船舶推進(jìn)軸系扭振影響因素分析

韓陽(yáng)泉 樊明 冀?？?/p>

摘 要：本文以軸系扭振理論計(jì)算為依據(jù)，分析影響扭振的各項(xiàng)因素，并以此提出解決軸系扭振問(wèn)題的一些建議

關(guān)鍵詞：712所推進(jìn)電機(jī)；柴油機(jī)；船舶；推進(jìn)軸；扭振；影響因素

中圖分類號(hào)：U664.21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 前言

船舶推進(jìn)軸系主要由動(dòng)力裝置、傳動(dòng)軸及螺旋槳組成。傳動(dòng)軸用于將動(dòng)力裝置發(fā)出的動(dòng)力傳遞給螺旋槳，以使其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推進(jìn)力。為了使推進(jìn)系統(tǒng)能安全、高效地長(zhǎng)期運(yùn)行，需要對(duì)機(jī)、槳、軸進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，其中軸系的扭振問(wèn)題對(duì)該系統(tǒng)的使用壽命至關(guān)重要。為此，船舶規(guī)范對(duì)此也作出了規(guī)定，在軸系設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行理論計(jì)算，安裝完成后往往還需要進(jìn)行扭振測(cè)試，因此，軸系扭振計(jì)算是船舶設(shè)計(jì)中重要的一環(huán)。軸系設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)各種影響因素進(jìn)行分析，盡量降低扭振問(wèn)題給船舶運(yùn)行帶來(lái)的負(fù)面影響。本文以采用推進(jìn)電機(jī)和船用柴油機(jī)兩種船舶動(dòng)力裝置的推進(jìn)軸系為例，對(duì)軸系扭振有較大影響的幾個(gè)主要因素進(jìn)行分析。

2 軸承扭振計(jì)算方法

要了解影響軸系扭振的因素，首先要清楚扭振的基本原理和計(jì)算方法。扭振是在變化扭矩的作用下所產(chǎn)生的周期性運(yùn)動(dòng)，凡是不均勻輸出扭矩及吸收扭矩的機(jī)械裝置，均有可能出現(xiàn)扭振現(xiàn)象。

實(shí)際軸系的質(zhì)量是沿軸分布，計(jì)算復(fù)雜。為此，常用的辦法是將其轉(zhuǎn)化成集中質(zhì)量式的當(dāng)量系統(tǒng)，即用圓盤(pán)串以軸段的模型代替原軸系，新生成的模型就是原軸系的當(dāng)量系統(tǒng)，通過(guò)當(dāng)量系統(tǒng)的扭振計(jì)算，可反映實(shí)際系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性。

下面分別以某180TEU集裝箱船和39 000 DWT系列油輪的軸系為例作分析。

2.1 180TEU集裝箱船（電機(jī)推進(jìn)）軸承扭振計(jì)算

2.2 39 000 DWT郵輪（柴油機(jī)推進(jìn)）軸承扭轉(zhuǎn)計(jì)算

39 000 DWT系列油輪采用船用柴油機(jī)為動(dòng)力裝置，其軸系當(dāng)量系統(tǒng)共分成11個(gè)質(zhì)量塊（圖2），其中38、1-6、27、32分別代表主機(jī)曲軸上法蘭、氣缸和活塞、推力軸及飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，43代表中間軸及螺旋槳軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，73代表螺旋槳浸水后的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。各質(zhì)量塊之間的百分?jǐn)?shù)表示作用在該處的內(nèi)、外阻尼，數(shù)字表示連接各質(zhì)量塊的軸徑。

3 軸承扭轉(zhuǎn)主要影響因素

從上面的公式可以看出，影響扭振的主要因素有四個(gè)：質(zhì)量塊的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（I）；各部件的阻尼（C）；連接各質(zhì)量塊的軸的剛度（K）；及外部激振力矩（T）。

下面分別對(duì)采用推進(jìn)電機(jī)和船用柴油機(jī)為動(dòng)力裝置的軸系扭振各影響因素進(jìn)行分析。

3.1 外部激振力矩的影響

3.1.1 電機(jī)推進(jìn)船舶

對(duì)于采用推進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力裝置的船舶軸系來(lái)說(shuō)，推進(jìn)電機(jī)是主要的動(dòng)力源，因此也是主要的外部激勵(lì)力矩源。根據(jù)交流異步推進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行原理，其電機(jī)的扭矩表達(dá)式如下：

3.1.2 柴油機(jī)推進(jìn)船舶

對(duì)于采用船用柴油機(jī)為動(dòng)力裝置的船舶軸系來(lái)說(shuō)，其扭振的外部激振力矩主要有以下幾種：

（1）氣缸內(nèi)周期變化的氣體膨脹壓力在曲軸上形成的交變扭矩；

（2）活塞連桿往復(fù)慣性力所引起的曲軸交變扭矩；

（3）低速大型柴油機(jī)活塞連桿的重量所引起的交變扭矩；

（4）螺旋槳運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的周期性變化的扭矩。

前三項(xiàng)是軸系的驅(qū)動(dòng)扭矩，后一項(xiàng)是軸系的負(fù)荷扭矩。經(jīng)驗(yàn)表明，其中影響較大的激振力矩為前兩項(xiàng)，后兩項(xiàng)所占比例較小，因此，在實(shí)際計(jì)算中，通常只考慮前兩項(xiàng)，而忽略后兩項(xiàng)。

對(duì)二沖程柴油機(jī)，簡(jiǎn)諧次數(shù)ν=1，2，3，……∞。在扭振計(jì)算中，通常只需考慮到12次簡(jiǎn)諧以下的扭矩情況即可，但也有少部分大功率中速機(jī)考慮到16次。

由各次簡(jiǎn)諧扭矩引起的強(qiáng)制扭轉(zhuǎn)振動(dòng)稱為階振動(dòng)。發(fā)生強(qiáng)制扭振時(shí)，軸系按照哪一種振型振動(dòng)，由該激振力矩的頻率決定。

當(dāng)υ次干擾力矩的頻率Nυ與軸系的固有頻率N固接近或相等時(shí)，相應(yīng)的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)確定為臨界轉(zhuǎn)速，此時(shí)轉(zhuǎn)速為n=Nυ/υ。對(duì)一個(gè)軸系而言，也許會(huì)出現(xiàn)多個(gè)臨界轉(zhuǎn)速。

當(dāng)干擾力矩頻率與固有頻率接近或相等時(shí)，此時(shí)軸系發(fā)生共振，即軸系上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力最大，若應(yīng)力超出許用許可，可配備相應(yīng)的減震設(shè)備，如阻尼減震器等，以改變軸系固有頻率，避開(kāi)干擾扭矩的頻率。對(duì)減震設(shè)備參數(shù)的選取，要依據(jù)共振頻率值N。

通過(guò)以上對(duì)比可知，推進(jìn)電機(jī)自身的激振力矩波動(dòng)很小，選用推進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力裝置有益于降低船舶軸系扭振。

3.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及剛度的影響

當(dāng)軸系不受外力作用的時(shí)候，則扭振的控制方程可以寫(xiě)成下式：

IΦ+KΦ=0

以最簡(jiǎn)單情況為例，即方陣I及K均為1階的，此時(shí)系統(tǒng)為扭擺，則系統(tǒng)存在單一的固有頻率N固= 。由上式可知，系統(tǒng)的固有頻率只與當(dāng)量質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和該軸的剛度有關(guān)，與其他參數(shù)無(wú)關(guān)。該結(jié)論同樣適用于有多個(gè)當(dāng)量質(zhì)量的系統(tǒng)，對(duì)多個(gè)質(zhì)量系統(tǒng)，其固有頻率的數(shù)量與當(dāng)量質(zhì)量塊的數(shù)量相對(duì)應(yīng)。

3.3 阻尼的影響

阻尼在扭振系統(tǒng)中的主要作用是對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)能量的轉(zhuǎn)換，由機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能，隨著能量的轉(zhuǎn)換，對(duì)無(wú)激振力的扭轉(zhuǎn)軸系，其振幅是逐漸衰減的，直至消失。

推進(jìn)電機(jī)及柴油機(jī)軸系的阻尼存在著共性，主要有：軸承中的液體摩擦、空氣對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的阻力、間隙引起的沖擊消耗及軸段內(nèi)部分子間摩擦的遲滯阻尼、水對(duì)螺旋槳的阻力等。

柴油機(jī)軸系還存在著活塞環(huán)和汽缸套之間的摩擦阻尼，以上各方面均以阻尼系數(shù)c來(lái)代替，出現(xiàn)在扭振控制方程中。

4 減振與避振

以上分析了影響軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的主要因素，針對(duì)這些因素，可以作出相應(yīng)對(duì)策來(lái)降低軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。其主要對(duì)策有幾個(gè)方面。

4.1 減少簡(jiǎn)諧激振力矩

激振力矩是扭振的動(dòng)力根源，減少激振力矩，就可以直接減小扭轉(zhuǎn)振幅。其方法有：

（1）采用推進(jìn)電機(jī)替代船用柴油機(jī)：由于船舶推進(jìn)電機(jī)采用電磁原理，利用磁感應(yīng)線切割原理使推進(jìn)電機(jī)輸出端轉(zhuǎn)動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)受力不均勻，而且設(shè)備內(nèi)部的轉(zhuǎn)動(dòng)軸相對(duì)于船用低速柴油機(jī)的曲軸要短很多，自身內(nèi)部的扭振幅度很小，對(duì)于整套軸系可以忽略不計(jì)，從而一定程度上消減了軸系扭振。例如，180TEU集裝箱船采用了712所的推進(jìn)電機(jī)，極大程度的減小了船舶推進(jìn)軸系的扭振；

（2） 改變柴油機(jī)發(fā)火順序：主機(jī)的發(fā)火順序改變可以使副臨界轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，進(jìn)而避開(kāi)常用的轉(zhuǎn)速范圍，但對(duì)主臨界轉(zhuǎn)速?zèng)]有影響。通常，用戶是按主機(jī)廠家設(shè)定的發(fā)火順序運(yùn)行，如發(fā)生扭振問(wèn)題，可以改變其原設(shè)定的發(fā)火順序進(jìn)行副臨界轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；

（3）改變振型：在主機(jī)曲軸的自由端或中間軸段的雙節(jié)點(diǎn)振幅較大處加設(shè)副飛輪，可使軸系的固有頻率和振型發(fā)生改變，使臨界轉(zhuǎn)速脫離常用轉(zhuǎn)速范圍，還能降低扭振振幅。目前我廠所用的主機(jī)均帶有大飛輪或者大的調(diào)頻輪，其主要作用是調(diào)整扭振頻率或振幅；

（4）合理選擇槳葉安裝位置，可以降低螺旋槳的激振力矩。并且不要使用與主機(jī)主諧量相同的槳葉葉數(shù)。

4.2 調(diào)整系統(tǒng)自振頻率

改變軸系的自振頻率，可以將軸系臨界轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)移到主機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍之外。主要方法有：

（1）改變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以降低軸承固有頻率，反之則提高軸系的固有頻率。該方法是比較常用的，多采用增加法蘭尺寸或飛輪尺寸的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)；

（2）改變軸段剛度：在理想狀態(tài)下，如果軸系是完全剛度的沒(méi)有彈性，則軸系是不會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的，因此增加軸段的剛度，可以降低扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。最直接的辦法就是增加直徑，但是直徑的增加也意味著成本的增加，而且軸徑的變動(dòng)，對(duì)整個(gè)軸系的影響比較大，故盡量不采用這種方法；

（3）加裝彈性聯(lián)軸節(jié)：高彈性聯(lián)軸節(jié)既是聯(lián)軸節(jié)又是減震器，可以改變軸系的剛度，同時(shí)產(chǎn)生阻尼降低振幅。

3.3 配置減振器

當(dāng)以上辦法仍不能有效解決扭振問(wèn)題時(shí)，則可以在柴油機(jī)自由端配置減振器。目前應(yīng)用較多的是硅油減振器和動(dòng)力阻尼型減振器（蓋斯林格型），兩種減振器原理基本相同，均是提供大阻尼、消耗多余能量、降低扭振幅度。對(duì)動(dòng)力型減振器，還可增加軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，改變軸系的固有頻率，使臨界轉(zhuǎn)速發(fā)生改變。

3.4 設(shè)置轉(zhuǎn)速禁區(qū)

如果軸系在某轉(zhuǎn)速時(shí)的應(yīng)力小于規(guī)范中的瞬時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)許用應(yīng)力，但超過(guò)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)使用應(yīng)力，則可以設(shè)置轉(zhuǎn)速禁區(qū)。在軸系運(yùn)行操作時(shí)，快速通過(guò)該轉(zhuǎn)速區(qū)域。

5 結(jié)論

本文依據(jù)推進(jìn)軸系扭振計(jì)算方程式，分析扭振的影響因素，根據(jù)各影響因素的特點(diǎn)，提出了減振、避振的一些措施，但愿能為船舶推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一點(diǎn)提示，優(yōu)化機(jī)、槳、軸的匹配設(shè)計(jì)，以降低軸系設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，并期望能為解決某些船舶的扭振問(wèn)題提供幫助。

參考文獻(xiàn)

[1]許定秀，李宗等編著。船舶柴油機(jī)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。人民交通出版社，1982