推力軸承軸向剛度對(duì)船舶軸系振動(dòng)響應(yīng)的影響

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(武漢第二船舶研究所，武漢 430064)

推力軸承是軸系振動(dòng)傳遞的重要途徑之一。它將動(dòng)力裝置的功率傳給螺旋槳，也將螺旋槳產(chǎn)生的推力或拉力傳遞給船體，使得艦艇前進(jìn)或后退，同時(shí)也將軸系振動(dòng)傳遞到船體。由此可見(jiàn)，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(dòng)傳遞特性，也決定了艇體艉部輻射噪聲水平。影響推力軸承振動(dòng)特性的主要參數(shù)有剛度和阻尼[1],它們直接影響軸系系統(tǒng)的振動(dòng)特性，尤其是推力軸承的軸向剛度對(duì)船舶軸系縱振有重要的影響。本文采用ANSYS有限元軟件對(duì)某型艦船軸系進(jìn)行相似建模，在計(jì)入螺旋槳激振力的條件下，研究軸系縱振通過(guò)推力軸承傳遞至船體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)特性，探討推力軸承剛度對(duì)軸系縱振的影響并提出相應(yīng)的減振降噪措施。

1 船舶軸系動(dòng)力學(xué)模型

1.1 幾何模型的建立

據(jù)某型船舶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將螺旋槳軸、艉軸、推力軸和中間軸定義為三維梁?jiǎn)卧狟eam 188，并對(duì)彈性聯(lián)軸節(jié)根據(jù)其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)量進(jìn)行等效處理。為滿足聯(lián)軸節(jié)外轂輪質(zhì)量7 800 kg、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量6 500 kg·m2和懸掛力臂320 mm的要求，將其等效成直徑2.23 m、密度4 987.2 kg/m3的三維梁?jiǎn)卧?。支撐軸承采用Combine 14進(jìn)行模擬，其中螺旋槳軸承的支點(diǎn)設(shè)在離螺旋槳尾端1/3L處(L為螺旋槳軸承長(zhǎng)度)。螺旋槳建模時(shí)，將螺旋槳的質(zhì)量加上附連水質(zhì)量(螺旋槳質(zhì)量附連水系數(shù)取1.15，極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量附連水系數(shù)取1.3 ，徑向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量附連水系數(shù)取1.6)，并簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量單元Mass 21，集中質(zhì)量直接加在螺旋槳的幾何中心位置。軸系的實(shí)體模型及單元?jiǎng)澐忠?jiàn)圖1。

圖1 船舶軸系實(shí)體模型

1.2 推力軸承的剛度

推力軸承的剛度可分為徑向剛度和軸向剛度。前者為推力軸承支撐軸承剛度，而后者主要由推力軸承推力塊殼體軸向剛度以及推力塊與推力瓦間的油膜剛度組成[2]。本文主要分析后者，探討推力軸承軸向剛度對(duì)軸系振動(dòng)的影響。

根據(jù)CB-Z337-84《船舶柴油機(jī)軸系縱振計(jì)算》要求：推力軸承的軸向剛度應(yīng)通過(guò)實(shí)測(cè)確定。一般情況下取Kth=1.0～5.0 MN/mm。

由于對(duì)推力軸承的軸向剛度進(jìn)行實(shí)測(cè)的工程量大，費(fèi)用高，根據(jù)《船舶柴油機(jī)軸系縱振計(jì)算》要求，采用仿真計(jì)算方法，擴(kuò)大軸向剛度取值范圍，通過(guò)分析計(jì)算，求得合適的推力軸承軸向剛度。

1.3 激振力分析

船舶軸系縱振主要由軸向交變作用力所致，其中螺旋槳的軸向激勵(lì)力是重要因素之一。螺旋槳工作時(shí)，除了產(chǎn)生扭振、橫振外，還會(huì)出現(xiàn)周期性變化的軸向激勵(lì)力，產(chǎn)生軸向振動(dòng)(縱振)。螺旋槳軸向激振力主要包括軸頻激振力和葉頻激振力。其中軸頻激振力是由螺旋槳制造或安裝誤差導(dǎo)致機(jī)械不平衡或水動(dòng)力不均勻所引起，其變化頻率等于軸的旋轉(zhuǎn)頻率；葉頻激振力是螺旋槳在不均勻伴流場(chǎng)中運(yùn)行時(shí)，由作用在槳葉上的流體力引起的，其變化頻率為葉頻(槳葉數(shù)乘以軸的旋轉(zhuǎn)頻率)或倍葉頻(葉頻的整倍數(shù))。當(dāng)螺旋槳葉片數(shù)或其倍數(shù)與軸轉(zhuǎn)速的乘積等于軸系縱振固有頻率時(shí)，由螺旋槳引起的軸向激勵(lì)力就可能使軸系縱振振幅增大或減小，這取決于相位角[3]。在實(shí)際軸系中，考慮到螺旋槳的空泡特性，通常要保證其轉(zhuǎn)速較低，如該型船額定轉(zhuǎn)速為280 r/min，在該軸系工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不大可能發(fā)生軸頻共振，即使有,軸頻激振力也相對(duì)較小，可以忽略。

根據(jù)螺旋槳在非均勻流場(chǎng)中運(yùn)行時(shí)非定常力的計(jì)算，可以獲得額定轉(zhuǎn)速工況下螺旋槳的軸向、水平和垂直三個(gè)方向的激振力分別為6.5、0.5、0.3 kN。

可見(jiàn)，在額定轉(zhuǎn)速下，螺旋槳的軸向激振力遠(yuǎn)大于水平和垂直方向的激振力，應(yīng)重點(diǎn)研究其對(duì)軸系振動(dòng)的影響。

2 推力軸承軸向剛度對(duì)軸系振動(dòng)的影響

運(yùn)用ANSYS 有限元軟件中的諧響應(yīng)(Harmonic)分析模塊[4], 分別計(jì)算推力軸承不同軸向剛度下船舶推進(jìn)軸系的動(dòng)響應(yīng)特性。

2.1 推力軸承軸向剛度對(duì)響應(yīng)頻率的影響

推力軸承的軸向剛度對(duì)艦船殼體的水下聲場(chǎng)輻射有較大的影響。推力軸承軸向剛度變化會(huì)導(dǎo)致軸系縱振固有頻率的變化，進(jìn)而影響到推力環(huán)處的軸向位移和剛度，改變作用在船體上的作用力與力矩，軸系電機(jī)端軸向位移響應(yīng)見(jiàn)圖2。

圖2 軸系電機(jī)端軸向位移響應(yīng)頻譜

由圖2可以看出，推力軸承軸向剛度越大，其振幅響應(yīng)越小；各階諧響應(yīng)振幅變化則很復(fù)雜，但對(duì)于船舶軸系而言，低階振動(dòng)響應(yīng)尤為重要。隨著軸向剛度的增大，其最大振幅所對(duì)應(yīng)的頻率也隨之增大。由此，增加推力軸承的軸向剛度，能使得軸系共振頻率處于軸系正常運(yùn)行范圍之外，振幅在某一范圍內(nèi)逐漸減小，具有一定減振效果。

2.2 推力軸承剛度變化對(duì)軸系振動(dòng)的影響

以下討論軸系軸向激振力頻率為60 Hz時(shí)，推力軸承剛度對(duì)軸系振動(dòng)的影響，其中包括橫向振動(dòng)(水平方向和垂直方向)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和軸向振動(dòng)。軸系的橫向、扭轉(zhuǎn)和縱向的振動(dòng)響應(yīng)見(jiàn)圖3。

圖3 軸系振動(dòng)響應(yīng)

由圖3可見(jiàn)，軸向振動(dòng)位移大約是橫向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的10倍，兩者相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，這表明推力軸承軸向剛度對(duì)軸系橫向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)影響小(見(jiàn)圖3a)、b)、c))，對(duì)縱向振動(dòng)影響大(見(jiàn)圖3d))。推力軸承軸向剛度越大，在螺旋槳端附近的振動(dòng)越小，在近電機(jī)端的振動(dòng)越小，而推力軸承附近的振幅為零，出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這說(shuō)明增大推力軸承軸向剛度能有效地衰減軸系縱向振動(dòng)從螺旋槳端向電機(jī)端、船體的傳遞，具有一定的減振降噪效果。

推力軸承節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)幅值為軸系縱振在推力軸承節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)值，同時(shí)也是軸系縱振對(duì)船體結(jié)構(gòu)的激勵(lì)。軸系縱向振動(dòng)在軸承節(jié)點(diǎn)處的振動(dòng)幅值見(jiàn)表1。由表1可以看出，推力軸承軸向剛度越大，推力軸承節(jié)點(diǎn)的軸向振動(dòng)響應(yīng)越小，振動(dòng)幅值下降。但剛度大于3.00×1010N/mm后，剛度增大，縱向振幅沒(méi)有明顯變化。

因此，為了減小軸系的縱振程度，應(yīng)盡可能選取剛度大于3.00×1010N/mm的推力軸承。

表1 不同推力軸承軸向剛度下的縱向振幅 μm

3 結(jié)論

1)推力軸承軸向剛度越大，則縱向低階振動(dòng)的諧響應(yīng)振幅越小，但振幅變化趨于平緩。這說(shuō)明提高推力軸承軸向剛度，能使得軸系共振頻率有效避開(kāi)軸系工作頻率范圍。隨著推力軸承軸向剛度的增大，一階振幅逐漸降低，由此可見(jiàn),增大軸向剛度具有一定減振的效果。

2)推力軸承軸向剛度對(duì)軸系縱振影響較大。軸向剛度越大，在螺旋槳端附近的振動(dòng)越小，在近電機(jī)端的振動(dòng)越小，在推力軸承附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這說(shuō)明增大推力軸承軸向剛度能有效地衰減振動(dòng)從螺旋槳端向電機(jī)端、船體的傳遞, 降低噪聲輻射，具有較明顯的減振降噪效果。

3)為了減小軸系的縱振程度，應(yīng)盡可能選取剛度大于3.00×1010N/mm的推力軸承。

[1] 王 濱.軸承剛度對(duì)船舶軸系振動(dòng)特性的影響研究[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào),2009,25(6):55-60.

[2] 張金國(guó),姚世衛(wèi),王 雋.法蘭盤式推力軸承推進(jìn)軸系振動(dòng)傳遞特性分析研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2008(2):23-25.

[3] 何友聲,王國(guó)強(qiáng).螺旋槳激振力[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1987.

[4] 尚曉江,邱 峰,趙海峰,等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2008.