船舶集成式推力軸承減振器研究與應用

李全超，劉 偉，俞 強

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

船舶集成式推力軸承減振器研究與應用

李全超，劉 偉，俞 強

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

針對軸系縱向振動引起的船舶尾部振動噪聲問題，提出通過集成式推力軸承減振器控制軸系縱向振動的方法，研究減振元件的剛度特性和應用減振器后軸系試驗臺架的振動特性。結果表明，設計的減振碟簧組剛度穩定，軸系應用該集成式推力軸承減振器后，一階縱振固有頻率偏移明顯，軸系振動響應大幅衰減，提出的集成式推力軸承減振器可有效隔離螺旋槳激勵振動向船體結構的傳遞。

船舶軸系；推力軸承；縱向減振

0 引 言

船舶航行時，螺旋槳在不均勻流場中運行產生縱向脈動力，激勵軸系產生縱向振動。軸系縱向振動通過推力軸承傳遞至船體，進而引起船體振動并引發輻射噪聲。推進軸系的縱向振動是船舶尾部低頻振動噪聲的重要來源之一，降低軸系縱向振動的傳遞，對改善民用船舶的舒適性和提高艦船隱身性能具有重要作用。

軸系縱向振動控制途徑多樣，其思路主要是在推力傳遞通道中設置減振結構，利用減振結構的剛度、阻尼降低力傳遞途徑中的縱向振動。同時，由于減振結構剛度遠低于軸系縱向剛度，調節減振結構的剛度可實現軸系縱向剛度的控制，使軸系縱振固有頻率遠離激勵頻率，達到振動控制的目的。

推進軸系縱向振動控制的主要途徑包括軸段上設置動力吸振器、改變推力軸承剛度和推力軸承基座結構形式等。楊志榮[1]提出一種并聯安裝在船舶軸系上的縱振動力吸振器的設計方法，其中船舶軸系與動力吸振器構成主從系統，實現振動能量在主系統上發生轉移，抑制主系統共振；劉耀宗[2]基于四端參數法建立了綜合考慮推進軸系和殼體彈性的潛艇軸向振動力學模型，詳細討論了用動力吸振器實現軸系軸向減振的設計方法；曹貽鵬[3]研究了動力吸振器設計參數對螺旋槳縱向脈動激勵導致的船體振動和聲輻射的影響；馮國平等[4]通過對船體尾部縱向激勵傳遞特性研究表明，縱向激勵下推力軸承基座是軸系縱向振動的主要傳遞途徑，改變推力軸承剛度和基座結構形式對船舶尾部的減振降噪有一定作用。

推力軸承是船舶推進系統中主要承力部件，也是軸系縱向振動主要傳遞通道，是軸系縱向振動控制設計的理想位置。本文提出一種集成式推力軸承減振器，利用在推力軸承內部集成減振結構實現軸系縱向振動的控制。

1 減振器設計思路

船舶軸系推力傳遞通道也是螺旋槳脈動力傳遞通道，集成式推力軸承減振器的振動控制原理是利用推力軸承結構特點，在其內部集成減振結構，通過減振結構設計調節推力軸承縱向剛度，進而減小軸系振動傳遞途徑中的縱向振動，振動控制路徑如圖1所示。

圖1 軸系縱向振動傳遞路線圖Fig.1 Transfer Path of Shaft Longitudinal Vibration

普通推力軸承[5]一般由推力軸、推力塊、推力平衡傳遞機構、殼體等組成。推力軸承內部結構布置緊湊，根據對推力傳遞路徑分析，推力塊、推力平衡傳遞機構處于傳遞通道上，在推力塊和推力平衡傳遞機構之間設置低剛度減振部件，控制推力軸承縱向剛度，減少軸系縱向振動通過推力軸承的傳遞。

圖2 減振推力軸承結構示意圖Fig.2 Structure of Vibration Reduction Thrust Bearing

推進螺旋槳產生的軸向激振力頻率主要分布為葉頻、諧次葉頻，引起推進軸系發生顯著的軸向振動的激振力頻率一般不超過100Hz[6]，因此軸系縱向振動主要以該低頻段為控制對象。根據軸系縱向振動傳遞?路徑分析，理論上可不考慮各支撐軸承橫向剛度，取減振器軸向剛度進行計算，簡化成單自由度系統。根據單自由度隔振系統安裝頻率計算公式按軸系設計參數計算，可獲得軸系縱向動剛度，該剛度即為減振器縱向動剛度。理論上系統縱向動剛度越低，縱向第1階固有頻率也越低，對系統低頻縱向振動傳遞的衰減也越有利。

2 減振元件選用

由于船舶推力軸承通常需承受較大推力，且軸系允許縱向位移較小，這種使用環境限制要求安裝于推力軸承內部的減振元件需具備高剛度、行程小等特性。同時，減振元件的選用還需考慮到推力軸承內部浸油環境、滑油溫度變化大、使用壽命長等因素。

機械設備常用的減振元件有減振橡膠、氣體彈簧、金屬彈簧等。相比之下，金屬彈簧在耐油、高溫方面優勢明顯，是更為適合推力軸承使用環境的減振元件。

碟形彈簧具有結構緊湊、剛度高等特性，具有較好的綜合性能，特別適合于推力軸承內部這種空間狹小、剛度要求高的使用環境。同時，碟形彈簧可以通過不同的組合方式達到剛度設計要求，是較為理想的減振元件。

3 減振元件剛度特性研究

減振元件是減振推力軸承的核心部件，元件的剛度特性對推力軸承減振性能至關重要。按照推力軸承內部尺寸控制和剛度設計要求，本文設計了專用碟形彈簧組。

碟形彈簧的靜剛度決定了推力軸承靜推力有效范圍，而動剛度決定了軸系縱向減振性能。因此，碟形彈簧應用前需進行必要的靜、動態剛度分析，掌握其剛度特性。

通過建立單組減振碟簧的有限元模型，對其進行靜態加載變形理論計算，同時利用靜剛度試驗機對碟簧組進行靜態載荷變形測試。對比分析結果如圖3所示。從圖中可看出，組合碟簧靜剛度存在如下特性：

1）初始壓縮范圍內載荷-變形曲線基本為非線性，剛度逐漸增大；

2）除初始壓縮范圍外，碟簧組載荷-變形曲線基本為線性，剛度基本保持不變，且理論計算值與實測結果基本一致；

3）碟簧組在加載和卸載過程中載荷-變形曲線不

重合，卸載過程存在一定剛度退化。

因碟簧組動剛度與碟簧參數、表面摩擦系數等因素密切相關，理論計算方法較難精準求解，動剛度主要利用動試驗機測試獲取，碟簧組動剛度測試結果及其3次多項式擬合曲線如圖4所示，從圖中可以看出：

圖3 組合碟簧靜態載荷-變形特性Fig.3 Load-deformation diagram of combination disk spring

圖4 組合碟簧動剛度特性Fig.4 Dynamic stiffness characteristics of combination disk spring

1）碟簧組動剛度隨載荷呈非線性變化，載荷增加動剛度隨之增加；

2）當載荷達到一定程度后動剛度變化趨于穩定；

3）本文設計的碟簧組在載荷范圍內動剛度變化在± 10% 以內，動剛度較為穩定。

4 減振器應用試驗研究

將設計的集成式推力軸承減振器安裝在軸系試驗臺架上，進一步研究裝入集成式推力軸承減振器后對軸系系統的縱向振動傳遞特性的影響。軸系試驗臺架結構如圖5所示，主要由推進電機、彈性聯軸器、中間軸承、推力軸承、尾軸承、螺旋槳軸承、螺旋槳和軸段等組成，尾部安裝螺旋槳推力模擬裝置，用于模擬螺旋槳載荷力。

建立試驗臺架理論分析模型，在軸系尾部施加單位激勵，對比分析安裝有集成式推力軸承減振器和安裝普通推力軸承時軸系的振動傳遞特性。計算中取推力軸承處加速度導納作為振動響應評價點，分析結果如圖6所示。從圖中可看出，軸系應用集成式推力軸承減振器后，1 階縱振固有頻率下降，低頻全頻段振動響應均有明顯降低，1 階固有頻率附近振動響應下降大于30dB。

圖5 軸系試驗臺架結構簡圖Fig.5 Structure of shafting test bed

圖6 應用減振推力軸承前后軸系振動響應理論分析Fig.6 Theoretical analysis of shafting vibration response by using vibration reduction thrust bearing

利用軸系試驗臺架實測減振器的應用效果，對比分析安裝集成式推力軸承減振器和安裝普通推力軸承的軸系縱向振動傳遞特性的變化。試驗中通過力傳感器在軸系尾部施加激勵，分析推力軸承基座處的振動傳遞特性，試驗結果如圖7所示。

圖7 應用減振器前后軸系振動響應試驗對比Fig.7 Experimental analysis of shafting vibration response by using vibration reduction thrust bearing

從圖7可看出，實測結果與理論分析結果趨勢基本一致，應用集成式推力軸承減振器后，軸系一階縱向固有頻率明顯向低頻偏移，低頻段振動響應普遍降低，一階縱振固有頻率處振動響應下降約30dB。由此可見，應用集成式推力軸承減振器后可有效隔離螺旋槳激勵振動向船體結構的傳遞。

5 結 語

分析了利用推力軸承集成減振結構實現軸系縱向振動控制的設計思路，通過理論分析和試驗研究了減振碟簧組的剛度特性，利用軸系試驗臺架研究了安裝集成式推力軸承減振器軸系的振動特性，通過研究得到如下結論：

1）設計的碟簧組靜、動剛度在設計載荷范圍內靜剛度基本保持不變，動剛度基本穩定；

2）軸系系統理論分析表明，軸系應用集成式推力軸承減振器后，一階固有頻率下降明顯，低頻段振動衰減明顯；

3）軸系臺架試驗結果驗證了理論分析的正確性，應用集成式推力軸承減振器后可有效隔離螺旋槳激勵振動向船體結構的傳遞。

[1]楊志榮, 秦春云, 饒柱石, 等. 船舶推進軸系縱振動力吸振器設計及參數影響規律研究[J]. 振動與沖擊, 2012, 31(16): 48–51, 61. YANG Zhi-rong, QIN Chun-yun, RAO Zhu-shi, et al. Design and analysis of a dynamic absorber for reducing axial vibration of ship shafting[J]. Journal of Vibration and Shock, 2012, 31(16): 48–51, 61.

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Research on vibration reduction of thrust bearing

LI Quan-chao, LIU Wei, YU Qiang
(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Due to the vibration noise problem of ship stern structures caused by ship shaft longitudinal vibration, a method to reduce the longitudinal vibration using thrust bearing is put forward. The design scheme of vibration reduction thrust bearing is studied. The stiffness characteristics of combination disk spring are researched by theoretical and experimental. The longitudinal vibration reduction performance is analyzed by shafting test bed. The result shows that the designed combination disk spring have the stable stiffness characteristics. The longitudinal vibration reduction technology can reduce the longitudinal vibration effectively.

marine shaft；thrust bearing；longitudinal vibration reduction

U664.21

A

1672–7619(2016)11 –0053 –04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.11.010

2016 –03– 04；

2016–04–05

十二五預研基金資助項目(51334010101)

李全超(1985 – )，男，碩士，工程師，研究方向為船舶推進軸系振動控制。