船舶裝載工況對不同孔徑比軸系振動的影響

王　瑞，朱漢華,陳志堅，張喜勝

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063)

船舶裝載工況對不同孔徑比軸系振動的影響

王瑞，朱漢華,陳志堅，張喜勝

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063)

摘要：針對船舶裝載工況和軸系孔徑比不同所引起的軸系振動問題，以某型散貨船作為研究對象，運用ANSYS有限元法對船舶空載與滿載工況下的推進軸系振動進行模態(tài)分析，以此獲得軸系振動的固有頻率，并對船體變形引起不同孔徑比軸系振動固有頻率的差異進行仿真分析。結果表明，當軸系的孔徑比相同時，振動固有頻率的數(shù)值在滿載工況下比空載工況下大；當船舶裝載工況相同時，振動固有頻率的數(shù)值隨著軸系孔徑比的增大逐漸減小。

關鍵詞：船體變形；模態(tài)分析；振動；孔徑比；固有頻率

船舶推進軸系通過軸承-軸承座與船體相連，軸承的位置變化將直接影響軸系振動的固有頻率。由于在不同裝載工況下，船體會產生不同程度的較大變形，會引起軸承座相對位置的變化[1-2]。而隨著主機功率的增大，軸系剛度逐漸變大，特別是對艉機型船舶，其短粗軸系使軸剛度變得更大，軸承基座垂向位置的微小變化將對軸系振動產生較大影響[3]。隨著船舶大型化的發(fā)展，軸系的孔徑比不同，振動的固有頻率也會不同。因此，研究船舶不同裝載工況對不同孔徑比軸系振動影響的規(guī)律，對于保證船舶推進軸系正常工作和船舶航行安全具有重要的意義。國內外學者對軸系振動的研究多數(shù)是基于軸與軸承中心線平行，且在一條水平直線上進行的，不考慮船體變形和軸系孔徑比變化的影響[4-6]，這與大型船舶軸系的實際情況不符。為此以某型散貨船作為研究對象，運用ANSYS有限元法對船舶裝載工況和軸系孔徑比共同作用下引起的船舶軸系振動進行仿真分析，以此獲得軸系振動的固有頻率；并對船體變形引起不同孔徑比的軸系振動固有頻率的差異進行對比，分析船體變形對不同孔徑比軸系的振動固有頻率的影響問題。

1船體有限元模型

船舶在空載和滿載的情況下會發(fā)生船體變形，影響軸系振動的固有頻率。因此，有必要對全船進行模擬。以某大型散貨船為對象，該散貨船的主要參數(shù)：總長88.916 m，設計水線長86.4 m，型寬16.5 m，型深7.4 m，吃水5.7 m。散貨船的有限元模型見圖1。

圖1　散貨船體模型

在空載和滿載的工況下分別進行船體變形的模擬，把船舶上所有的機械重量，以均布載荷的形式施加在相應位置。取單元中心點的壓力作為整個單元的平均壓力，將貨物載荷和水載荷以平均壓力的形式分別作用在甲板和底板上[7-8]。模態(tài)分析時，為了防止船舶有剛性位移，對機艙的前橫艙壁做全約束。滿載情況下船舶的有限元受力模型見圖2。

圖2　船舶滿載情況的有限元受力模型

由圖2可見，在滿載工況下，因為船舶貨物重量的作用，船舶的中部比船艏和船艉的變形量要大得多。

2軸承位移量的確定

該船舶軸系的軸承由后艉軸承、前艉軸承和齒輪箱軸承組成，因為船舶變形對軸承的位移的影響很小，所以只考慮軸系的垂向位移。以前艉軸承為基準點，根據船體的變形量，可以求得后艉軸承、齒輪箱軸承和前艉軸承的相對位移，進而求得絕對變形量，見表1。軸系的絕對變形與相對變形分別見圖3和圖4。

表1　軸承的位移　mm

圖3　軸系垂向絕對變形

圖4　軸系垂向相對變形

由表1、圖3和圖4可見，滿載工況下的軸系變形較大，變形比較明顯，最大的絕對變形發(fā)生在后艉軸承處，絕對位移量為6.776 mm。在空載工況下，軸線絕對變形的變化比較平緩，最大的變形發(fā)生在齒輪箱軸承處，變形量為2.178 0 mm。這與實際情況相符，因為滿載工況時，受螺旋槳水動力的影響，后艉軸承的工作條件非常惡劣，后艉軸承的變形會增大，這對后艉軸承的有效接觸長度也有很大的影響。空載工況時，因為主機的重力作用，導致軸系的齒輪箱軸承處變形量很大。從以上的分析可以看出，滿載工況對軸系變形的影響最大。

3軸系振動的計算與分析

在workbench中建立軸系的有限元模型，采用如下原則。

1) 將螺旋槳簡化為圓盤，并且保證質量和轉動慣量的守恒。

2) 將軸系中的法蘭和聯(lián)軸節(jié)部分適當放大，目的是為了保證連接處的強度和剛度不變。

3) 支撐軸系的每個軸承，用3個等強度和等剛度的彈簧分別來模擬[10]。

參照圖4軸系垂向相對變形的數(shù)據，在ANSYS中分別建立船舶在空載和滿載工況下的軸系模型(見圖5)，分別求解船舶軸系的振動固有頻率。

圖5　某散貨船軸系有限元模型

該船舶軸系的參數(shù)為

螺旋槳直徑1 705 mm；

螺旋槳重量2 613 kg;

軸長8.512 m;

軸外徑380 mm。

處于直線狀態(tài)的軸系有限元模型如圖5所示。在大型船舶中，因為軸系孔徑比的取值范圍小于0.4[9],因此，將取孔徑比分別為0、0.05、0.15、0.25和0.35的軸系作為研究對象，分別求取軸系的振動固有頻率，見表2。

表2　軸系振動固有頻率

由表2可見，在不同的工況下，軸系振動固有頻率不同，而且變化很大。船舶工況對軸系的前2階的振動頻率影響比較大，在同一孔徑比的情況下，滿載工況的軸系振動固有頻率比空載工況的要大。同一工況下，隨著軸系內徑的增大，同一階軸系振動固有頻率逐漸減小。為了保證船舶推進軸系正常工作和船舶航行的安全，船舶啟動時，激勵頻率要快速越過軸系的振動固有頻率，避免發(fā)生共振。

3結論

1) 在推進軸系同一孔徑比的情況下，滿載工況的軸系振動固有頻率比空載工況的要大。在同一工況下，隨著軸系內徑的增大，同一階軸系振動固有頻率逐漸減小。

2) 滿載工況下的軸系變形較大，變形比較明顯，最大的絕對變形發(fā)生在后艉軸承處。在空載工況下，軸線絕對變形的變化比較平緩，最大的絕對變形發(fā)生在齒輪箱軸承處。

3) 提出的船舶裝載工況對不同孔徑比軸系振動固有頻率的求解方法和流程具有一定的通用性，但是軸系的變形量和軸系軸承的分布和船舶機械的分布有關，需要考慮具體的船型。

參考文獻

[1] LECH Murawski. Shaft line alignment analysis taking ship construction flexibility and deformation into consideration[J]. Marine structures,2005,18(1):62-84.

[2] 董恒建,張建軍.對軸系校中影響的船體變形研究[J].船舶工程,2009,31(增刊1):8-11.

[3] SCHULTEN P. The interaction between diesel engines, ship and propellers during manoevring[D]. Delft: Delft University,2005.

[4] 周春良.船舶軸系振動研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2006.

[5] JENZER J. Some vibration aspects of modern ship installations[M]. Winterthur: Wartsila NSD Switzerland Ltd,1997.

[6] 周春良,劉占生,鄭洪濤.軸承支承長度及間距對船舶軸系振動特性影響[J].船舶工程,2007,29(5):16-18.

[7] 李小軍.變剛度支撐對船舶軸系振動影響分析[J].中國修船，2015，28(3)：34-37.

[8] 卜鋒斌.柴油機氣缸熄火對軸系扭轉振動的影響[J].船舶工程，2015，37(1)：93-96.

[9] 中國船級社.鋼制海船入級規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2014.

[10] 鄒冬林.大變形下軸向力對船舶推進軸系彎曲固有頻率影響[J].振動與沖擊，2015，34(14)：20-21.

Influence of the Ship Loading Condition upon the Vibration of Different Aperture Ratio

WANG Rui, ZHU Han-hua, CHEN Zhi-jian, ZHANG Xi-sheng

(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Abstract:Aiming at the vibration problems caused by the ship loading condition and the aperture ratio of the shaft, a type of bulk cargo ship is used as the research object, and the finite element method is used to analyze the vibration of the shaft system under the condition of no-load and full load to obtain the natural frequency of the shafting vibration, the difference of the natural frequency of the different aperture ratio the shaft system of the ship hull deformation is simulated and analyzed. The numerical results show that the natural frequency of shaft system of the same aperture ratio under full load condition is larger than that of the no-load condition. Under the same working condition, the natural frequency decreases gradually with the increase of the pore diameter ratio.

Key words:hull deformation; modal analysis; vibration; aperture ratio; natural frequency

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.020

收稿日期：2015-11-02

基金項目：國家自然科學基金(51139005)

第一作者簡介：王瑞 (1989—)，男，碩士生 E-mail:1848237023@qq.com

中圖分類號：U664.21

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)03-0083-03

修回日期：2015-11-19

研究方向:船舶推進技術