調(diào)距槳內(nèi)外油管支撐布置的優(yōu)化研究

，，

(1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢430050；2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

目前推進(jìn)系統(tǒng)采用調(diào)距槳裝置在水面艦船上的應(yīng)用越來越廣泛，隨著水面艦船的排水量、主機(jī)功率日趨增大，大功率調(diào)距槳裝置的結(jié)構(gòu)研究也越來越深入。大功率調(diào)距槳裝置裝船必將增加軸系設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。調(diào)距槳的內(nèi)外同心油管是調(diào)距操縱的重要組成部分，因此在軸系設(shè)計(jì)中應(yīng)確保軸系與內(nèi)外油管在運(yùn)行中不發(fā)生共振現(xiàn)象，所以對于內(nèi)外油管的支撐布置必須進(jìn)行優(yōu)化研究[1]。

1 軸系振動(dòng)分析

由于軸系內(nèi)外油管在軸系內(nèi)為剛性支撐，所以支撐油管的布置情況，直接影響了軸系的振動(dòng)情況，而內(nèi)外油管的振動(dòng)與軸系在模型簡化上可認(rèn)為是固定一體的。

軸系振動(dòng)的主要影響因素是，螺旋槳軸上的附加動(dòng)應(yīng)力和船體艉部產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)引起的軸系反作用力的動(dòng)力放大。而軸系產(chǎn)生的振動(dòng)往往會(huì)影響軸系的穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)軸系計(jì)算模型簡化，通常螺旋槳被模擬成布置在無質(zhì)量軸自由端的均質(zhì)薄圓盤(螺旋槳盤面)，所以其固有頻率w為

(1)

式中：m——螺旋槳及其附連水的質(zhì)量，kg；

G=(K/n-1)·Jd；

其中：K=JP/Jd;

JP——螺旋槳及其附連水的極慣性矩，

N·m2；

Jd——螺旋槳及其附連水的徑向慣性矩，

N·m2；

n——回旋振動(dòng)階數(shù)，n=ω/Ω,對于逆回旋,n<0；

Ω——振動(dòng)角速度(即軸的旋轉(zhuǎn)頻率)，rad/s；

δp、θp——螺旋槳盤面處受到單位力作用時(shí)，該盤面處的固定撓度(m/N)和轉(zhuǎn)角(rad/s)；

δm、θm——螺旋槳盤面處受到單位力矩作用時(shí)，該盤面處的固定撓度(m/N)和轉(zhuǎn)角(rad/s)；

其中這些影響因素參數(shù)δp,θp,δm,θm假定在所有半徑方位上是確定的常量[2-3]。

2 建立仿真模型

研究中采用有限元法對調(diào)距槳軸系旋轉(zhuǎn)振動(dòng)進(jìn)行數(shù)值仿真，所以必須建立調(diào)距槳軸系以及內(nèi)外油管的有限元模型。內(nèi)、外油管與軸同心布置，外油管在后端與槳轂內(nèi)的活塞桿相連接，前端和主控制閥相連接，外油管支撐于軸系內(nèi)孔中設(shè)置的支承座上，內(nèi)油管支撐于外油管內(nèi)孔設(shè)置的支承座上，在軸系運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，油管隨軸系同步轉(zhuǎn)動(dòng)。為減小內(nèi)、外油管相互影響，內(nèi)油管支撐位置和外油管保持一致，因此在分析軸內(nèi)油管時(shí)，為簡化模型，可將內(nèi)、外油管簡化為一根油管，簡稱為軸系內(nèi)油管。

油管屬于細(xì)長旋轉(zhuǎn)桿件和勻質(zhì)細(xì)長桿件，根據(jù)簡單的細(xì)長桿件動(dòng)力學(xué)原理，為保證桿件平穩(wěn)和支撐受力均勻，油管各支撐距離應(yīng)均勻布置，另外在油管支撐布置時(shí)，除考慮油管靜態(tài)支撐受力特性外，還必須考慮油管的動(dòng)態(tài)振動(dòng)特性。由于油管布置在軸內(nèi)，隨軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，因此油管的振動(dòng)特性和軸系的振動(dòng)特性相互影響，一方面軸系的振動(dòng)通過支撐對油管產(chǎn)生影響，另一方面油管通過支撐施加到軸系上，對軸系的振動(dòng)特性產(chǎn)生影響，因此在油管布置設(shè)計(jì)時(shí)，必須綜合考慮軸系振動(dòng)特性和油管的振動(dòng)特性，合理布置油管支撐，有效控制振動(dòng)對油管和軸系產(chǎn)生的影響[4]。

為使油管各支撐受力盡量小，油管重力在軸系上的布置應(yīng)盡量均勻，盡可能增加油管支撐數(shù)量。但油管支撐數(shù)量的增加增大了安裝工作量，因此為保證油管和軸系相互影響在可接受范圍內(nèi)，支撐數(shù)量盡量少。

以某調(diào)距槳軸系為研究對象。軸系由螺旋槳軸、艉軸、中間軸、齒輪箱組成，總長約70 m，螺旋槳軸內(nèi)外徑為400/770 mm，艉軸內(nèi)外徑為400/660 mm，中間軸內(nèi)外徑為400/600 mm。其中軸系內(nèi)孔布置內(nèi)外油管，方案一中油管支撐布置見圖1。

3 有限元仿真邊界條件

在研究軸系振動(dòng)特性時(shí)，通常采用集總參數(shù)模型。此類型模型由三種基本元件組成：剛性均質(zhì)圓盤元件、無慣量阻尼元件及無慣量扭轉(zhuǎn)彈簧元件?，F(xiàn)在，也常采用集總參數(shù)元件與分布參數(shù)元件相結(jié)合的模型。軸承支撐則等效為剛度矩陣中的附加項(xiàng)，通過傳遞矩陣等方法，利用得出的剛度、質(zhì)量矩陣求取軸系振動(dòng)方程的特征值，得到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)固有特性和響應(yīng)特性。

有限元方法具有模型準(zhǔn)確、計(jì)算精度高的特點(diǎn)，特別是對于調(diào)距槳的復(fù)雜軸系振動(dòng)特性，通過定義不同的單元類型來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的求解，可以準(zhǔn)確地得到軸系的固有振動(dòng)特性，因此本研究采用ANSYS有限元仿真進(jìn)行分析。

在建立軸系有限元模型時(shí)，進(jìn)行如下簡化。

1)忽略軸系中較小的倒角；

2)軸段之間的聯(lián)軸器和螺栓連接認(rèn)為是剛性連接；

3)計(jì)算中軸承簡化為點(diǎn)支承，軸承簡化為彈簧單元(Combine14)；

4)簡化軸系內(nèi)油管結(jié)構(gòu)。

4 調(diào)距槳軸系固有振動(dòng)頻率仿真

調(diào)距槳軸系固有振動(dòng)頻率仿真見圖2～5。

圖2 軸系第一階振型

圖3 軸系第二階振型

圖4 軸系第三階振型

圖5 軸系第四階振型

由于葉片次共振頻率最高為16.7 Hz，而軸系第四階固有頻率達(dá)到19.6 Hz，因此分析中僅考慮軸系前三階固有頻率[5]。

5 內(nèi)外油管支撐布置優(yōu)化方案仿真

5.1 方案一

假定各中間軸內(nèi)放置1個(gè)支撐，即在第一個(gè)中間軸中點(diǎn)處布置第一個(gè)支撐，在螺旋槳端軸系內(nèi)每隔約10 m布置一個(gè)支撐，則根據(jù)布置長度需求，在螺旋槳軸和艉軸內(nèi)放置2個(gè)支撐，則油管支撐一共有7個(gè)，對油管進(jìn)行有限元仿真分析,見圖6～11。

圖6 油管第一階振型

圖7 油管第二階振型

圖8 油管第三階振型

圖9 油管第四階振型

圖10 油管第五階振型

圖11 油管第六階振型

由仿真結(jié)果分析可知油管與軸系固有頻率，其對比見表1。

表1 油管與軸系固有頻率對比 Hz

由表1可知：

1)油管第二階固有頻率與軸系第一階固有頻率相差約5%，可能產(chǎn)生共振；

2)油管第四階固有頻率與軸系第二階固有頻率相差約4%，可能產(chǎn)生共振；

3)油管第五階固有頻率與軸系第三階固有頻率相差約7%，可能產(chǎn)生共振。

由以上分析得出在軸系頻率分析范圍，油管可能與軸系產(chǎn)生共振，因此該油管支撐布置方案不可行。

5.2 方案二

假定各中間軸內(nèi)放置2個(gè)支撐，即在第一個(gè)中間軸首端1/3處布置第一個(gè)支撐，向螺旋槳端軸系內(nèi)每隔約6 m布置一個(gè)支撐，則根據(jù)布置長度需求，在螺旋槳軸和艉軸內(nèi)必須放置3個(gè)支撐，則油管支撐一共12個(gè)。對方案二進(jìn)行振動(dòng)特性仿真計(jì)算，得出油管第一階固有頻率為34.5 Hz，仿真分析見圖12。

圖12 油管第一階振型圖(方案二)

由于油管第一階固有頻率為34.5 Hz，遠(yuǎn)大于軸系前三階固有頻率，因此油管和軸系不會(huì)產(chǎn)生共振，因此該油管支撐布置方案可行[6-7]。

6 結(jié)論

分析以上計(jì)算結(jié)果可知，內(nèi)外油管的支撐布置與軸系的振動(dòng)頻率有密切關(guān)系。支撐位置越多，內(nèi)外油管的固有頻率就越遠(yuǎn)離軸系固有頻率；內(nèi)外油管必須保證一定的柔度，以確保其在軸系內(nèi)運(yùn)行時(shí)能夠適應(yīng)軸系的振動(dòng)和外界的沖擊影響，保證調(diào)距槳調(diào)距機(jī)構(gòu)的正常工作，完成調(diào)距功能。 通過油管支撐布置仿真方案對比，建議內(nèi)外油管布置時(shí)應(yīng)遵循以下原則。

1)軸系內(nèi)油管支撐應(yīng)盡量均勻布置；

2)在條件允許的情況下，應(yīng)盡量合理地選取支撐點(diǎn)的數(shù)量；

3)油管支撐布置數(shù)量應(yīng)根據(jù)軸系情況設(shè)定，應(yīng)保證油管與軸系在運(yùn)行過程中不會(huì)產(chǎn)生共振。

[1] 盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2004.

[2] 陳之炎.船舶推進(jìn)軸系振動(dòng).[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1987.

[3] 馬運(yùn)義，黃 白.船舶振動(dòng)控制[M].大連：大連海運(yùn)學(xué)院出版社，1992.

[4] 曾凡明，吳家明，龐之洋.船舶動(dòng)力裝置原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[5] 高耀東，郭喜平.ANSYS機(jī)械工程應(yīng)用25例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[6] 小颯工作室.最新經(jīng)典ANSYS及Workbench教程[M].北京：電子工業(yè)出版，2004.

[7] 盛和太，喻海良.ANSYS有限元原理與工程應(yīng)用實(shí)例大全[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.