某電力推進軸系校中不良狀態下響應分析＊

張 威 曾凡明 劉金林 蔡耀全

（1.91526部隊裝備部 湛江 524064）（2.海軍工程大學動力工程學院 武漢 430033）

某電力推進軸系校中不良狀態下響應分析＊

張 威1曾凡明2劉金林2蔡耀全2

（1.91526部隊裝備部 湛江 524064）（2.海軍工程大學動力工程學院 武漢 430033）

針對某電力推進軸系較短，且采用直線校中時由于磨損振動等原因造成軸系校中不良等問題，建立了該軸系有限元模型，進行了模態分析和直線校中。通過軸承變位模擬軸承磨損情況，計算分析了各軸承負荷情況，在此基礎之上，進一步分析了該軸系在不同轉速和螺旋槳激振力下軸系的振動響應，比較了各狀態下軸系截面應力，為該軸系在設計和運行時提供理論依據和實際指導，具有一定工程實際應用價值。

軸系校中；軸系振動響應；沖擊載荷

Class NumberU664.21

1 引言

由于某電力推進的軸系較短，在設計時直接采用直線校中的方法［1～2］。而軸系在運轉過程中，由于磨損振動等原因有可能導致軸系出現校中不良狀態，此時在螺旋槳受到激振力和脈沖載荷的作用下，軸系可能出現振動幅值加大、彎曲應力增大等不良運行狀態［3～5］。因此通過建立該軸系的數學模型，得到可靠的分析數據對于該軸系的研究有重要的意義。本文采用有限元法對該軸系不良校中狀態下的響應進行分析，得到了一些有益的結論。

2 直線校中分析

在ANSYS中建立該軸系有限元模型，為更符合實際的反映軸系特征，加入螺旋槳，將其簡化為圓盤，螺旋槳考慮為全浸水狀態，計及水的浮力［6～7］。并劃分網格，在網格劃分過程中對軸承等關鍵部位選擇較為密集的網格，共劃分為90個單元。對軸系進行直線校中，把推力軸末端看作簡支端，施加X、Y方向的約束，對艉軸前后軸承（2號、1號）作用點施加X、Y方向的約束，對推力軸承（3號）作用點施加X、Y、Z方向的約束，并考慮水和潤滑油的浮力作用后對該軸系進行靜力分析。經校中計算得其變形圖如圖1所示，表1為在直線狀態下三個軸承的支反力，表2為該軸系三個軸承負荷受力限制范圍。

圖1 軸系直線校中分析變形

表1 直線狀態下軸承支反力

表2 軸承負荷受力限制

從三個軸承的受力可以看出，艉軸后軸承由于螺旋槳的作用，受力最大，但仍在允許范圍內，相對而言，艉軸前軸承受力則較小。通過直線校中得出該軸系的軸承負荷影響系數，如表3所示。

表3 負荷影響系數（kN／mm）

從表中數據可以看出，軸承負荷影響系數數值是對稱的；在1、2號軸承不允許變位的情況下，3號軸承對1、2、3號軸承的影響力依次增大；在3號軸承正變位的情況下，將使1、3號軸承負荷增加，2號軸承負荷減小。

3 不同轉數時軸系響應分析

當軸系工作時，螺旋槳在水中運轉將產生周期性的激振力，轉速不同，激振力頻率也不同，當螺旋槳旋轉時產生的激振力頻率或倍葉頻激振力與軸系固有頻率相同時，軸系將產生共振，軸系在運轉時應防止這一現象的發生，以免造成嚴重損壞［8～10］。當軸系工作過程中不是直線狀態時，軸系運轉狀態將發生改變，軸的彎曲變形將引起軸內部應力的變化，軸承力也將隨之變化。首先對軸系進行模態分析，得到該軸系前三階固有頻率分別為23.92Hz、31.61Hz、60.95Hz。再次對該軸系進行動力響應分析：1）分析激振力頻率在0～70Hz范圍內時，軸系的響應情況；2）對于軸系處于不對中情況進行分析，在保持艉軸前后軸承位置不變的條件下，分析比較推力軸承在不變位、變位1mm及變位3mm情況下的響應，如圖2所示為在該情況下響應幅值最大的節點的響應。

圖2 軸系在不同轉速下的響應

從圖2中可以看出，當激振力的頻率在固有頻率附近時，該節點幅值明顯增大，軸系產生共振，前三階固有頻率的響應中第一階最大。當產生的激振力頻率在24Hz時，該節點的響應幅值為12.4mm，是激振力在11Hz時響應幅值（0.0393mm）的315倍，圖3～圖4所示為軸系在直線狀態下激振頻率分別為11Hz和24Hz時該截面所在節點應力分布，從圖中可以看出，在共振時的截面應力相對正常工作狀態下明顯增大，其最大值是正常工作狀態最大值的629倍。

圖3 直線狀態激振頻率11Hz截面應力分布

圖4 直線狀態激振頻率24Hz截面應力分布

該推進軸系的額定轉速為100rpm，當軸系在該轉速及以下速度運轉時，產生的葉頻激振力在0Hz～11.67Hz范圍內，從圖2可以看出，當軸系在這一速度范圍內工作時，軸系不產生共振，節點響應幅值保持在較低水平。軸系的最大轉速為211rpm，當軸系以這個速度運轉時，螺旋槳激振力葉頻為24.62Hz，正好在第一階固有頻率附近，這個時候將產生共振，所以軸系工作時應該盡量避開這一工作狀態。從圖2還可看出，當軸系不按直線校中時，在共振時的響應幅值將增大，而且隨著校中不良量的增大，響應幅值增大。在第一階共振頻率處，3mm變位時節點響應幅值比直線狀態增大了5mm。圖5～圖6為在1mm和3mm變位情況下節點處截面的應力分布，和圖4比較可以看出，在第一階共振時，隨著變位的增大，截面應力也隨著增大。

圖5 1mm變位激振頻率24Hz截面應力分布

圖6 3mm變位激振頻率24Hz截面應力分布

4 變位移情況下沖擊載荷作用的響應

當此螺旋槳在不均勻流場中受到沖擊載荷的作用時，軸系的運轉狀態會發生變化，軸承受力也會隨著沖擊載荷的作用而發生變化。

圖7 直線狀態艉軸后軸承響應力

圖8 變位狀態艉軸后軸承響應力

圖9 直線狀態艉軸前軸承響應力

圖10 變位狀態艉軸前軸承響應力

圖11 直線狀態推力軸承響應力

圖12 變位狀態推力軸承響應力

在這一過程中由于軸系在轉動過程中軸心線不是成一條直線，勢必會影響軸承負荷，對于較短軸系，相對剛度較大將加大位移變化對軸承受力的影響。為分析變位移情況，假設該軸系推力軸承產生1mm的變位，同時在螺旋槳上作用一個漸變的沖擊載荷，計算得圖7～圖12在推力軸承不同變位時沖擊載荷作用下各軸承力的響應情況。從圖7～圖12可以看出，當軸系推力軸承不發生變位的情況下受到沖擊載荷的作用時，各軸承受力將在不發生變位時軸承受力附近發生震蕩；當有變位移存在時，軸承負荷在初始階段將有強烈變化，然后逐步恢復到正常情況下的響應狀態。

5 結語

本文針對某推進軸系進行了校中計算，分析了該軸系在校中與校中不良兩種情況下受螺旋槳簡諧激振力作用及沖擊載荷作用時的響應，結果表明，當軸系在校中不良狀態下受螺旋槳激振力作用時，將增大共振時的響應幅值，并增大軸系內部的應力，當作用沖擊載荷時，校中不良將明顯增大軸承受力的變動幅值。通過分析計算為該軸系在設計和運行時提供理論依據和實際指導。

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Response Analysis of An Electric Propulsion ShaftingMisaligned

ZHANG Wei1ZENG Fanming2LIU Jinlin2CAI Yaoquan2
（1.Equipment Department，No.91526Troops of PLA，Zhanjiang 524064）（2.College of Naval Architecture and Marine Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033）

This effort aims at the problem of shafting misaligned which due to bearing wear and vibration in geometric alignment.The finite element model of the shafting is established for the calculation of modal and geometric alignment.Through the bearing deformation simulates the wear of bearing，the bearing load is calculated.On this basis，response of vibration for shafting at different speed and propeller force are further analyzed，and then the stress of shaft section for each state is compared.This effort provides theoretical basis and practical guidance in design and operation for shafting，which has a certain practical value.

shafting aligned，vibration response of shafting，impact loads

U664.21DOI：10.3969／j.issn.1672－9730.2015.11.037

2015年5月11日，

2015年6月30日

張威，男，碩士，高級工程師，研究方向：艦船動力裝置總體設計與系統分析。