船舶推進軸系扭振影響因素分析

韓陽泉 樊明 冀海俊

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

關鍵詞：712所推進電機；柴油機；船舶；推進軸；扭振；影響因素

中圖分類號：U664.21 文獻標識碼：A

1 前言

船舶推進軸系主要由動力裝置、傳動軸及螺旋槳組成。傳動軸用于將動力裝置發出的動力傳遞給螺旋槳，以使其旋轉產生推進力。為了使推進系統能安全、高效地長期運行，需要對機、槳、軸進行匹配設計，其中軸系的扭振問題對該系統的使用壽命至關重要。為此，船舶規范對此也作出了規定，在軸系設計時需要進行理論計算，安裝完成后往往還需要進行扭振測試，因此，軸系扭振計算是船舶設計中重要的一環。軸系設計時需要對各種影響因素進行分析，盡量降低扭振問題給船舶運行帶來的負面影響。本文以采用推進電機和船用柴油機兩種船舶動力裝置的推進軸系為例，對軸系扭振有較大影響的幾個主要因素進行分析。

2 軸承扭振計算方法

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算方法。扭振是在變化扭矩的作用下所產生的周期性運動，凡是不均勻輸出扭矩及吸收扭矩的機械裝置，均有可能出現扭振現象。

實際軸系的質量是沿軸分布，計算復雜。為此，常用的辦法是將其轉化成集中質量式的當量系統，即用圓盤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量系統，通過當量系統的扭振計算，可反映實際系統的扭轉振動特性。

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（電機推進）軸承扭振計算

2.2 39 000 DWT郵輪（柴油機推進）軸承扭轉計算

39 000 DWT系列油輪采用船用柴油機為動力裝置，其軸系當量系統共分成11個質量塊（圖2），其中38、1-6、27、32分別代表主機曲軸上法蘭、氣缸和活塞、推力軸及飛輪的轉動慣量，43代表中間軸及螺旋槳軸的轉動慣量，73代表螺旋槳浸水后的總的轉動慣量。各質量塊之間的百分數表示作用在該處的內、外阻尼，數字表示連接各質量塊的軸徑。

3 軸承扭轉主要影響因素

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

下面分別對采用推進電機和船用柴油機為動力裝置的軸系扭振各影響因素進行分析。

3.1 外部激振力矩的影響

3.1.1 電機推進船舶

對于采用推進電機為動力裝置的船舶軸系來說，推進電機是主要的動力源，因此也是主要的外部激勵力矩源。根據交流異步推進電機的運行原理，其電機的扭矩表達式如下：

3.1.2 柴油機推進船舶

對于采用船用柴油機為動力裝置的船舶軸系來說，其扭振的外部激振力矩主要有以下幾種：

（1）氣缸內周期變化的氣體膨脹壓力在曲軸上形成的交變扭矩；

（2）活塞連桿往復慣性力所引起的曲軸交變扭矩；

（3）低速大型柴油機活塞連桿的重量所引起的交變扭矩；

（4）螺旋槳運動所產生的周期性變化的扭矩。

前三項是軸系的驅動扭矩，后一項是軸系的負荷扭矩。經驗表明，其中影響較大的激振力矩為前兩項，后兩項所占比例較小，因此，在實際計算中，通常只考慮前兩項，而忽略后兩項。

對二沖程柴油機，簡諧次數ν=1，2，3，……∞。在扭振計算中，通常只需考慮到12次簡諧以下的扭矩情況即可，但也有少部分大功率中速機考慮到16次。

由各次簡諧扭矩引起的強制扭轉振動稱為階振動。發生強制扭振時，軸系按照哪一種振型振動，由該激振力矩的頻率決定。

當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，相應的柴油機轉速應確定為臨界轉速，此時轉速為n=Nυ/υ。對一個軸系而言，也許會出現多個臨界轉速。

當干擾力矩頻率與固有頻率接近或相等時，此時軸系發生共振，即軸系上的扭轉應力最大，若應力超出許用許可，可配備相應的減震設備，如阻尼減震器等，以改變軸系固有頻率，避開干擾扭矩的頻率。對減震設備參數的選取，要依據共振頻率值N。

通過以上對比可知，推進電機自身的激振力矩波動很小，選用推進電機為動力裝置有益于降低船舶軸系扭振。

3.2 轉動慣量及剛度的影響

當軸系不受外力作用的時候，則扭振的控制方程可以寫成下式：

IΦ+KΦ=0

以最簡單情況為例，即方陣I及K均為1階的，此時系統為扭擺，則系統存在單一的固有頻率N固= 。由上式可知，系統的固有頻率只與當量質量的轉動慣量和該軸的剛度有關，與其他參數無關。該結論同樣適用于有多個當量質量的系統，對多個質量系統，其固有頻率的數量與當量質量塊的數量相對應。

3.3 阻尼的影響

阻尼在扭振系統中的主要作用是對扭轉振動能量的轉換，由機械能轉換為熱能，隨著能量的轉換，對無激振力的扭轉軸系，其振幅是逐漸衰減的，直至消失。

推進電機及柴油機軸系的阻尼存在著共性，主要有：軸承中的液體摩擦、空氣對運動部件的阻力、間隙引起的沖擊消耗及軸段內部分子間摩擦的遲滯阻尼、水對螺旋槳的阻力等。

柴油機軸系還存在著活塞環和汽缸套之間的摩擦阻尼，以上各方面均以阻尼系數c來代替，出現在扭振控制方程中。

4 減振與避振

以上分析了影響軸系扭轉振動的主要因素，針對這些因素，可以作出相應對策來降低軸系的扭轉振動。其主要對策有幾個方面。

4.1 減少簡諧激振力矩

激振力矩是扭振的動力根源，減少激振力矩，就可以直接減小扭轉振幅。其方法有：

（1）采用推進電機替代船用柴油機：由于船舶推進電機采用電磁原理，利用磁感應線切割原理使推進電機輸出端轉動，不會出現受力不均勻，而且設備內部的轉動軸相對于船用低速柴油機的曲軸要短很多，自身內部的扭振幅度很小，對于整套軸系可以忽略不計，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所的推進電機，極大程度的減小了船舶推進軸系的扭振；

（2） 改變柴油機發火順序：主機的發火順序改變可以使副臨界轉速發生改變，進而避開常用的轉速范圍，但對主臨界轉速沒有影響。通常，用戶是按主機廠家設定的發火順序運行，如發生扭振問題，可以改變其原設定的發火順序進行副臨界轉速調節；

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

（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主諧量相同的槳葉葉數。

4.2 調整系統自振頻率

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

（1）改變轉動慣量：增加轉動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實現；

（2）改變軸段剛度：在理想狀態下，如果軸系是完全剛度的沒有彈性，則軸系是不會發生扭轉振動的，因此增加軸段的剛度，可以降低扭轉振動。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，對整個軸系的影響比較大，故盡量不采用這種方法；

（3）加裝彈性聯軸節：高彈性聯軸節既是聯軸節又是減震器，可以改變軸系的剛度，同時產生阻尼降低振幅。

3.3 配置減振器

當以上辦法仍不能有效解決扭振問題時，則可以在柴油機自由端配置減振器。目前應用較多的是硅油減振器和動力阻尼型減振器（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。對動力型減振器，還可增加軸系的轉動慣量，改變軸系的固有頻率，使臨界轉速發生改變。

3.4 設置轉速禁區

如果軸系在某轉速時的應力小于規范中的瞬時運轉許用應力，但超過持續運轉使用應力，則可以設置轉速禁區。在軸系運行操作時，快速通過該轉速區域。

5 結論

本文依據推進軸系扭振計算方程式，分析扭振的影響因素，根據各影響因素的特點，提出了減振、避振的一些措施，但愿能為船舶推進系統設計提供一點提示，優化機、槳、軸的匹配設計，以降低軸系設計的風險，并期望能為解決某些船舶的扭振問題提供幫助。

參考文獻

[1]許定秀，李宗等編著。船舶柴油機軸系扭轉振動。人民交通出版社，1982