支撐參數(shù)對船舶軸系-軸承-基座系統(tǒng)振動特性影響研究

李全超，俞　強，劉　偉

（中國艦船研究設計中心，湖北　武漢 430064）

支撐參數(shù)對船舶軸系-軸承-基座系統(tǒng)振動特性影響研究

李全超，俞強，劉偉

（中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064）

針對支撐參數(shù)改變軸系振動特性問題，建立軸系-軸承-基座系統(tǒng)分析模型，研究軸承支撐剛度、基座支撐剛度等支撐參數(shù)對系統(tǒng)振動固有特性、振動傳遞特性的影響規(guī)律，并提出軸系減振設計參數(shù)控制方向。分析結果表明：軸系橫向振動模態(tài)頻率對軸承剛度、基座剛度在某些區(qū)間較為敏感；軸系橫向振動部分穩(wěn)定模態(tài)頻率不隨支撐參數(shù)改變；螺旋槳軸承強基座剛度、弱軸承剛度，有利于降低螺旋槳橫向激勵力通過軸系向螺旋槳軸承的傳遞；艙內油潤滑軸承支撐參數(shù)改變對降低螺旋槳軸承處的振動傳遞影響較小。

船舶軸系；支撐參數(shù)；振動特性

0　引 言

軸系是船舶推進系統(tǒng)的重要組成部分，其任務使命是將主機驅動扭矩傳遞至螺旋槳，同時將螺旋槳產(chǎn)生的推力傳遞至船體結構，使船舶獲得動力。軸系運轉過程中受到了螺旋槳的振動脈動力的作用，同時軸系自身制造和安裝殘余不平衡量等因素也會產(chǎn)生不平衡激勵，引發(fā)軸系振動，并傳遞至船體結構引發(fā)聲輻射。軸系支撐參數(shù)是影響軸系振動特性的重要因素之一，影響著軸系振動傳遞特性。本文對某船舶軸系進行相似建模，研究支撐軸承徑向剛度、支撐基座徑向剛度等支撐參數(shù)對軸系振動特性的影響規(guī)律，探討軸系振動的控制方向。

1　軸系-軸承-基座系統(tǒng)模型建立

1.1軸系-軸承-基座動力學模型建立

船舶軸系布置情況如圖1 所示，該軸系由 4 個軸承組成，從聯(lián)軸器端向尾部開始編號，以靠近聯(lián)軸器的軸承編號為 1。其中 1#、2#軸承為油潤滑軸承，3#、4#軸承為水潤滑軸承。每個支撐點由軸承剛度、阻尼，軸承質量，基座剛度、阻尼等參數(shù)組成。

圖1　船舶軸系示意圖Fig.1　Scheme of marine shaft

軸系支撐剛度由軸承剛度和基座剛度兩部分串聯(lián)而成，為便于分析各剛度因素對軸系振動特性的影響規(guī)律，將軸承剛度和基座剛度單獨考慮建立軸系動力學模型。系統(tǒng)動力學方程式為：

式中：M，C，K 分別為系統(tǒng)的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；q 為系統(tǒng)的位移矩陣；R 為系統(tǒng)的激振力列向量。

1.2軸系-軸承-基座有限元模型建立

采用商業(yè)有限元軟件Ansys對某艦船進行軸系-軸承-基座建模。根據(jù)該型船舶軸系結構特點，軸系各軸段采用梁單元建模，螺旋槳、彈性聯(lián)軸器、推力盤面、各支撐軸承均采用集中質量建模，軸承剛度、基座剛度采用彈簧—阻尼器建模，螺旋槳質量輸入時考慮其附連水質量。其中，4#軸承支點設在距螺旋槳尾端 1/3 L 處（L 為 4#軸承軸瓦長度），其他支撐軸承支點設在軸瓦中部。建立的船舶軸系有限元模型如圖2所示。

圖2　船舶軸系有限元模型Fig.2　FE model of marine shaft

2　軸系振動固有特性分析

2.1支撐軸承剛度對軸系振動固有特性分析

在其他參數(shù)不變的條件下單獨改變某一軸承的支撐剛度，分析剛度變化對軸系前10階橫向振動模態(tài)頻率的影響規(guī)律，計算結果見圖3。從圖3可看出：

1）各階模態(tài)頻率對不同軸承剛度變化的敏感性不同，隨著支承軸承的剛度逐步增加，大部分模態(tài)頻率遵循“穩(wěn)定—上升—穩(wěn)定”的規(guī)律，上升區(qū)間可認為是剛度敏感區(qū)；

圖3　軸承剛度對軸系橫向振動頻率影響Fig.3　Effect of bearing stiffness on shaft system transverse vibration frequency

2）部分模態(tài)頻率存在基本不隨支承軸承剛度改變現(xiàn)象，可認為是穩(wěn)定頻率；

3）部分頻率隨剛度變化曲線存在交叉現(xiàn)象。

2.2基座剛度對軸系振動固有特性分析

在其他參數(shù)不變的條件下單獨改變某一軸承的基座剛度，分析剛度變化對軸系前10階橫向振動模態(tài)頻率的影響規(guī)律，結果見圖4。從圖4 可看出：

1）與軸承剛度相似，隨基座剛度的變化大部分模態(tài)頻率遵循“穩(wěn)定—上升—穩(wěn)定”的規(guī)律，基座剛度也存在模態(tài)頻率的剛度敏感區(qū)，但敏感區(qū)域不同；

2）與軸承剛度相似，同樣存在模態(tài)頻率基本不隨基座剛度改變的穩(wěn)定頻率；

3）與軸承剛度相似，部分頻率隨基座剛度變化曲線存在交叉現(xiàn)象。

3　軸系振動傳遞特性分析

根據(jù)螺旋槳激勵力傳遞特性測試經(jīng)驗，螺旋槳橫向激勵力主要通過螺旋槳軸承（即 4# 軸承）向船體結構傳遞。因此，本文以 4#軸承振動響應為研究對象，分析剛度變化對軸系振動傳遞特性的影響。

3.1支撐軸承剛度對軸系振動傳遞特性分析

在其他參數(shù)不變的條件下單獨改變某一軸承的支撐剛度，通過在螺旋槳處施加橫向激勵力，獲取支撐軸承處的振動速度傳遞函數(shù)，分析軸承剛度變化對軸系振動傳遞特性的影響。

圖4　基座剛度變化對軸系橫向固有頻率影響Fig.4　Effect of bearing pedestal stiffness on shaft system transverse vibration frequency

各軸承剛度變化對軸系在 4#軸承處的橫向振動傳遞特性的影響結果見圖5。從圖5 可看出：

1）1#軸承、2#軸承剛度變化時 4#軸承振動傳遞函數(shù)曲線基本重合，表明 1#軸承、2#軸承剛度對 4#軸承振動傳遞特性無影響；

2）隨著 3#軸承剛度增加，4#軸承振動傳遞函數(shù)曲線幅值略有下降，表明 3#軸承剛度的增加有利于衰減軸系振動向 4#軸承傳遞；

3）隨著 4#軸承剛度降低，4#軸承振動傳遞函數(shù)曲線幅值急劇下降，說明 4#軸承剛度的降低對衰減軸系振動向 4#軸承的傳遞非常有利。

3.2基座剛度對軸系振動傳遞特性分析

各基座剛度變化對軸系在 4#軸承處的橫向振動速度傳遞函數(shù)的影響結果見圖6。從圖6中可看出：

1）與軸承剛度變化規(guī)律相同，1#軸承、2#軸承基座剛度變化時 4#軸承振動傳遞函數(shù)曲線基本重合，說明該基座剛度對 4#軸承振動傳遞特性無影響；

2）與軸承剛度變化規(guī)律相同，隨著 3#軸承基座剛度增加，4#軸承振動傳遞函數(shù)曲線幅值略有下降，說明基座剛度的增加有利于衰減軸系振動向 4#軸承傳遞；

圖5　軸承剛度變化對軸系振動傳遞特性影響Fig.5　Effect of bearing stiffness on shaft system transverse vibration transmission

圖6　基座剛度變化對軸系振動傳遞特性的影響Fig.6　Effect of bearing pedestal stiffness on shaft system transverse vibration transmission

3）隨著 4#軸承基座剛度增加，4#軸承振動傳遞函數(shù)曲線幅值急劇下降，說明 4#軸承基座剛度的增加對衰減軸系振動向 4#軸承的傳遞非常有利。

4　結　語

計算結果表明，軸承剛度、基座剛度對軸系振動固有特性影響規(guī)律相似，但對軸系振動傳遞特性影響不同，總結上述軸承剛度、基座剛度對軸系振動特性的影響規(guī)律，可得軸系減振設計時參數(shù)控制原則如下：

1）軸系橫向振動模態(tài)頻率對軸承剛度、基座剛度存在敏感區(qū)，軸系設計時可根據(jù)模態(tài)頻率對剛度的敏感情況適當調整軸承剛度和基座剛度；

2）軸系橫向振動存在的部分穩(wěn)定模態(tài)頻率，不隨軸承剛度、基座剛度變化，若該階模態(tài)頻率為振動控制對象，改變軸系支撐剛度難以達到優(yōu)化模態(tài)頻率的控制目標；

3）對于 4#軸承，強基座剛度、弱軸承剛度，有利于降低螺旋槳橫向激勵力通過軸系向 4#軸承的傳遞；

4）對于艙內油潤滑軸承，軸承剛度、基座剛度改變對螺旋槳激勵通過軸系向 4#軸承的傳遞影響較小，軸系橫向振動控制設計時可忽略。

［1］聞邦椿，顧家柳，夏松波，等.高等轉子動力學——理論、技術與應用［M］.北京: 機械工業(yè)出版社，1999.WEN Bang-chun，GU Jia-liu，Xia Song-bo，et al.Advanced rotor dynamics—theory technology and application［M］.Beijing: China Machine Press，1999.

［2］鐘一諤，何衍宗，王正，等.轉子動力學［M］.北京: 清華大學出版社，1987.ZHONG Yi-e，HE Yan-zong，WANG Zheng，et al.Rotor dynamics［M］.Beijing: Tsinghua University Press，1987.

［3］陳之炎.船舶推進軸系振動［M］.上海: 上海交通大學出版社，1987.CHEN Zhi-yan.Marine shaft vibration［M］.Shanghai: Shanghai Jiaotong University Press，1987.

［4］王濱.軸承剛度對船舶軸系振動特性的影響研究［J］.齊齊哈爾大學學報，2009，25（6）: 55-60.WANG Bin.Effect of bearing stiffness on ship shafting system vibration performance［J］.Journal of Qiqihar University，2009，25（6）: 55-60.

［5］張洪才.ANSYS 14.0理論解析與工程應用實例［M］.北京: 機械工業(yè)出版社，2012.ZHANG Hong-cai.ANSYS 14.0 theory analysis and engineering application examples［M］.Beijing: China Machine Press，2012.

［6］丁德勇，張偉，楊坤.艦船艉軸架系統(tǒng)固有振動特性測試與分析方法［J］.中國艦船研究，2013，8（2）: 95-99.DING De-yong，ZHANG Wei，YANG Kun.The experiment and analytical method of the inherent characteristics of ship shaft bracket systems［J］.Chinese Journal of Ship Research，2013，8（2）: 95-99.

［7］沈永鳳，方成躍，曹宏濤.船舶艉軸承的工作特性分析［J］.中國艦船研究，2011，6（1）: 78-81，85.SHEN Yong-feng，F(xiàn)ANG Cheng-yue，CAO Hong-tao.Performance characteristics analysis on the shaft bearing of propeller［J］.Chinese Journal of Ship Research，2011，6（1）: 78-81，85.

Effect of supporting parameters on marine shaft vibration characteristics

LI Quan-chao，YU Qiang，LIU Wei
（China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China）

Due to the vibration characteristics changed by supporting parameters，a FE model of ship shafting system was built.The ship shafting system's vibration characteristic under different supporting parameters such as bearing stiffness，bearing pedestal stiffness was analyzed.The shafting vibration control design principles were put forward.Numerical result shows that: 1）shaft system transverse vibration frequencies vary intensely by the section bearing stiffness and bearing pedestal stiffness.2）Parts of shaft system transverse vibration frequency don't vary by Supporting Parameters changed.3）Weak bearing stiffness and strength bearing pedestal stiffness are beneficial to reduce the vibration transmission from propeller to propeller bearing.4）The supporting parameters of oil-lubricated bearing under duck have less effect on vibration transmission from propeller to propeller bearing.

marine shaft；supporting parameters；vibration characteristics

U664.21

A

1672-7619（2016）06-0101-04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.06.020

2015-11-25；

216-01-06

“十二五”預研基金資助項目（51334010101）

李全超（1985-），男，碩士，工程師，研究方向為船舶推進軸系振動控制。