兩種船舶尾軸碰摩工況特性研究

陳天然，董良雄，俞嘉陽(yáng)，江 偉

(浙江海洋大學(xué) 海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院，浙江 舟山 316022)

船舶在航行過(guò)程中會(huì)由于船舶裝載、波浪等因素的影響，導(dǎo)致船體發(fā)生不均勻變形和隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而軸系、艉軸承油膜和船體之間產(chǎn)生振動(dòng)耦合。同時(shí)，由于船舶軸系的不對(duì)中或者彎曲，使得艉軸的運(yùn)動(dòng)振幅增大，當(dāng)其振幅超過(guò)艉軸承與軸頸之間的間隙時(shí)，會(huì)引起艉軸和艉軸承之間的碰摩，從而影響船舶軸系的正常運(yùn)行與船舶動(dòng)力系統(tǒng)的功能發(fā)揮。為了研究碰摩現(xiàn)象，一般采取試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)研究，鑒于碰摩試驗(yàn)具有破壞性，目前試驗(yàn)臺(tái)一般采用碰摩裝置來(lái)模擬碰摩載荷，碰摩裝置采用螺栓與碰摩盤的碰摩來(lái)模擬艉軸與艉軸承的碰摩，在經(jīng)過(guò)螺栓調(diào)節(jié)后，可以實(shí)現(xiàn)多種工況時(shí)碰摩載荷的模擬，但這種實(shí)驗(yàn)研究的有效性較大程度地取決于試驗(yàn)臺(tái)模擬工況與實(shí)際船舶艉軸碰摩工況是否相同。針對(duì)此問(wèn)題，本文對(duì)試驗(yàn)臺(tái)碰摩工況與實(shí)船碰摩工況進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了誤差修正方案，從而使基于試驗(yàn)臺(tái)的碰摩試驗(yàn)更具有科學(xué)性和廣泛性。

1 基于碰摩盤的試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示，在機(jī)座上安置有變頻電機(jī)，通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)軸系及附件轉(zhuǎn)動(dòng)，并在軸系艉軸設(shè)置有加載裝置，軸中安放多處固定支承。變頻電機(jī)用于調(diào)節(jié)軸系轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖冚S系工況，并利用監(jiān)測(cè)控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)不同軸系工況的控制以及對(duì)各運(yùn)動(dòng)部件的監(jiān)測(cè)以及試驗(yàn)參數(shù)的采集；在中間軸承和前后艉軸承軸承座上安裝有測(cè)力傳感器，可以用于獲取在不同載荷工況下艉軸承油膜的運(yùn)動(dòng)特性。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

為了對(duì)碰摩載荷進(jìn)行模擬，試驗(yàn)臺(tái)采取了一種碰摩裝置將其附加在原有的軸系試驗(yàn)平臺(tái)上。該裝置采用優(yōu)質(zhì)碳鋼來(lái)制作一個(gè)圓盤式結(jié)構(gòu)，可在船舶艉軸上實(shí)現(xiàn)自由的安裝和拆卸。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，碰摩盤上四周均勻分布有4個(gè)調(diào)節(jié)螺栓，螺栓下部均與彈簧相連，當(dāng)設(shè)定好調(diào)節(jié)螺栓的位置后，螺栓就會(huì)與試驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸發(fā)生碰摩作用，使軸受到碰摩載荷作用，還可以通過(guò)更換不同的彈簧或改變同一螺栓的下旋程度，來(lái)模擬不同的碰摩載荷。

2 兩種碰摩工況分析

2.1 艉軸試驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特征

將艉軸簡(jiǎn)化為轉(zhuǎn)子圓盤模型與之相連，建立艉軸—油膜—艉部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的力學(xué)模型[1-4]，根據(jù)其力學(xué)模型原理，可列出如下系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為：

圖2 碰摩裝置結(jié)構(gòu)示意圖

(1)

(2)

式中均已無(wú)量綱化，x、y分別是X軸、Y軸上的分量，α為油膜力與坐標(biāo)軸的夾角，V、S、G為數(shù)學(xué)變量。其中：

短軸承油膜力模型建立了軸承偏心率、軸承載荷和其它一些軸承特性的關(guān)系，并忽略了軸承內(nèi)周向壓力流的影響。從油膜力計(jì)算模型可以看出，在船舶軸系運(yùn)行過(guò)程中，艉軸與艉軸承的間隙對(duì)油膜力產(chǎn)生較大的影響，進(jìn)而會(huì)影響軸系振動(dòng)特性，產(chǎn)生不同的碰摩工況。

2.2 試驗(yàn)臺(tái)碰摩工況數(shù)值模擬

在利用船舶艉軸試驗(yàn)臺(tái)研究碰摩現(xiàn)象時(shí)，碰摩工況是指艉軸與碰摩盤內(nèi)碰摩桿發(fā)生碰摩時(shí)的瞬間[5]。為分析這種現(xiàn)象，可假設(shè)碰摩盤之間的間隙為δ，碰撞過(guò)程為彈性變形則碰摩力在x、y方向上的分量，可表示為：

(3)

選取船舶軸系轉(zhuǎn)速為850 r/min，碰摩摩擦系數(shù)為0.1，碰摩間隙為0.000 18 mm，從而進(jìn)行數(shù)值模擬，得到其振動(dòng)軌跡曲線和振幅—時(shí)間響應(yīng)曲線如圖3所示，此時(shí)發(fā)生碰摩現(xiàn)象。

圖3 實(shí)驗(yàn)室碰摩工況模擬圖

從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，碰摩載荷對(duì)軸系的影響是瞬態(tài)和周期性的，當(dāng)船舶軸系轉(zhuǎn)速和彈簧剛度一定時(shí)，碰摩間隙越小，即碰摩載荷越大,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性越低,振動(dòng)變得越發(fā)復(fù)雜，振動(dòng)的頻率成分豐富,既有低頻成分又有高頻成分，軸系最大振幅為0.7 mm。

2.3 實(shí)際船舶艉軸碰摩過(guò)程模擬

利用碰摩盤模擬的碰摩過(guò)程是艉軸與碰摩桿之間的碰摩，艉軸與艉軸承之間仍具有一定的間隙，艉軸承油膜壓力仍對(duì)艉軸的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大的影響。而實(shí)際上，當(dāng)船舶艉軸與艉軸承發(fā)生碰摩時(shí)，碰摩點(diǎn)處油膜厚度為零，因此其動(dòng)態(tài)油膜壓力分布對(duì)艉軸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響與碰摩盤是不同的。為了分析該工況下軸系運(yùn)動(dòng)特征，利用公式(2)計(jì)算油膜力，選取船舶軸系轉(zhuǎn)速為850 r/min，碰摩摩擦系數(shù)為0.1，艉軸承半徑間隙為0.000 2 mm，并進(jìn)行數(shù)值模擬，可以得到其振動(dòng)軌跡曲線和振幅—時(shí)間響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 船舶實(shí)際工況模擬圖

圖4中軸系最大振幅約為0.8 mm，比較圖3和圖4可知，當(dāng)船舶軸系碰摩載荷大小和彈簧剛度一定時(shí)，在實(shí)際船舶工況，由于軸承支承油膜力動(dòng)態(tài)特性改變,軸系在碰摩載荷作用下引起的振動(dòng)幅值略有降低。

3 基于碰摩盤的碰摩試驗(yàn)與誤差修正方法

為了系統(tǒng)地對(duì)試驗(yàn)臺(tái)碰摩工況與與實(shí)際工況的誤差進(jìn)行評(píng)價(jià)，需研究最大振幅與不同碰摩間隙和不同轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，進(jìn)而與數(shù)值模擬值進(jìn)行比較，從而得出實(shí)驗(yàn)條件下帶來(lái)的誤差。因此，利用帶有碰摩盤的艉軸試驗(yàn)臺(tái)，設(shè)計(jì)了不同碰摩工況試驗(yàn)如下。

1)保持軸系轉(zhuǎn)速不變，碰摩裝置剛度一定，調(diào)節(jié)碰摩裝置的調(diào)節(jié)螺栓，改變碰摩載荷，當(dāng)碰摩間隙為0.000 16 mm、0.000 18 mm、0.000 20 mm、0.000 22 mm時(shí)，測(cè)量不同碰摩載荷作用下的振幅—時(shí)間響應(yīng)曲線，并與相同碰摩間隙的實(shí)際船舶工況模擬結(jié)果進(jìn)行比較。

2)保持碰摩載荷的大小不變且作用時(shí)間相同，碰摩裝置剛度一定時(shí)改變軸系轉(zhuǎn)速，當(dāng)軸系轉(zhuǎn)速分別為200 r/min、700 r/min、850 r/min、900 r/min時(shí)，用振動(dòng)測(cè)量?jī)x測(cè)量不同轉(zhuǎn)速條件下的振幅-時(shí)間響應(yīng)曲線，并與相同轉(zhuǎn)速的實(shí)際船舶工況模擬結(jié)果進(jìn)行比較。

實(shí)驗(yàn)中，碰摩載荷大小的調(diào)節(jié)由碰摩裝置的調(diào)節(jié)螺栓改變碰摩間隙來(lái)實(shí)現(xiàn)，碰摩剛度的改變由彈簧剛度的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)，二種試驗(yàn)方案的測(cè)量結(jié)果如表1和表2。

表1 不同碰摩間隙的最大振幅 mm

表2 不同軸系轉(zhuǎn)速的最大振幅

對(duì)比表1和表2可看出，隨著試驗(yàn)臺(tái)碰摩裝置設(shè)定間隙的增大，試驗(yàn)臺(tái)工況與實(shí)際工況相比的誤差逐漸增大。為了減小誤差，可根據(jù)誤差值修正試驗(yàn)條件，從而更有效模擬船舶艉軸與艉軸承之間的碰摩工況。

誤差修正時(shí)，可通過(guò)對(duì)碰摩盤的初始狀態(tài)做不同的設(shè)置，從而改變艉軸承半徑間隙，改變發(fā)生碰摩時(shí)的油膜壓力，從而與實(shí)際工況相符。根據(jù)修正前后艉軸的最大振幅相等的原則，可根據(jù)艉軸承半徑間隙求出所需的碰摩盤設(shè)定間隙值。因此針對(duì)幾種典型試驗(yàn)臺(tái)碰摩工況，可列出所需的修正方案如表3所示。

表3 試驗(yàn)工況的修正值

4 結(jié)束語(yǔ)

模擬碰摩裝置為進(jìn)行各類碰摩載荷下的軸系振動(dòng)特性研究提供了平臺(tái)，能有效地進(jìn)行各種軸系碰摩的測(cè)試與分析[6]。但是，碰摩裝置的工況與實(shí)際的艉軸艉軸承工況仍存在有一定的差別，利用碰摩桿不能真實(shí)反應(yīng)實(shí)際艉軸碰摩工況中油膜變化的情形，碰摩剛度越大，軸系轉(zhuǎn)速越大，這種差別越大。為了得出有效的結(jié)論，可根據(jù)修正前后艉軸的最大振幅相等的原則，對(duì)試驗(yàn)工況進(jìn)行修正，從而使得出的結(jié)論更加符合實(shí)際情況。