波浪中船舶軸系的試驗裝置與方法研究

董詩晨 董良雄

摘要：針對在實驗室難以模擬航行中船舶的問題，本文設計了一種波浪力作用下的船舶軸系試驗臺。在試驗臺結構中對模擬軸系采用了彈性支撐，并利用輔軸和水箱傳遞波浪激勵力，具備了波浪中船舶軸系的受力和運動特征，解決了實驗室模擬實驗與實船航行環境中船舶航行性能的一致性問題。

關鍵詞：船舶軸系；試驗臺；波浪載荷

船舶軸系是船舶動力裝置中的重要組成部分，承擔著將主機發出的功率傳遞給螺旋槳，并將螺旋槳產生的推力傳遞給船體，實現推船航行的作用。船舶軸系是從主機輸出端法蘭起至尾軸為止，連接主機和螺旋槳，尾軸穿過船體由尾軸承支撐，尾軸承則與船體相連。正常工作時軸系應保持良好的對中狀態，但船舶在波浪中航行時，船體會隨波浪發生變形，從而影響軸系的運轉。

一、現有船舶軸系試驗臺

軸系試驗臺一般由模擬軸系、載荷施加裝置兩部分組成。模擬軸系是對實船的軸系進行比例縮小。載荷施加裝置是對實際工作環境進行的模擬，現有方法一般采用重錘施加沖擊載荷，或是采用偏心輪施加偏心載荷，能有效模擬船舶軸系受到的外力作用[1]。但由于波浪誘發的船體變形和船舶運動并不是直接作用在軸系上，而是作用在與船體相連的尾軸承上，常規的載荷施加裝置無法完成。目前一般是通過船模的分段模型來得到波浪力對船舶軸系的影響機理，但價格昂貴且較難實現。

二、波浪力作用下的模型試驗臺

1.基于“波浪在上部”的載荷施加裝置

波浪誘發的船體變形作用是通過軸系支承傳遞的，因此可在軸系支承上加裝一根輔軸模擬船體結構，輔軸位于尾軸的上方，使輔軸與軸系構成一個彈性體結構，進而傳遞波浪誘發的船體變形。

此外，輔軸結構又為波浪載荷的布置提供了方便，可在輔軸上部安裝水箱結構，通過水箱的造波機構產生多種類型的波浪，從而將波浪力施加到輔軸上，模擬波浪對船體的激勵效應并傳遞給軸系[2]。

2.基于“噴水沖擊”的波浪發生裝置

船體在波浪中的受力規律與水箱底部受到的波浪力相同，因此可利用水箱中波浪來模擬船體受力。水箱設計思路如下：水箱的上部安裝有造波機構，造波機構由固定在造波軸上的若干塊造波底板組成，造波底板上安裝造波板并通過螺栓與之活動連接。改變造波板的水平角度，水泵噴成的水沖到造波板上就可以制造多種波浪。此外，水箱內部的隔板可以上下調整，隔板兩側加裝落水槽和吸水口便于造波時水的流動；水箱的頂部裝有蓋板，蓋板上裝有透氣窗，透氣窗開度可調整改變箱內氣流，水箱的底部安裝弧形部，這些措施都能使造波效果更好。

3.基于“軟連接”的總體結構

為了增加振動傳遞效果，水箱兩側安裝導向塊，在水箱的兩邊與導向槽對應位置安裝導向條，使導向塊沿著導向條做上下運動，從而控制水箱做上下運動。水箱的下表面通過連接件與輔軸連接。連接件分為上、下連接塊并通過螺栓活動連接，上連接塊連接氣體彈簧并具有一個活動頭部，活動頭部安裝在水箱下定位法蘭上的導向孔中并具有一定間隙，水箱受力后的變形通過該間隙來緩沖，連接件起到了軟連接的作用，裝置總體連接效果如圖1、圖2所示。

三、試驗效用分析

在圖1與圖2中，各部分說明如下：1.轉動機構；2.剛性尾軸承；3.尾軸；4.機座；5.彈性尾軸承；6.弧形部； 7.輔軸；8.連接件；9.水箱；10.隔板；11.落水槽；12.導向條；13.導向塊；14.導向槽；15.造波機構；16.出水口；17.水泵；18.吸水口；81.下連接塊；82.上連接塊；83.氣體彈簧；84.定位銷；85.活動頭部；86.定位法蘭；87.導向孔。

船舶航行時由波浪激起的振動分為兩類：一是由船體與波浪之間的砰擊引起的瞬態強迫振動，二是小而短的波浪誘發的穩態強迫振動[3]，可作為兩種典型工況進行軸系試驗，具體步驟如下：

1.將造浪板安裝到造浪板軸上，水箱存水并調節造浪板角度及隔板的高度，開啟水泵，使水泵出水口的水流沖擊造浪板產生波浪，波浪力傳遞給輔軸并使輔軸產生相應的振動變形。

2.進一步改變尾軸的轉速，水泵與造浪板的高度差，以及造浪板的各種位置變化并檢測軸系振動形態，使尾軸上能監測出二類典型振動，獲取造波機構參數。

3.根據造波參數范圍設置造浪板角度，調節隔板高度與水泵出水量，模擬實際海面上的隨機波浪，測量并計算波浪中船舶軸系性能參數，流程如圖3所示。※

參考文獻：

[1] 董良雄，楊意，高軍凱，等.基于船舶艉軸-油膜-艉部結構系統的碰撞載荷響應研究[J].中國艦船研究，2017（1）：122-127.

[2] 董詩晨，一種波浪力作用下的船舶軸系試驗裝置：CN201611020813.2[P]. 2017-01-11.

[3] 汪雪良，顧學康，胡嘉駿.船體梁剛度對波激振動影響的比較研究[J].中國艦船研究，2016（5）：55-62.