旋槳激勵力通過軸系向船體基座的傳遞問題，利用船舶推進軸系試驗臺架，測試了不同方向螺旋槳激勵力沿軸系傳遞后在各基座產生的三向振動響應，結合軸系固有特性計算與測試結果，分析了螺旋槳激勵力的傳遞特性。研究表明：

1）單方向的激勵力會在基座處產生3個方向的振動。單向激勵條件下，基座處振動響應會明顯體現出與激勵力相同方向的軸系振動固有頻率，并占據主導地位，同時還會體現其他方向的軸系振動固有頻率，說明在單向激勵作用下，軸系會產生不同方向的耦合振動。

2）水平激勵、垂向激勵和縱向激勵會在基座各自相應方向上產生較為強烈的振動，但各基座的振動響應有所區別。水平激勵在艉軸后軸承基座處產生較大水平振動，垂向激勵在艉軸后軸承和推力軸承基座處產生較大垂向振動，縱向激勵在推力軸承基座處產生較大縱向振動，說明不同方向激勵的傳遞路徑有所不同，同時也表明螺旋槳部位激勵通過軸系傳遞到艉軸前軸承基座相對較弱。

3）水平激勵相對于垂向激勵會在3個軸承基座處產生更大的振動響應。

本文的研究以大尺度艦船推進軸系模擬試驗臺架為對象進行，但考慮到不同推進軸系在配置與結構尺寸上會有所差異，因此，研究結果在具體的數值上會因推進軸系的不同而變化，但并不影響結論的適用性。此外，本文的研究是在軸系靜態條件下進行，未考慮軸系運轉時軸承潤滑膜的剛度與阻尼效應，后續將針對該問題開展研究。

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［責任編輯：喻菁］

Transmission characteristics of propeller excitation for naval marine propulsion shafting

YU Qiang，WANG Lei，LIU Wei
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The propeller excitation transferred through shafting to the bearing bases will induce structural vibration of the ship.To obtain the transmission laws of the propeller excitation in different directions,the transmission characteristics of the propeller excitation in the horizontal direction,vertical direction,and longitudinal direction through shafting to bearing bases are studied based on the shafting natural vibration calculation and the measurement from a general marine propulsion shafting test rig.The research results show that the exciting force applied at the propeller in any direction could induce shafting coupled vibra?tion in different directions and structural vibrations in three directions at the bearing bases;the transmis?sion paths differ in directions,with the exciting force in the horizontal direction arousing greater vibration at the aft stern bearing base horizontally,the exciting force in the vertical direction arousing greater vibra?tion at the aft stern bearing base and the thrust bearing base vertically,and the exciting force in the longitu?dinal direction arousing greater vibration at the thrust bearing base longitudinally.Moreover,the transmis?sion of propeller exciting force to the forward stern bearing base is relatively weak,and the excitation in the horizontal direction induces greater vibratory response compared to that in the vertical direction.

shafting；propeller；vibration；exciting force；bearing base；transmission characteristic

U664.3

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.06.012

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151110.1026.026.html期刊網址：www.ship-research.com

俞強，王磊，劉偉.艦船推進軸系的螺旋槳激勵力傳遞特性［J］.中國艦船研究，2015，10（6）：81-86，94. YU Qiang，WANG Lei，LIU Wei.Transmission characteristics of propeller excitation for naval marine propulsion shafting［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（6）：81-86，94.

2015-04-21 < class="emphasis_bold"> 網絡出版時間：

時間：2015-11-10 10:26

國家部委基金資助項目

俞強（通信作者），男，1969年生，碩士，高級工程師。研究方向：艦船推進系統研究與設計王磊，男，1985年生，碩士，工程師。研究方向：艦船推進系統研究與設計。E-mail：wanglei626@126.com