艦艇槳-軸系-船體耦合振動測試實尺度試驗臺設(shè)計

，，

(中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011)

近年來我國“安靜型”艦艇的需求顯著增加，尤其是要求低航速時具有較低的水下輻射噪聲水平。從國內(nèi)外文獻資料及控制水下輻射噪聲的措施來看，艦艇低頻段輻射噪聲占總體輻射噪聲能量的一半以上，說明低頻段噪聲是艦艇低速航行工況輻射噪聲主要貢獻來源[1]。根據(jù)潛艇聲隱身設(shè)計經(jīng)驗，在機械噪聲、螺旋槳噪聲等主要噪聲源得到有效控制后，槳-軸系-船體的耦合振動就成為產(chǎn)生低頻噪聲的主要振動源。

針對槳-軸系-船體耦合振動噪聲及其控制技術(shù)的研究，目前國內(nèi)多針對潛艇[2-4]，而對水面艦艇的關(guān)注不多，且涉及到軍事公開發(fā)表的文獻較少，國內(nèi)基本處于理論分析和模型試驗研究階段。推進軸系的振動除對軸系本身產(chǎn)生損壞外，還通過艉軸承、中間軸承、推力軸承及基座將螺旋槳不均勻的激振力傳遞給船體，引起船體振動并產(chǎn)生水下輻射噪聲[5]。在以往的研究中通常將螺旋槳、軸系和船體分別獨立研究，如螺旋槳激振力的計算方法[6]、軸系的橫振(縱振)計算及其影響因素研究[7]、船體結(jié)構(gòu)的受迫振動與聲輻射特性[8]等，而圍繞推進軸系振動激勵船體結(jié)構(gòu)振動引發(fā)輻射噪聲的機理研究則較少，并忽略了相互之間的耦合關(guān)系。實際上，各支撐軸承和推力軸承除提供推進軸系的支撐和推力外，還是螺旋槳脈動激勵力向船體傳遞的主要通道。

目前國內(nèi)現(xiàn)有的軸系試驗臺，還不能綜合考慮實艦基于多種減振降噪措施及考慮槳-軸系-船體耦合振動測試的試驗。通過搭建基于減振降噪設(shè)計且與實船較吻合的槳-軸系-船體結(jié)構(gòu)耦合振動測試的實尺度試驗臺，以獲得槳-軸系-基座-船體的振動傳遞規(guī)律、驗證耦合動力特性的建模分析方法與理論計算結(jié)果的正確性，還可以得到船體結(jié)構(gòu)的振動傳遞特性和中間軸承、推力軸承振動特性以及考核本艦軸系減振設(shè)備和各項減振措施的減振效果，形成更切合實際的槳-軸系-船體耦合振動噪聲預(yù)報及控制技術(shù)的研究方法，最終達到全艦槳-軸系-船體耦合振動噪聲的控制要求以降低水下輻射噪聲總級，提高艦艇的聲隱身性能。文中主要介紹實尺度試驗臺的總體設(shè)計建造方案及設(shè)計的幾個難點，簡要分析部分試驗結(jié)論。

1 試驗臺總體設(shè)計

槳-軸系-船體耦合振動測試試驗臺由試驗艙段、底部支撐基座、艉部靜動力加載裝置、艏部支撐裝置、振動噪聲測試儀表等組成，見圖1。試驗艙段由實船整個艉部艙段結(jié)構(gòu)、推進軸系、管系、配電供電系統(tǒng)等組成。為確保試驗艙段在結(jié)構(gòu)強度、振動傳遞特性等方面跟實船具有較好的吻合性，對整個艉部艙段的結(jié)構(gòu)在長度和高度方向上合理延伸，且艙段內(nèi)結(jié)構(gòu)、軸系布置、安裝基座、管路放樣、減振降噪措施等均與實船一致。為隔離管路對測試艙段的影響，與試驗艙段相連的外部管路均采用撓性連接。

2 試驗臺設(shè)計的幾個難點

2.1 振動響應(yīng)隔離系統(tǒng)設(shè)計

為了模擬實船在海中懸浮的自由狀態(tài)，試驗艙段不能受底部支撐結(jié)構(gòu)、艉部加載裝置、艏部支撐裝置的強約束，還要隔離試驗場地對振動測試的影響，因此，試驗艙段與艉部加載裝置、底部支撐基座、艏部支撐裝置均通過空氣彈簧組件隔離。

為使底部空氣彈簧承受的載荷具有較好的一致性，將底部所有空氣彈簧的充氣管連通，共用同一氣源，空氣彈簧充氣后自動調(diào)節(jié)以適應(yīng)試驗艙段的質(zhì)量分布和變化。通過艉部靜動力加載裝置給試驗艙段加載，為了試驗艙段不移動，需在艏部安裝支撐裝置，且艉部加載裝置和艏部支撐裝置空氣彈簧的充氣管連通，確保艉部施加的載荷通過艏部支撐裝置對等抵消。振動響應(yīng)隔離系統(tǒng)設(shè)計模型，見圖2。

2.2 試驗艙段底部支撐基座設(shè)計

整個試驗艙段的底部支撐基座由多組橫梁、木墩、鋼墩、空氣彈簧組件等組成，橫梁均設(shè)置于水泥地基試驗場地的7組鋼軌上，與鋼軌垂直布置，見圖3。

木墩上表面形狀按船體外表面線型加工，與橫梁通過麻繩綁扎及馬釘固定，兩者之間不發(fā)生相對運動。為安全起見，設(shè)有橫向保護支撐以免試驗艙段傾翻。

2.3 艉部靜動力加載裝置設(shè)計

推進軸系運行時，螺旋槳除了產(chǎn)生定常推力外，還因流場變化、螺旋槳懸臂形成的非定常載荷，而在試驗臺上螺旋槳因不在水中運行不會產(chǎn)生軸向推力和非定常載荷。為了模擬實船推進軸系的運行狀態(tài)，需要在試驗艙段的艉部設(shè)計一套能同時施加靜推力載荷和縱向動態(tài)激振力的加載裝置。艉部靜動力加載裝置由支架框架結(jié)構(gòu)、靜力加載裝置、激振機、轉(zhuǎn)接頭、空氣彈簧組件、手動葫蘆、手動單軌小車等組成，艉部靜動力加載裝置與底部橫梁、地基焊接固定，見圖4。

艉部靜動力加載裝置施加的靜推力和脈動力載荷根據(jù)實船螺旋槳計算得到，通過控制空氣彈簧的壓力來調(diào)整靜推力的載荷大小，縱向動態(tài)激振力采用激振機施加。激振機在加載靜推力的轉(zhuǎn)接頭后再施加軸向動態(tài)激振力，激勵槳-軸系-船體系統(tǒng)發(fā)生振動。

2.4 艏部支撐裝置

由于艉部靜動力加載裝置對推進軸系艉部施加了較大的靜推力，并通過推力軸承傳遞至安裝基座即試驗艙段上。為避免試驗艙段被推動，需在試驗艙段艏部安裝一個支撐裝置，主要由支架框架結(jié)構(gòu)、空氣彈簧組件、底部橫梁等組成，空氣彈簧組件應(yīng)對稱布置在強框結(jié)構(gòu)上，以抵消艉部施加的載荷。

2.5 模擬螺旋槳設(shè)計

考慮到使用實船螺旋槳的生產(chǎn)周期及成本，采用模擬螺旋槳代替實船螺旋槳。模擬螺旋槳主要由槳轂與圓盤組成，槳轂與圓盤通過螺栓連接，模擬槳轂通過液壓方式安裝在艉軸上。通過調(diào)整圓盤的外徑、厚度及安裝位置，可確保模擬螺旋槳的重量、重心及轉(zhuǎn)動慣量與實船螺旋槳完全相同。

2.6 艉部密封裝置設(shè)計

與海上不同，陸上試驗時后艉軸承出口需加裝密封裝置，以解決艉部出水端暴露在空氣中后艉軸承圓周方向充水不足導(dǎo)致賽龍軸承潤滑、冷卻不足的問題，同時為便于拆裝及調(diào)整，將艉部密封裝置設(shè)計成剖分式，出水孔布置在頂部便于排氣并確保艉軸承內(nèi)充滿冷卻水以充分潤滑、冷卻，通過壓蓋調(diào)整盤根密封的壓緊程度控制軸向泄漏量以確保本裝置必需的潤滑和冷卻，見圖5。

2.7 試驗臺安全性評估

2.7.1 試驗臺強度校核

試驗艙段質(zhì)量約130 t，試驗艙段前、后及底部均為空氣彈簧支撐，相對較軟，應(yīng)根據(jù)試驗艙段質(zhì)量分布確定木墩的數(shù)量和布置位置，且木墩與船體外板應(yīng)具有良好的配合以保證有效的接觸面積。為確保陸上試驗的安全性，設(shè)計過程中進行了木墩承載能力核算和底部支撐基座、艉部支撐架、艏部支撐架及艙段保護性支撐的強度校核，形成試驗臺安全評估報告。

2.7.2 空氣彈簧失效應(yīng)對措施

在試驗過程中，若單個或數(shù)個空氣彈簧失效或壓縮空氣泄漏，可能會導(dǎo)致艙段受力發(fā)生劇烈變化，可能引起試驗艙段的側(cè)滑或側(cè)翻，引發(fā)重大事故。采取了如下應(yīng)對措施。

1)使用前嚴格檢查和測試空氣彈簧，確認無漏氣及失效可能。

2)艏部支撐裝置、艉部加載裝置的空氣彈簧供氣管路相互連通確保壓縮空氣壓力一致，如發(fā)生泄漏，施加到試驗艙段的載荷也隨之下降。

3)底部基座的空氣彈簧供氣管路相互連通確保壓縮空氣壓力一致，如發(fā)生泄漏，承載能力下降，試驗艙段的重量由木墩承受。

4)空氣彈簧使用時應(yīng)緩慢充氣、放氣，監(jiān)測壓力變化和艙段位移。

5)設(shè)置試驗艙段橫向保護支撐，在空氣彈簧失效后，可起到保護作用，防止試驗艙段發(fā)生大位移側(cè)滑。

3 應(yīng)用

本試驗臺搭建、調(diào)試完成后，按要求進行了相關(guān)試驗。經(jīng)試驗分析，槳-軸系-船體耦合振動噪聲的縱向分量明顯大于橫向和垂向分量，決定了槳-軸系-船體系統(tǒng)耦合振動的噪聲總級；縱向、橫向和垂向噪聲均隨頻率增大而減小，縱向噪聲總級主要由低頻段數(shù)個峰值頻率處的噪聲值決定。這與數(shù)值計算的規(guī)律一致，因此應(yīng)重點分析槳-軸系-船體耦合振動噪聲的縱向振動傳遞特性。

推力軸承是螺旋槳載荷施加到船體的受力點，是槳-軸系-船體耦合振動響應(yīng)傳遞的關(guān)鍵點。僅對額定工況采用“正弦慢掃”試驗方法時推力軸承處縱向振動頻響傳遞函數(shù)的試驗結(jié)果與數(shù)值計算對比分析，見圖6。

由圖6可見，數(shù)值計算和試驗結(jié)果在低頻峰值處的頻率和幅值較吻合，頻率相差在4%以內(nèi)，傳遞函數(shù)相差在2 dB以內(nèi)；系統(tǒng)低頻峰值在33 Hz和45 Hz附近，不是軸系本身的軸頻和葉頻，應(yīng)為槳-軸系-船體耦合系統(tǒng)的固有頻率，該縱向振動固有頻率是殼體聲輻射低頻的主要來源。

4 結(jié)論

1)闡述了艦艇槳-軸系-船體耦合振動測試試驗臺總體設(shè)計方案中振動響應(yīng)隔離系統(tǒng)、試驗艙段支撐基座、艉部靜動力加載裝置、模擬螺旋槳、艉部密封裝置等幾個方面的設(shè)計難點，為后續(xù)科研提供一種合理的工程設(shè)計方案。

2)獲得了槳-軸系-船體耦合系統(tǒng)縱向振動響應(yīng)傳遞函數(shù)、船體結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)特性，考核了各減振降噪措施的效果。

3)通過試驗可修正并形成更切合實際的槳-軸系-船體耦合振動噪聲預(yù)報的數(shù)值計算方法。

4)陸上試驗只模擬了螺旋槳在水中運行時的一階非定常力，模擬高階非定常力尚有較大難度，有待后續(xù)深入研究。一階非定常力占據(jù)了螺旋槳非定常激勵的絕大部分量能，對試驗?zāi)康牡挠绊戄^小，滿足工程精度要求。