兩種船舶尾軸碰摩工況特性研究

陳天然，董良雄，俞嘉陽，江 偉

(浙江海洋大學 海運與港航建筑工程學院，浙江 舟山 316022)

船舶在航行過程中會由于船舶裝載、波浪等因素的影響，導致船體發生不均勻變形和隨機運動，進而軸系、艉軸承油膜和船體之間產生振動耦合。同時，由于船舶軸系的不對中或者彎曲，使得艉軸的運動振幅增大，當其振幅超過艉軸承與軸頸之間的間隙時，會引起艉軸和艉軸承之間的碰摩，從而影響船舶軸系的正常運行與船舶動力系統的功能發揮。為了研究碰摩現象，一般采取試驗臺進行試驗研究，鑒于碰摩試驗具有破壞性，目前試驗臺一般采用碰摩裝置來模擬碰摩載荷，碰摩裝置采用螺栓與碰摩盤的碰摩來模擬艉軸與艉軸承的碰摩，在經過螺栓調節后，可以實現多種工況時碰摩載荷的模擬，但這種實驗研究的有效性較大程度地取決于試驗臺模擬工況與實際船舶艉軸碰摩工況是否相同。針對此問題，本文對試驗臺碰摩工況與實船碰摩工況進行了對比分析，提出了誤差修正方案，從而使基于試驗臺的碰摩試驗更具有科學性和廣泛性。

1 基于碰摩盤的試驗平臺結構

試驗臺結構如圖1所示，在機座上安置有變頻電機，通過聯軸器帶動軸系及附件轉動，并在軸系艉軸設置有加載裝置，軸中安放多處固定支承。變頻電機用于調節軸系轉速從而改變軸系工況，并利用監測控制單元實現對不同軸系工況的控制以及對各運動部件的監測以及試驗參數的采集；在中間軸承和前后艉軸承軸承座上安裝有測力傳感器，可以用于獲取在不同載荷工況下艉軸承油膜的運動特性。

圖1 試驗平臺結構圖

為了對碰摩載荷進行模擬，試驗臺采取了一種碰摩裝置將其附加在原有的軸系試驗平臺上。該裝置采用優質碳鋼來制作一個圓盤式結構，可在船舶艉軸上實現自由的安裝和拆卸。其結構如圖2所示，碰摩盤上四周均勻分布有4個調節螺栓，螺栓下部均與彈簧相連，當設定好調節螺栓的位置后，螺栓就會與試驗臺的轉軸發生碰摩作用，使軸受到碰摩載荷作用，還可以通過更換不同的彈簧或改變同一螺栓的下旋程度，來模擬不同的碰摩載荷。

2 兩種碰摩工況分析

2.1 艉軸試驗臺的系統動力學特征

將艉軸簡化為轉子圓盤模型與之相連，建立艉軸—油膜—艉部結構系統的力學模型[1-4]，根據其力學模型原理，可列出如下系統動力學方程。轉子系統動力學方程為：

圖2 碰摩裝置結構示意圖

(1)

(2)

式中均已無量綱化，x、y分別是X軸、Y軸上的分量，α為油膜力與坐標軸的夾角，V、S、G為數學變量。其中：

短軸承油膜力模型建立了軸承偏心率、軸承載荷和其它一些軸承特性的關系，并忽略了軸承內周向壓力流的影響。從油膜力計算模型可以看出，在船舶軸系運行過程中，艉軸與艉軸承的間隙對油膜力產生較大的影響，進而會影響軸系振動特性，產生不同的碰摩工況。

2.2 試驗臺碰摩工況數值模擬

在利用船舶艉軸試驗臺研究碰摩現象時，碰摩工況是指艉軸與碰摩盤內碰摩桿發生碰摩時的瞬間[5]。為分析這種現象，可假設碰摩盤之間的間隙為δ，碰撞過程為彈性變形則碰摩力在x、y方向上的分量，可表示為：

(3)

選取船舶軸系轉速為850 r/min，碰摩摩擦系數為0.1，碰摩間隙為0.000 18 mm，從而進行數值模擬，得到其振動軌跡曲線和振幅—時間響應曲線如圖3所示，此時發生碰摩現象。

圖3 實驗室碰摩工況模擬圖

從數值模擬結果可以看出，碰摩載荷對軸系的影響是瞬態和周期性的，當船舶軸系轉速和彈簧剛度一定時，碰摩間隙越小，即碰摩載荷越大,轉子系統穩定性越低,振動變得越發復雜，振動的頻率成分豐富,既有低頻成分又有高頻成分，軸系最大振幅為0.7 mm。

2.3 實際船舶艉軸碰摩過程模擬

利用碰摩盤模擬的碰摩過程是艉軸與碰摩桿之間的碰摩，艉軸與艉軸承之間仍具有一定的間隙，艉軸承油膜壓力仍對艉軸的運動產生較大的影響。而實際上，當船舶艉軸與艉軸承發生碰摩時，碰摩點處油膜厚度為零，因此其動態油膜壓力分布對艉軸運動產生的影響與碰摩盤是不同的。為了分析該工況下軸系運動特征，利用公式(2)計算油膜力，選取船舶軸系轉速為850 r/min，碰摩摩擦系數為0.1，艉軸承半徑間隙為0.000 2 mm，并進行數值模擬，可以得到其振動軌跡曲線和振幅—時間響應曲線如圖4所示。

圖4 船舶實際工況模擬圖

圖4中軸系最大振幅約為0.8 mm，比較圖3和圖4可知，當船舶軸系碰摩載荷大小和彈簧剛度一定時，在實際船舶工況，由于軸承支承油膜力動態特性改變,軸系在碰摩載荷作用下引起的振動幅值略有降低。

3 基于碰摩盤的碰摩試驗與誤差修正方法

為了系統地對試驗臺碰摩工況與與實際工況的誤差進行評價，需研究最大振幅與不同碰摩間隙和不同轉速之間的關系，進而與數值模擬值進行比較，從而得出實驗條件下帶來的誤差。因此，利用帶有碰摩盤的艉軸試驗臺，設計了不同碰摩工況試驗如下。

1)保持軸系轉速不變，碰摩裝置剛度一定，調節碰摩裝置的調節螺栓，改變碰摩載荷，當碰摩間隙為0.000 16 mm、0.000 18 mm、0.000 20 mm、0.000 22 mm時，測量不同碰摩載荷作用下的振幅—時間響應曲線，并與相同碰摩間隙的實際船舶工況模擬結果進行比較。

2)保持碰摩載荷的大小不變且作用時間相同，碰摩裝置剛度一定時改變軸系轉速，當軸系轉速分別為200 r/min、700 r/min、850 r/min、900 r/min時，用振動測量儀測量不同轉速條件下的振幅-時間響應曲線，并與相同轉速的實際船舶工況模擬結果進行比較。

實驗中，碰摩載荷大小的調節由碰摩裝置的調節螺栓改變碰摩間隙來實現，碰摩剛度的改變由彈簧剛度的改變來實現，二種試驗方案的測量結果如表1和表2。

表1 不同碰摩間隙的最大振幅 mm

表2 不同軸系轉速的最大振幅

對比表1和表2可看出，隨著試驗臺碰摩裝置設定間隙的增大，試驗臺工況與實際工況相比的誤差逐漸增大。為了減小誤差，可根據誤差值修正試驗條件，從而更有效模擬船舶艉軸與艉軸承之間的碰摩工況。

誤差修正時，可通過對碰摩盤的初始狀態做不同的設置，從而改變艉軸承半徑間隙，改變發生碰摩時的油膜壓力，從而與實際工況相符。根據修正前后艉軸的最大振幅相等的原則，可根據艉軸承半徑間隙求出所需的碰摩盤設定間隙值。因此針對幾種典型試驗臺碰摩工況，可列出所需的修正方案如表3所示。

表3 試驗工況的修正值

4 結束語

模擬碰摩裝置為進行各類碰摩載荷下的軸系振動特性研究提供了平臺，能有效地進行各種軸系碰摩的測試與分析[6]。但是，碰摩裝置的工況與實際的艉軸艉軸承工況仍存在有一定的差別，利用碰摩桿不能真實反應實際艉軸碰摩工況中油膜變化的情形，碰摩剛度越大，軸系轉速越大，這種差別越大。為了得出有效的結論，可根據修正前后艉軸的最大振幅相等的原則，對試驗工況進行修正，從而使得出的結論更加符合實際情況。