某型工作船軸系振動特性及響應(yīng)分析

蘇朝君，李　梓，徐逸然

(中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031)

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某型工作船軸系振動特性及響應(yīng)分析

蘇朝君，李梓，徐逸然

(中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031)

為了評估某工作船軸系軸承參數(shù)變化對振動特性的影響，利用有限元軟件進行軸系建模、模態(tài)和諧響應(yīng)計算，分析推力軸承縱向剛度、后艉軸承支撐剛度和位置變化對固有頻率的影響，并計算軸系的振動響應(yīng)。結(jié)果表明，推力軸承縱向剛度主要影響軸系縱向固有特性，后艉軸承剛度影響中、高階固有頻率，后艉軸承位置影響低、中、高階固有頻率，軸系在激振力作用下后艉軸承處位移最大；建議在軸系設(shè)計中優(yōu)化軸承參數(shù)，降低軸系異常振動風(fēng)險。

船舶推進軸系；有限元分析；振動特性；激振力；振動響應(yīng)

船舶螺旋槳推進軸系是實現(xiàn)發(fā)動機與螺旋槳的能量傳遞，同時又是傳遞螺旋槳推進力的重要部件。當(dāng)軸系受到發(fā)動機或螺旋槳等受功部件的激振力作用下會出現(xiàn)振動，若軸系設(shè)計不合理將產(chǎn)生異常振動，導(dǎo)致機械故障及船體異常振動[1]。目前國內(nèi)船舶推進軸系設(shè)計時主要使用基于霍爾茨法(Holzer)或傳遞矩陣法發(fā)展起來的方法進行軸系振動特性分析，其計算結(jié)果精度一般不高，在計算結(jié)果滿足規(guī)范要求的情況下，船舶推進軸系還是時常出現(xiàn)異常振動的情況。以某型工作船軸系設(shè)計為工程背景，引入有限元方法分析軸承參數(shù)變化對軸系固有頻率的影響及軸系在激勵的響應(yīng)情況，探討軸系振動控制設(shè)計的注意事項。

1　某型工作船推進軸系簡介

所述工作船為國家統(tǒng)一規(guī)劃建造的系列新型船舶，主推進系統(tǒng)為雙機雙槳，中速柴油機通過高彈性聯(lián)軸器與齒輪箱輸入軸連接，齒輪箱為單輸入雙輸出形式。通過減速齒輪箱后主輸出通過唱軸系帶動螺旋槳，左右兩舷齒輪箱PTO輸出分別通過高彈性聯(lián)軸器帶動消防泵和軸帶發(fā)電機。該船主推進系統(tǒng)簡圖見圖1。

圖1　某工作船主推進系統(tǒng)組成示意

因該船軸系較為細長且螺旋槳通過人字架支撐遠離船體，艉軸支撐結(jié)構(gòu)較弱，導(dǎo)致軸系容易受到外界激振力的影響產(chǎn)生異常軸系振動，故在軸系設(shè)計階段就需要進行振動特性及相應(yīng)情況分析。

該型工作船螺旋槳軸系的主要部件有：螺旋槳、螺旋槳軸、中間軸、推力軸，以及軸承等。軸系振動主要激勵源有發(fā)動機激振力、齒輪箱激振力和螺旋槳激振力。而其中的螺旋槳激振力主要產(chǎn)生原因為螺旋槳在船艉不均勻流場中運行，產(chǎn)生不均勻的推力、交變旋轉(zhuǎn)力矩和交變彎曲力矩，構(gòu)成船舶艉部的主要擾動源，故本文著重考慮螺旋槳激振力，對軸系進行振動響應(yīng)分析。

2　推進軸系模態(tài)分析

2.1三維建模

利用ANSYS該軟件進行軸系振動特性分析。工作船軸系支撐軸承都為滑動軸承。描述滑動軸承的重要參數(shù)有軸承剛度和阻尼，軸承剛度和阻尼直接影響著軸系系統(tǒng)的振動響應(yīng)特性[2]。將工作船軸系支撐簡化，見圖2。

圖2　工作船軸系支撐示意

軸系有限元建模除需軸系各部分尺寸、軸承支撐位置和螺旋槳參數(shù)外，尚需要考慮軸承座剛度、油膜剛度、船體剛度、螺旋槳附水質(zhì)量等，通常這些數(shù)據(jù)難以計算或測量，故計算時常以母型船或經(jīng)驗值代替。將每個滑動軸承支承上的上述各參數(shù)以等效彈簧替代。中間軸承支持結(jié)構(gòu)較強，可取得大一些，后艉軸承和中艉軸承通過人字架支撐遠離船體，剛度需要取得小一些[3]。推力軸承主要承受軸系正倒車推力，一般船舶設(shè)計時推力軸承結(jié)構(gòu)有所加強，故推力軸承縱向剛度取大一些。根據(jù)工作船情況本文對各支撐軸承等效彈簧剛度取值見表1。

表1　等效彈簧剛度取值

根據(jù)軸系外形和螺旋槳尺寸參數(shù)，對軸系采用三維實體SOLIDE185單元進行網(wǎng)格劃分。支撐滑動軸承采用Combine14進行模擬，其中后艉軸承的支點建模時設(shè)在軸承軸承長度靠船艉1/3處，其他軸承支點選在軸承中心位置[4]。螺旋槳建模時將其等效為一個與螺旋槳質(zhì)量與轉(zhuǎn)動慣量相等的圓盤，并加上附水質(zhì)量(螺旋槳質(zhì)量附水系數(shù)取1.3)。軸系的有限元模型見圖3。

圖3　軸系有限元模型

2.2模態(tài)計算結(jié)果

計算軸系前10階模態(tài)固有頻率，見表2。

從ANSYS后處理器觀察動態(tài)振型圖可以看出，第1階振型主要是扭振振型為主，第2～7階主要為橫振振型為主，第8階以縱向振動振型為主，第9、10階同時存在橫向與縱向振動振型。

表2　螺旋槳推進軸系前10階模態(tài)固有頻率

3　軸承參數(shù)變化對軸系振動特性影響

3.1推力軸承支承剛度

推力軸承將螺旋槳產(chǎn)生的推力或拉力傳遞給船體，與此同時也將齒輪箱和螺旋槳激振力傳遞到船體，是軸系振動傳遞的重要節(jié)點之一。由此可見，推力軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理選取將直接影響軸系振動傳遞特性，也影響了船舶艉部結(jié)構(gòu)振動水平[5]。通過軟件模擬不同推力軸承縱向剛度對船舶軸系振動特性的影響，計算結(jié)果見圖4。

圖4　不同縱向剛度的影響

由圖4可見，推力軸承縱向剛度對軸系固有振動頻率影響主要體現(xiàn)在第8、13、14、20階固有振動頻率上，剛度越高固有頻率也隨之升高，對于其他模態(tài)階數(shù)振動頻率影響很小，基本可以忽略。影響較大的幾階模態(tài)都存在縱向振動振型，說明推力軸承縱向剛度對軸系縱向振動固有頻率有較大影響[6]。

3.2后艉軸承剛度

后艉軸承一般安裝位置遠離船體，通過人字架支撐，導(dǎo)致該軸承支撐剛度低；該軸承為水潤滑軸承，漁網(wǎng)纏繞和泥沙侵入，容易導(dǎo)致軸承磨損不均，所以后艉軸承工作情況非常惡劣[7]。通過軟件模擬不同后艉軸承軸承支撐剛度對船舶軸系振動特性的影響，計算結(jié)果見圖5。

圖5　后艉軸承不同剛度的影響

由圖5可見，后艉軸承剛度對軸系固有振動頻率影響主要體現(xiàn)在軸系的中、高階振動頻率上，對于5階以下的低階振動頻率影響較小。隨著后艉軸承支撐剛度的增大，軸系固有頻率有增大的趨勢。

3.3艉軸承不同支撐位置

后艉軸承支撐位置的變化直接影響螺旋槳軸懸掛部分的長度，螺旋槳的質(zhì)量主要由后艉軸承支撐，考慮到還有螺旋槳附水質(zhì)量，所以后艉軸承支撐位置必須給予關(guān)注。本文通過軟件模擬不同后艉軸承支撐位置對船舶軸系振動特性的影響，分別計算了后艉軸承支撐位置離螺旋槳中心730、870、1 010、1 150、1 290 mm位置的軸系振動模態(tài)，計算結(jié)果見圖6。

圖6　后艉軸承不同支承位置的影響

由圖6可見，后艉軸承的支撐位置對軸系的低、中、高階固有頻率都有較大影響。因此從振動的角度看，必須對船舶后艉軸承的安裝位置進行校核，在條件允許的情況下，選擇軸承的支撐位置以調(diào)整軸系的固有頻率，避開有害的共振。實際船舶后艉軸承相對其他軸承較寬，隨著軸承的磨損，軸承的支撐中心會有所變化，所以應(yīng)該對后艉軸承的磨損予以重視。

4　激振力作用下的軸系振動響應(yīng)

螺旋槳激振力是引起船舶軸系產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)強迫振動的主要原因，也是船體振動的主要振源[8]。為了簡化軸系振動響應(yīng)分析，暫不考慮軸系其他激振力的影響，并只以螺旋槳激振力進行分析。

4.1螺旋槳激振力計算

螺旋槳在船艉不均勻伴流場中運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的簡諧交變激振力，其頻率為葉頻。簡諧縱向激振力和簡諧扭轉(zhuǎn)激振力矩也可分解成無數(shù)個倍葉頻kz(z為葉片數(shù)，k=1，2，…)分量，所以簡諧縱向激振力Fx和簡諧扭轉(zhuǎn)激振力矩Mx表示為[3,9]

(1)

(2)

帶入工作船的參數(shù)，最終計算得到以時間t為自變量的螺旋槳縱向激振力和扭轉(zhuǎn)激振力矩：

Fx=[166 501+16 650.1sin(4ωt)]

Mx=[98 958.8+17 812.6sin(4ωt)]

4.2螺旋槳激振力作用下船舶軸系振動響應(yīng)

4.2.1螺旋槳交變縱向力作用下軸系振動響應(yīng)

根據(jù)Fx作用下的各關(guān)鍵節(jié)點的振動響應(yīng)，軸系各軸承處的縱向位移振幅計算結(jié)果見圖7。

圖7　各軸承位縱向振幅

由圖7可見，各軸承位的縱向位移在頻率為32 Hz，與模態(tài)計算32.776 Hz固有頻率相符。軸承位置縱向位移最大振幅從船艉向船艏依次減小，其中后艉軸承處縱向振幅最大，CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》對中速機軸系并沒有衡準(zhǔn)要求。工作船的軸系額定轉(zhuǎn)速工作轉(zhuǎn)速對應(yīng)的螺旋槳葉頻為17.33 Hz，在此頻率下后艉軸承的縱向最大位移為0.762 mm，齒輪軸后軸承處的縱向位移為0.168 mm，振動幅度較小，滿足要求。

4.2.2螺旋槳交變扭轉(zhuǎn)力矩作用下軸系振動響應(yīng)

根據(jù)Mx作用下的軸系振動響應(yīng)，軸系各軸承處的水平切線方向位移振幅計算結(jié)果見圖8。

圖8　各軸承位水平切線方向位移振幅

由圖8可見，各軸承位水平切線方向的振動位移在頻率為4 Hz時達到最大，且各軸承位置處水平切向位移從船尾向船首依次減小。船舶推進軸系在螺旋槳處與各個軸承位處在不同螺旋槳激勵下發(fā)生的水平切線的振動位移都是在4 Hz頻率處，因此要注意避免該頻率下的軸系共振[10]。

5　結(jié)論

1)推力軸承縱向剛度只對軸系縱向振動固有頻率有較大影響，且主要影響高階固有頻率。因此對于轉(zhuǎn)速較低的船舶軸系來說，推力軸承的縱向剛度變化對船舶軸系固有振動特性的影響不大。但推力軸承作為船舶傳遞推力重要設(shè)備，其剛度參數(shù)還是需要優(yōu)化和加強。

2)后艉軸承剛度對軸系固有振動頻率影響主要體現(xiàn)在軸系的中、高階振動頻率上。對于轉(zhuǎn)速較高，槳葉數(shù)量較多的軸系要給予足夠重視，同時后艉軸承一般都是水潤滑的高分子軸承，工作條件差，其剛度也容易受到影響，因此需要注意軸承間隙和水脹系數(shù)的選擇。

3)后艉軸承的支撐位置變化對軸系的低、中、高階固有頻率都有較大影響。因此從振動的角度看，所有不同類型的船舶，都必須對船舶后艉軸承的安裝位置進行校核，在條件允許的情況下，調(diào)整軸承的支承位置以調(diào)整軸系的固有頻率，避開常用工況下軸系頻率。

4)通過分析船船軸系在螺旋槳激振力作用下的響應(yīng)得到最大位移振幅發(fā)生在螺旋槳和艉軸后軸承位置處。因此類似船舶軸系設(shè)計時要加強振動響應(yīng)位移最大處軸系強度，并在維護保養(yǎng)過程中關(guān)注該處軸系的跳動情況，排除安全隱患。

[1] 陳可越.船舶設(shè)計實用手冊[M].北京:中國交通科技出版社,2007.

[2] 王新榮,初旭宏.ANSYS有限元基礎(chǔ)教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[3] 趙婷.船舶推進軸系靜動態(tài)特性及控制研究[D].西安:西安科技大學(xué),2012.

[4] 周春良.船舶軸系振動研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2006.

[5] 王濱.軸承剛度對船舶軸系振動特性的影響研究[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報,2009,25(6):55-60.

[6] 周旭輝,楊俊.推力軸承縱向剛度對船舶軸系振動響應(yīng)的影響[J].船海工程,2012,41(4):110-112.

[7] 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.

[8] 郭進濤,董威.基于ANSYS的高速艇艉軸架軸系振動響應(yīng)分析[J].船海工程,2015,44(4):18-20.

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Analysis of Vibration Characteristics and Response of the Working Ship Propulsion Shafting

SU Chao-jun, LI Zi, XU Yi-ran

(No. 704 Research Institute of CSIC, Shanghai 200031, China)

To assess the impact of a working ship shafting bearing parameters on the vibration characteristics, the modal analysis and harmonic response are computed by FEM for the shafting to investigate the influence of the thrust bearing longitudinal stiffness, the after stern bearing support stiffness and position upon the natural frequencies, as well as the shafting vibration response. The numerical results show that the main thrust bearing longitudinal stiffness affects the longitudinal natural frequency of shafting, the after stern bearing stiffness impact medium and high natural frequency, the after stern bearing position impact low, medium and high natural frequency, the maximum displacement in place after stern bearing under exciting force. Some suggestions are proposed to optimize the bearing parameters on shafting design process so as to reduce the risk of abnormal vibration.

marine propulsion shafting; finite element analysis; vibration characteristic; exciting force; vibration response

2015-12-29

2016-03-02

國家部委基金資助項目

蘇朝君(1985—)，男，碩士，助理工程師

U664.21

A

1671-7953(2016)04-0137-04

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.032

研究方向:船舶主推進系統(tǒng)集成設(shè)計

E-mail:mycjsu@163.com