某型工作船軸系振動(dòng)特性及響應(yīng)分析

蘇朝君，李　梓，徐逸然

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇四研究所，上海 200031)

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某型工作船軸系振動(dòng)特性及響應(yīng)分析

蘇朝君，李梓，徐逸然

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇四研究所，上海 200031)

為了評(píng)估某工作船軸系軸承參數(shù)變化對(duì)振動(dòng)特性的影響，利用有限元軟件進(jìn)行軸系建模、模態(tài)和諧響應(yīng)計(jì)算，分析推力軸承縱向剛度、后艉軸承支撐剛度和位置變化對(duì)固有頻率的影響，并計(jì)算軸系的振動(dòng)響應(yīng)。結(jié)果表明，推力軸承縱向剛度主要影響軸系縱向固有特性，后艉軸承剛度影響中、高階固有頻率，后艉軸承位置影響低、中、高階固有頻率，軸系在激振力作用下后艉軸承處位移最大；建議在軸系設(shè)計(jì)中優(yōu)化軸承參數(shù)，降低軸系異常振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

船舶推進(jìn)軸系；有限元分析；振動(dòng)特性；激振力；振動(dòng)響應(yīng)

船舶螺旋槳推進(jìn)軸系是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與螺旋槳的能量傳遞，同時(shí)又是傳遞螺旋槳推進(jìn)力的重要部件。當(dāng)軸系受到發(fā)動(dòng)機(jī)或螺旋槳等受功部件的激振力作用下會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，若軸系設(shè)計(jì)不合理將產(chǎn)生異常振動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)械故障及船體異常振動(dòng)[1]。目前國內(nèi)船舶推進(jìn)軸系設(shè)計(jì)時(shí)主要使用基于霍爾茨法(Holzer)或傳遞矩陣法發(fā)展起來的方法進(jìn)行軸系振動(dòng)特性分析，其計(jì)算結(jié)果精度一般不高，在計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求的情況下，船舶推進(jìn)軸系還是時(shí)常出現(xiàn)異常振動(dòng)的情況。以某型工作船軸系設(shè)計(jì)為工程背景，引入有限元方法分析軸承參數(shù)變化對(duì)軸系固有頻率的影響及軸系在激勵(lì)的響應(yīng)情況，探討軸系振動(dòng)控制設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)。

1　某型工作船推進(jìn)軸系簡(jiǎn)介

所述工作船為國家統(tǒng)一規(guī)劃建造的系列新型船舶，主推進(jìn)系統(tǒng)為雙機(jī)雙槳，中速柴油機(jī)通過高彈性聯(lián)軸器與齒輪箱輸入軸連接，齒輪箱為單輸入雙輸出形式。通過減速齒輪箱后主輸出通過唱軸系帶動(dòng)螺旋槳，左右兩舷齒輪箱PTO輸出分別通過高彈性聯(lián)軸器帶動(dòng)消防泵和軸帶發(fā)電機(jī)。該船主推進(jìn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1　某工作船主推進(jìn)系統(tǒng)組成示意

因該船軸系較為細(xì)長(zhǎng)且螺旋槳通過人字架支撐遠(yuǎn)離船體，艉軸支撐結(jié)構(gòu)較弱，導(dǎo)致軸系容易受到外界激振力的影響產(chǎn)生異常軸系振動(dòng)，故在軸系設(shè)計(jì)階段就需要進(jìn)行振動(dòng)特性及相應(yīng)情況分析。

該型工作船螺旋槳軸系的主要部件有：螺旋槳、螺旋槳軸、中間軸、推力軸，以及軸承等。軸系振動(dòng)主要激勵(lì)源有發(fā)動(dòng)機(jī)激振力、齒輪箱激振力和螺旋槳激振力。而其中的螺旋槳激振力主要產(chǎn)生原因?yàn)槁菪龢诖翰痪鶆蛄鲌?chǎng)中運(yùn)行，產(chǎn)生不均勻的推力、交變旋轉(zhuǎn)力矩和交變彎曲力矩，構(gòu)成船舶艉部的主要擾動(dòng)源，故本文著重考慮螺旋槳激振力，對(duì)軸系進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)分析。

2　推進(jìn)軸系模態(tài)分析

2.1三維建模

利用ANSYS該軟件進(jìn)行軸系振動(dòng)特性分析。工作船軸系支撐軸承都為滑動(dòng)軸承。描述滑動(dòng)軸承的重要參數(shù)有軸承剛度和阻尼，軸承剛度和阻尼直接影響著軸系系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)特性[2]。將工作船軸系支撐簡(jiǎn)化，見圖2。

圖2　工作船軸系支撐示意

軸系有限元建模除需軸系各部分尺寸、軸承支撐位置和螺旋槳參數(shù)外，尚需要考慮軸承座剛度、油膜剛度、船體剛度、螺旋槳附水質(zhì)量等，通常這些數(shù)據(jù)難以計(jì)算或測(cè)量，故計(jì)算時(shí)常以母型船或經(jīng)驗(yàn)值代替。將每個(gè)滑動(dòng)軸承支承上的上述各參數(shù)以等效彈簧替代。中間軸承支持結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，可取得大一些，后艉軸承和中艉軸承通過人字架支撐遠(yuǎn)離船體，剛度需要取得小一些[3]。推力軸承主要承受軸系正倒車推力，一般船舶設(shè)計(jì)時(shí)推力軸承結(jié)構(gòu)有所加強(qiáng)，故推力軸承縱向剛度取大一些。根據(jù)工作船情況本文對(duì)各支撐軸承等效彈簧剛度取值見表1。

表1　等效彈簧剛度取值

根據(jù)軸系外形和螺旋槳尺寸參數(shù)，對(duì)軸系采用三維實(shí)體SOLIDE185單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。支撐滑動(dòng)軸承采用Combine14進(jìn)行模擬，其中后艉軸承的支點(diǎn)建模時(shí)設(shè)在軸承軸承長(zhǎng)度靠船艉1/3處，其他軸承支點(diǎn)選在軸承中心位置[4]。螺旋槳建模時(shí)將其等效為一個(gè)與螺旋槳質(zhì)量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相等的圓盤，并加上附水質(zhì)量(螺旋槳質(zhì)量附水系數(shù)取1.3)。軸系的有限元模型見圖3。

圖3　軸系有限元模型

2.2模態(tài)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算軸系前10階模態(tài)固有頻率，見表2。

從ANSYS后處理器觀察動(dòng)態(tài)振型圖可以看出，第1階振型主要是扭振振型為主，第2～7階主要為橫振振型為主，第8階以縱向振動(dòng)振型為主，第9、10階同時(shí)存在橫向與縱向振動(dòng)振型。

表2　螺旋槳推進(jìn)軸系前10階模態(tài)固有頻率

3　軸承參數(shù)變化對(duì)軸系振動(dòng)特性影響

3.1推力軸承支承剛度

推力軸承將螺旋槳產(chǎn)生的推力或拉力傳遞給船體，與此同時(shí)也將齒輪箱和螺旋槳激振力傳遞到船體，是軸系振動(dòng)傳遞的重要節(jié)點(diǎn)之一。由此可見，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，也影響了船舶艉部結(jié)構(gòu)振動(dòng)水平[5]。通過軟件模擬不同推力軸承縱向剛度對(duì)船舶軸系振動(dòng)特性的影響，計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4　不同縱向剛度的影響

由圖4可見，推力軸承縱向剛度對(duì)軸系固有振動(dòng)頻率影響主要體現(xiàn)在第8、13、14、20階固有振動(dòng)頻率上，剛度越高固有頻率也隨之升高，對(duì)于其他模態(tài)階數(shù)振動(dòng)頻率影響很小，基本可以忽略。影響較大的幾階模態(tài)都存在縱向振動(dòng)振型，說明推力軸承縱向剛度對(duì)軸系縱向振動(dòng)固有頻率有較大影響[6]。

3.2后艉軸承剛度

后艉軸承一般安裝位置遠(yuǎn)離船體，通過人字架支撐，導(dǎo)致該軸承支撐剛度低；該軸承為水潤(rùn)滑軸承，漁網(wǎng)纏繞和泥沙侵入，容易導(dǎo)致軸承磨損不均，所以后艉軸承工作情況非常惡劣[7]。通過軟件模擬不同后艉軸承軸承支撐剛度對(duì)船舶軸系振動(dòng)特性的影響，計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5　后艉軸承不同剛度的影響

由圖5可見，后艉軸承剛度對(duì)軸系固有振動(dòng)頻率影響主要體現(xiàn)在軸系的中、高階振動(dòng)頻率上，對(duì)于5階以下的低階振動(dòng)頻率影響較小。隨著后艉軸承支撐剛度的增大，軸系固有頻率有增大的趨勢(shì)。

3.3艉軸承不同支撐位置

后艉軸承支撐位置的變化直接影響螺旋槳軸懸掛部分的長(zhǎng)度，螺旋槳的質(zhì)量主要由后艉軸承支撐，考慮到還有螺旋槳附水質(zhì)量，所以后艉軸承支撐位置必須給予關(guān)注。本文通過軟件模擬不同后艉軸承支撐位置對(duì)船舶軸系振動(dòng)特性的影響，分別計(jì)算了后艉軸承支撐位置離螺旋槳中心730、870、1 010、1 150、1 290 mm位置的軸系振動(dòng)模態(tài)，計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖6　后艉軸承不同支承位置的影響

由圖6可見，后艉軸承的支撐位置對(duì)軸系的低、中、高階固有頻率都有較大影響。因此從振動(dòng)的角度看，必須對(duì)船舶后艉軸承的安裝位置進(jìn)行校核，在條件允許的情況下，選擇軸承的支撐位置以調(diào)整軸系的固有頻率，避開有害的共振。實(shí)際船舶后艉軸承相對(duì)其他軸承較寬，隨著軸承的磨損，軸承的支撐中心會(huì)有所變化，所以應(yīng)該對(duì)后艉軸承的磨損予以重視。

4　激振力作用下的軸系振動(dòng)響應(yīng)

螺旋槳激振力是引起船舶軸系產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)的主要原因，也是船體振動(dòng)的主要振源[8]。為了簡(jiǎn)化軸系振動(dòng)響應(yīng)分析，暫不考慮軸系其他激振力的影響，并只以螺旋槳激振力進(jìn)行分析。

4.1螺旋槳激振力計(jì)算

螺旋槳在船艉不均勻伴流場(chǎng)中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的簡(jiǎn)諧交變激振力，其頻率為葉頻。簡(jiǎn)諧縱向激振力和簡(jiǎn)諧扭轉(zhuǎn)激振力矩也可分解成無數(shù)個(gè)倍葉頻kz(z為葉片數(shù)，k=1，2，…)分量，所以簡(jiǎn)諧縱向激振力Fx和簡(jiǎn)諧扭轉(zhuǎn)激振力矩Mx表示為[3,9]

(1)

(2)

帶入工作船的參數(shù)，最終計(jì)算得到以時(shí)間t為自變量的螺旋槳縱向激振力和扭轉(zhuǎn)激振力矩：

Fx=[166 501+16 650.1sin(4ωt)]

Mx=[98 958.8+17 812.6sin(4ωt)]

4.2螺旋槳激振力作用下船舶軸系振動(dòng)響應(yīng)

4.2.1螺旋槳交變縱向力作用下軸系振動(dòng)響應(yīng)

根據(jù)Fx作用下的各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)，軸系各軸承處的縱向位移振幅計(jì)算結(jié)果見圖7。

圖7　各軸承位縱向振幅

由圖7可見，各軸承位的縱向位移在頻率為32 Hz，與模態(tài)計(jì)算32.776 Hz固有頻率相符。軸承位置縱向位移最大振幅從船艉向船艏依次減小，其中后艉軸承處縱向振幅最大，CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》對(duì)中速機(jī)軸系并沒有衡準(zhǔn)要求。工作船的軸系額定轉(zhuǎn)速工作轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的螺旋槳葉頻為17.33 Hz，在此頻率下后艉軸承的縱向最大位移為0.762 mm，齒輪軸后軸承處的縱向位移為0.168 mm，振動(dòng)幅度較小，滿足要求。

4.2.2螺旋槳交變扭轉(zhuǎn)力矩作用下軸系振動(dòng)響應(yīng)

根據(jù)Mx作用下的軸系振動(dòng)響應(yīng)，軸系各軸承處的水平切線方向位移振幅計(jì)算結(jié)果見圖8。

圖8　各軸承位水平切線方向位移振幅

由圖8可見，各軸承位水平切線方向的振動(dòng)位移在頻率為4 Hz時(shí)達(dá)到最大，且各軸承位置處水平切向位移從船尾向船首依次減小。船舶推進(jìn)軸系在螺旋槳處與各個(gè)軸承位處在不同螺旋槳激勵(lì)下發(fā)生的水平切線的振動(dòng)位移都是在4 Hz頻率處，因此要注意避免該頻率下的軸系共振[10]。

5　結(jié)論

1)推力軸承縱向剛度只對(duì)軸系縱向振動(dòng)固有頻率有較大影響，且主要影響高階固有頻率。因此對(duì)于轉(zhuǎn)速較低的船舶軸系來說，推力軸承的縱向剛度變化對(duì)船舶軸系固有振動(dòng)特性的影響不大。但推力軸承作為船舶傳遞推力重要設(shè)備，其剛度參數(shù)還是需要優(yōu)化和加強(qiáng)。

2)后艉軸承剛度對(duì)軸系固有振動(dòng)頻率影響主要體現(xiàn)在軸系的中、高階振動(dòng)頻率上。對(duì)于轉(zhuǎn)速較高，槳葉數(shù)量較多的軸系要給予足夠重視，同時(shí)后艉軸承一般都是水潤(rùn)滑的高分子軸承，工作條件差，其剛度也容易受到影響，因此需要注意軸承間隙和水脹系數(shù)的選擇。

3)后艉軸承的支撐位置變化對(duì)軸系的低、中、高階固有頻率都有較大影響。因此從振動(dòng)的角度看，所有不同類型的船舶，都必須對(duì)船舶后艉軸承的安裝位置進(jìn)行校核，在條件允許的情況下，調(diào)整軸承的支承位置以調(diào)整軸系的固有頻率，避開常用工況下軸系頻率。

4)通過分析船船軸系在螺旋槳激振力作用下的響應(yīng)得到最大位移振幅發(fā)生在螺旋槳和艉軸后軸承位置處。因此類似船舶軸系設(shè)計(jì)時(shí)要加強(qiáng)振動(dòng)響應(yīng)位移最大處軸系強(qiáng)度，并在維護(hù)保養(yǎng)過程中關(guān)注該處軸系的跳動(dòng)情況，排除安全隱患。

[1] 陳可越.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M].北京:中國交通科技出版社,2007.

[2] 王新榮,初旭宏.ANSYS有限元基礎(chǔ)教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[3] 趙婷.船舶推進(jìn)軸系靜動(dòng)態(tài)特性及控制研究[D].西安:西安科技大學(xué),2012.

[4] 周春良.船舶軸系振動(dòng)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2006.

[5] 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.

[6] 周旭輝,楊俊.推力軸承縱向剛度對(duì)船舶軸系振動(dòng)響應(yīng)的影響[J].船海工程,2012,41(4):110-112.

[7] 周春良,劉占生,鄭洪濤.軸承支承長(zhǎng)度及間距對(duì)船舶軸系振動(dòng)特性影響[J].船舶工程,2007,29(5):16-18.

[8] 郭進(jìn)濤,董威.基于ANSYS的高速艇艉軸架軸系振動(dòng)響應(yīng)分析[J].船海工程,2015,44(4):18-20.

[9] 張贛波.船舶主推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)主動(dòng)控制方法研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2012.

[10] 姚熊亮.船體振動(dòng)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2004.

Analysis of Vibration Characteristics and Response of the Working Ship Propulsion Shafting

SU Chao-jun, LI Zi, XU Yi-ran

(No. 704 Research Institute of CSIC, Shanghai 200031, China)

To assess the impact of a working ship shafting bearing parameters on the vibration characteristics, the modal analysis and harmonic response are computed by FEM for the shafting to investigate the influence of the thrust bearing longitudinal stiffness, the after stern bearing support stiffness and position upon the natural frequencies, as well as the shafting vibration response. The numerical results show that the main thrust bearing longitudinal stiffness affects the longitudinal natural frequency of shafting, the after stern bearing stiffness impact medium and high natural frequency, the after stern bearing position impact low, medium and high natural frequency, the maximum displacement in place after stern bearing under exciting force. Some suggestions are proposed to optimize the bearing parameters on shafting design process so as to reduce the risk of abnormal vibration.

marine propulsion shafting; finite element analysis; vibration characteristic; exciting force; vibration response

2015-12-29

2016-03-02

國家部委基金資助項(xiàng)目

蘇朝君(1985—)，男，碩士，助理工程師

U664.21

A

1671-7953(2016)04-0137-04

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.032

研究方向:船舶主推進(jìn)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

E-mail:mycjsu@163.com