某船Z型全回轉(zhuǎn)舵槳高速軸系振動分析

邱曉峰，李磊，鄒波，李方海

(武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司,武漢 430084)

全回轉(zhuǎn)舵槳可以在360°范圍內(nèi)提供推力，自由地向任何方向推進(jìn)，大幅提高了船舶的機(jī)動性能[1]，廣泛應(yīng)用于拖船、半潛船、海洋工程船和海工平臺等，通常有L型和Z型2種傳動形式。大功率與高轉(zhuǎn)速的Z型全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)安裝在更緊湊和更輕的船體結(jié)構(gòu)中，對推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計提出了更高的要求。而且，船體的變形對軸系的影響是必然的[2]，高速軸系基座和全回轉(zhuǎn)舵槳圍井的結(jié)構(gòu)設(shè)計也顯著影響了推進(jìn)系統(tǒng)的振動水平。因此，設(shè)計時不僅要考慮強(qiáng)度，更應(yīng)該考慮剛度、振動、熱平衡等因素。高速軸系性能穩(wěn)定對Z型全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。考慮結(jié)合某船Z型全回轉(zhuǎn)舵槳高速軸系振動大和軸承高溫的問題，對軸系振動與軸承高溫原因進(jìn)行系統(tǒng)分析，并對高速軸系進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計與改進(jìn)。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 總體布置

某船Z型全回轉(zhuǎn)舵槳高速軸系總體布置見圖1。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

柴油機(jī)額定功率：1 760 kW。

柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速：1 000 r/min。

高速軸系夾角：9.16°。

中間軸軸徑：135 mm。

中間軸承位軸徑：140 mm。

中間軸承數(shù)量：6。

中間軸承類型：球面滾子軸承。

1.3 軸承結(jié)構(gòu)與參數(shù)

Z型全回轉(zhuǎn)舵槳高速軸系的軸承一般使用相同類型的滾子軸承，軸承外圈可以軸向浮動的為自由軸承，對軸承外圈進(jìn)行軸向固定的為固定軸承。見圖2。

圖2 軸承結(jié)構(gòu)示意

自由軸承僅承受徑向載荷，而固定軸承除了徑向載荷外，還須承受軸系的軸向力。

圖1軸承從船艉向船艏，依次為1#、2#、3#、4#、5#和6#軸承，其中，3#為固定軸承，1#、2#、4#、5#和6#為自由軸承。球面滾子軸承參數(shù)見表1。

表1 22232CCK/W33軸承基本參數(shù)

2 問題簡述

該船在系泊試驗過程中，當(dāng)主機(jī)以930 r/min運(yùn)行時，振動感覺較明顯。當(dāng)主機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時，振動依然較大，運(yùn)行30 min后，測得各軸承溫度較高，具體見表2。

表2 軸承溫度 ℃

繼續(xù)運(yùn)行20 min后，軸承溫度繼續(xù)上升，且沒有達(dá)到熱平衡狀態(tài)。其中2#和5#軸承溫度超過了80 ℃，不滿足船級社規(guī)范中滾動軸承溫度應(yīng)不超過80 ℃[3]的要求。

為避免軸承高溫而損壞，停止系泊試驗。拆開軸承蓋后，發(fā)現(xiàn)軸承滾子表面有輕微磨損，見圖3。

圖3 軸承滾子輕微磨損

3 軸系振動與軸承高溫原因分析

3.1 軸系臨界轉(zhuǎn)速接近工作轉(zhuǎn)速

軸系受到動力的激勵，會導(dǎo)致出現(xiàn)振動。這些動力主要由萬向軸在轉(zhuǎn)矩和撓度下的動態(tài)反作用力、動態(tài)不平衡引起。軸系是一個質(zhì)量彈性系統(tǒng)，當(dāng)軸的共振發(fā)生時，該振動會被放大。

同時，在多支承高速軸系中，軸承間距增大，則使臨界轉(zhuǎn)速降低，使軸系固有頻率與激振頻率接近，產(chǎn)生了共振現(xiàn)象。

考慮萬向聯(lián)軸節(jié)的激勵，頻率為工作轉(zhuǎn)速的2倍，仿真計算得到該船高速軸系的第1階臨界轉(zhuǎn)速為934 r/min(見圖4)，第2階臨界轉(zhuǎn)速為1 031 r/min。

圖4 高速軸系第1階振型圖(934 r/min)

仿真計算結(jié)果表明，高速軸系臨界轉(zhuǎn)速處于額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min的80%～120%危險區(qū)間內(nèi)，無法滿足穩(wěn)定性要求；共振位置出現(xiàn)在中間長軸，第1階振型中整個軸會出現(xiàn)比較大徑向振動。

3.2 軸承基座剛度不足

按設(shè)計要求，軸承基座的剛度值應(yīng)不小于500 kN/mm，仿真計算假定軸承基座剛度無限大，考慮實(shí)船軸承基座剛度，實(shí)船高速軸系的臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)略低于計算值。

分別將軸承基座剛度取不同的值，計算其對應(yīng)的高速軸系第1階臨界轉(zhuǎn)速，結(jié)果見表3。

表3 軸承基座剛度對高速軸系第1階臨界轉(zhuǎn)速的影響

計算結(jié)果表明，基座剛度越大，軸系臨界轉(zhuǎn)速越高。但是隨著剛度的進(jìn)一步增加，軸系臨界轉(zhuǎn)速的增幅減緩。仿真計算軸承基座剛度不到200 kN/mm，不滿足設(shè)計技術(shù)要求。

通常情況下，軸承基座剛度≥500 kN/mm對船體結(jié)構(gòu)、軸承基座位置以及基座結(jié)構(gòu)要求較高，船廠一般不能滿足，但是，設(shè)計院和船廠應(yīng)確保軸承基座剛度≥300 kN/mm。

3.3 軸承最大軸向載荷過高

船體在不同載荷下的變形、熱膨脹，以及柴油機(jī)在其彈性基座上的運(yùn)動等都會使軸系產(chǎn)生明顯的軸向運(yùn)動。軸系的軸向運(yùn)動與剛度產(chǎn)生軸向力，這些軸向力必須由固定軸承承受。通常將靠近主機(jī)一側(cè)的軸承設(shè)置為定位軸承[4]。

該軸系只有3#軸承為固定軸承，其他均為自由軸承，軸系運(yùn)轉(zhuǎn)后高彈性聯(lián)軸器會發(fā)生軸向竄動。因此，5#軸承在承受徑向力的同時也受主機(jī)高彈性聯(lián)軸器的竄動、萬向聯(lián)軸節(jié)激勵和軸系熱膨脹產(chǎn)生的軸向位移的影響，使5#軸承軸向浮動能力受到約束。

在軸系設(shè)計過程中經(jīng)常會忽略萬向聯(lián)軸節(jié)的花鍵傳遞的軸向負(fù)載，由于軸系振動和軸向運(yùn)動情況下會使花鍵連接打滑，因此軸向負(fù)載不會持續(xù)出現(xiàn)。但是，該軸向負(fù)載會在一段時間內(nèi)作用于固定軸承，對固定軸承的可靠運(yùn)行至關(guān)重要。

3.4 軸承最小徑向載荷不足

滾子軸承都有最小徑向載荷的要求，以保持軸承滾子滾動，避免打滑或移動造成損壞。如果滾子軸承承受的載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于所需的最小徑向載荷，則滾子會在短時間內(nèi)滑動，導(dǎo)致軸承溫度升高，嚴(yán)重時可能會造成軸承失效。

對于調(diào)心滾子軸承，脂潤滑所需的最小徑向載荷[5]約為

Frmin=0.01C0

(1)

式中：Frmin為軸承所需的最小徑向載荷，kN；C0為軸承基本額定靜載荷，kN。

根據(jù)表1和式(1)，該軸承所需的最小徑向載荷為12.9 kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于6#軸承實(shí)際徑向載荷2.2 kN。對應(yīng)的6#軸承應(yīng)該用作固定軸承，承受主機(jī)高彈性聯(lián)軸器的竄動、萬向聯(lián)軸節(jié)激勵和軸系熱膨脹產(chǎn)生的軸向力，使整個軸承圓周上的滾子被均勻地加載，降低打滑的風(fēng)險。

4 高速軸系改進(jìn)設(shè)計

1)增大軸徑并縮短軸承間距，從而提高軸系臨界轉(zhuǎn)速，避開額定轉(zhuǎn)速80%～120%危險區(qū)間。優(yōu)化設(shè)計軸徑由140 mm變?yōu)?60 mm、軸承間距由2 600 mm變位2 585 mm后，軸系第1階臨界轉(zhuǎn)速提高到1 303 r/min，位于額定轉(zhuǎn)速80%～120%危險區(qū)間之外，提高了高速軸系穩(wěn)定性。對比情況見表4。

表4 高速軸系臨界轉(zhuǎn)速對比

2)加固軸承基座結(jié)構(gòu)，提高軸承基座剛度到300 kN/mm以上。

3)將6#自由軸承改為固定軸承，使主機(jī)高彈性聯(lián)軸器的竄動、萬向聯(lián)軸節(jié)激勵和軸系熱膨脹產(chǎn)生的軸向力由6#固定軸承承受，提高5#自由軸承浮動能力，改善高速軸系軸承載荷工況。

4)采用剖分式滾動軸承取代常規(guī)的整體式滾動軸承。相同軸徑，剖分式滾動軸承所需的最小徑向載荷約為徑向動態(tài)載荷的1/120，遠(yuǎn)小于常規(guī)的整體式滾動軸承，而且剖分式滾動軸承用作固定軸承還可以實(shí)現(xiàn)非常高的軸向載荷，從而避免軸承出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

高速軸系改進(jìn)設(shè)計后，按照船級社認(rèn)可的試驗大綱進(jìn)行了系泊試驗和航行試驗，在試驗過程中，未感覺到明顯的振動，振動測量數(shù)據(jù)也滿足船級社規(guī)范要求；同時，軸承高溫故障消除。在項目交船后，高速軸系也一直運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié)論

1)高速軸系的振動與軸承布置、軸承基座剛度以及外界激勵密切相關(guān)，設(shè)計時應(yīng)避免軸系臨界轉(zhuǎn)速落入常用工作轉(zhuǎn)速的±20%范圍以內(nèi)。

2)軸承基座剛度的增加對軸系臨界轉(zhuǎn)速的提高有顯著效果，設(shè)計和制造上應(yīng)保證軸承基座剛度不小于300 kN/mm。

3)高速軸系設(shè)計時應(yīng)充分考慮軸向與徑向載荷，軸向載荷應(yīng)采用固定軸承承載，應(yīng)避免實(shí)際徑向載荷遠(yuǎn)小于軸承所需的最小徑向載荷。