船舶集成式推力軸承減振器研究與應(yīng)用

李全超，劉 偉，俞 強(qiáng)

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

船舶集成式推力軸承減振器研究與應(yīng)用

李全超，劉 偉，俞 強(qiáng)

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

針對軸系縱向振動(dòng)引起的船舶尾部振動(dòng)噪聲問題，提出通過集成式推力軸承減振器控制軸系縱向振動(dòng)的方法，研究減振元件的剛度特性和應(yīng)用減振器后軸系試驗(yàn)臺架的振動(dòng)特性。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的減振碟簧組剛度穩(wěn)定，軸系應(yīng)用該集成式推力軸承減振器后，一階縱振固有頻率偏移明顯，軸系振動(dòng)響應(yīng)大幅衰減，提出的集成式推力軸承減振器可有效隔離螺旋槳激勵(lì)振動(dòng)向船體結(jié)構(gòu)的傳遞。

船舶軸系；推力軸承；縱向減振

0 引 言

船舶航行時(shí)，螺旋槳在不均勻流場中運(yùn)行產(chǎn)生縱向脈動(dòng)力，激勵(lì)軸系產(chǎn)生縱向振動(dòng)。軸系縱向振動(dòng)通過推力軸承傳遞至船體，進(jìn)而引起船體振動(dòng)并引發(fā)輻射噪聲。推進(jìn)軸系的縱向振動(dòng)是船舶尾部低頻振動(dòng)噪聲的重要來源之一，降低軸系縱向振動(dòng)的傳遞，對改善民用船舶的舒適性和提高艦船隱身性能具有重要作用。

軸系縱向振動(dòng)控制途徑多樣，其思路主要是在推力傳遞通道中設(shè)置減振結(jié)構(gòu)，利用減振結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼降低力傳遞途徑中的縱向振動(dòng)。同時(shí)，由于減振結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)低于軸系縱向剛度，調(diào)節(jié)減振結(jié)構(gòu)的剛度可實(shí)現(xiàn)軸系縱向剛度的控制，使軸系縱振固有頻率遠(yuǎn)離激勵(lì)頻率，達(dá)到振動(dòng)控制的目的。

推進(jìn)軸系縱向振動(dòng)控制的主要途徑包括軸段上設(shè)置動(dòng)力吸振器、改變推力軸承剛度和推力軸承基座結(jié)構(gòu)形式等。楊志榮[1]提出一種并聯(lián)安裝在船舶軸系上的縱振動(dòng)力吸振器的設(shè)計(jì)方法，其中船舶軸系與動(dòng)力吸振器構(gòu)成主從系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量在主系統(tǒng)上發(fā)生轉(zhuǎn)移，抑制主系統(tǒng)共振；劉耀宗[2]基于四端參數(shù)法建立了綜合考慮推進(jìn)軸系和殼體彈性的潛艇軸向振動(dòng)力學(xué)模型，詳細(xì)討論了用動(dòng)力吸振器實(shí)現(xiàn)軸系軸向減振的設(shè)計(jì)方法；曹貽鵬[3]研究了動(dòng)力吸振器設(shè)計(jì)參數(shù)對螺旋槳縱向脈動(dòng)激勵(lì)導(dǎo)致的船體振動(dòng)和聲輻射的影響；馮國平等[4]通過對船體尾部縱向激勵(lì)傳遞特性研究表明，縱向激勵(lì)下推力軸承基座是軸系縱向振動(dòng)的主要傳遞途徑，改變推力軸承剛度和基座結(jié)構(gòu)形式對船舶尾部的減振降噪有一定作用。

推力軸承是船舶推進(jìn)系統(tǒng)中主要承力部件，也是軸系縱向振動(dòng)主要傳遞通道，是軸系縱向振動(dòng)控制設(shè)計(jì)的理想位置。本文提出一種集成式推力軸承減振器，利用在推力軸承內(nèi)部集成減振結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)軸系縱向振動(dòng)的控制。

1 減振器設(shè)計(jì)思路

船舶軸系推力傳遞通道也是螺旋槳脈動(dòng)力傳遞通道，集成式推力軸承減振器的振動(dòng)控制原理是利用推力軸承結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在其內(nèi)部集成減振結(jié)構(gòu)，通過減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)推力軸承縱向剛度，進(jìn)而減小軸系振動(dòng)傳遞途徑中的縱向振動(dòng)，振動(dòng)控制路徑如圖1所示。

圖1 軸系縱向振動(dòng)傳遞路線圖Fig.1 Transfer Path of Shaft Longitudinal Vibration

普通推力軸承[5]一般由推力軸、推力塊、推力平衡傳遞機(jī)構(gòu)、殼體等組成。推力軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置緊湊，根據(jù)對推力傳遞路徑分析，推力塊、推力平衡傳遞機(jī)構(gòu)處于傳遞通道上，在推力塊和推力平衡傳遞機(jī)構(gòu)之間設(shè)置低剛度減振部件，控制推力軸承縱向剛度，減少軸系縱向振動(dòng)通過推力軸承的傳遞。

圖2 減振推力軸承結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of Vibration Reduction Thrust Bearing

推進(jìn)螺旋槳產(chǎn)生的軸向激振力頻率主要分布為葉頻、諧次葉頻，引起推進(jìn)軸系發(fā)生顯著的軸向振動(dòng)的激振力頻率一般不超過100Hz[6]，因此軸系縱向振動(dòng)主要以該低頻段為控制對象。根據(jù)軸系縱向振動(dòng)傳遞?路徑分析，理論上可不考慮各支撐軸承橫向剛度，取減振器軸向剛度進(jìn)行計(jì)算，簡化成單自由度系統(tǒng)。根據(jù)單自由度隔振系統(tǒng)安裝頻率計(jì)算公式按軸系設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算，可獲得軸系縱向動(dòng)剛度，該剛度即為減振器縱向動(dòng)剛度。理論上系統(tǒng)縱向動(dòng)剛度越低，縱向第1階固有頻率也越低，對系統(tǒng)低頻縱向振動(dòng)傳遞的衰減也越有利。

2 減振元件選用

由于船舶推力軸承通常需承受較大推力，且軸系允許縱向位移較小，這種使用環(huán)境限制要求安裝于推力軸承內(nèi)部的減振元件需具備高剛度、行程小等特性。同時(shí)，減振元件的選用還需考慮到推力軸承內(nèi)部浸油環(huán)境、滑油溫度變化大、使用壽命長等因素。

機(jī)械設(shè)備常用的減振元件有減振橡膠、氣體彈簧、金屬彈簧等。相比之下，金屬彈簧在耐油、高溫方面優(yōu)勢明顯，是更為適合推力軸承使用環(huán)境的減振元件。

碟形彈簧具有結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高等特性，具有較好的綜合性能，特別適合于推力軸承內(nèi)部這種空間狹小、剛度要求高的使用環(huán)境。同時(shí)，碟形彈簧可以通過不同的組合方式達(dá)到剛度設(shè)計(jì)要求，是較為理想的減振元件。

3 減振元件剛度特性研究

減振元件是減振推力軸承的核心部件，元件的剛度特性對推力軸承減振性能至關(guān)重要。按照推力軸承內(nèi)部尺寸控制和剛度設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)了專用碟形彈簧組。

碟形彈簧的靜剛度決定了推力軸承靜推力有效范圍，而動(dòng)剛度決定了軸系縱向減振性能。因此，碟形彈簧應(yīng)用前需進(jìn)行必要的靜、動(dòng)態(tài)剛度分析，掌握其剛度特性。

通過建立單組減振碟簧的有限元模型，對其進(jìn)行靜態(tài)加載變形理論計(jì)算，同時(shí)利用靜剛度試驗(yàn)機(jī)對碟簧組進(jìn)行靜態(tài)載荷變形測試。對比分析結(jié)果如圖3所示。從圖中可看出，組合碟簧靜剛度存在如下特性：

1）初始壓縮范圍內(nèi)載荷-變形曲線基本為非線性，剛度逐漸增大；

2）除初始壓縮范圍外，碟簧組載荷-變形曲線基本為線性，剛度基本保持不變，且理論計(jì)算值與實(shí)測結(jié)果基本一致；

3）碟簧組在加載和卸載過程中載荷-變形曲線不

重合，卸載過程存在一定剛度退化。

因碟簧組動(dòng)剛度與碟簧參數(shù)、表面摩擦系數(shù)等因素密切相關(guān)，理論計(jì)算方法較難精準(zhǔn)求解，動(dòng)剛度主要利用動(dòng)試驗(yàn)機(jī)測試獲取，碟簧組動(dòng)剛度測試結(jié)果及其3次多項(xiàng)式擬合曲線如圖4所示，從圖中可以看出：

圖3 組合碟簧靜態(tài)載荷-變形特性Fig.3 Load-deformation diagram of combination disk spring

圖4 組合碟簧動(dòng)剛度特性Fig.4 Dynamic stiffness characteristics of combination disk spring

1）碟簧組動(dòng)剛度隨載荷呈非線性變化，載荷增加動(dòng)剛度隨之增加；

2）當(dāng)載荷達(dá)到一定程度后動(dòng)剛度變化趨于穩(wěn)定；

3）本文設(shè)計(jì)的碟簧組在載荷范圍內(nèi)動(dòng)剛度變化在± 10% 以內(nèi)，動(dòng)剛度較為穩(wěn)定。

4 減振器應(yīng)用試驗(yàn)研究

將設(shè)計(jì)的集成式推力軸承減振器安裝在軸系試驗(yàn)臺架上，進(jìn)一步研究裝入集成式推力軸承減振器后對軸系系統(tǒng)的縱向振動(dòng)傳遞特性的影響。軸系試驗(yàn)臺架結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由推進(jìn)電機(jī)、彈性聯(lián)軸器、中間軸承、推力軸承、尾軸承、螺旋槳軸承、螺旋槳和軸段等組成，尾部安裝螺旋槳推力模擬裝置，用于模擬螺旋槳載荷力。

建立試驗(yàn)臺架理論分析模型，在軸系尾部施加單位激勵(lì)，對比分析安裝有集成式推力軸承減振器和安裝普通推力軸承時(shí)軸系的振動(dòng)傳遞特性。計(jì)算中取推力軸承處加速度導(dǎo)納作為振動(dòng)響應(yīng)評價(jià)點(diǎn)，分析結(jié)果如圖6所示。從圖中可看出，軸系應(yīng)用集成式推力軸承減振器后，1 階縱振固有頻率下降，低頻全頻段振動(dòng)響應(yīng)均有明顯降低，1 階固有頻率附近振動(dòng)響應(yīng)下降大于30dB。

圖5 軸系試驗(yàn)臺架結(jié)構(gòu)簡圖Fig.5 Structure of shafting test bed

圖6 應(yīng)用減振推力軸承前后軸系振動(dòng)響應(yīng)理論分析Fig.6 Theoretical analysis of shafting vibration response by using vibration reduction thrust bearing

利用軸系試驗(yàn)臺架實(shí)測減振器的應(yīng)用效果，對比分析安裝集成式推力軸承減振器和安裝普通推力軸承的軸系縱向振動(dòng)傳遞特性的變化。試驗(yàn)中通過力傳感器在軸系尾部施加激勵(lì)，分析推力軸承基座處的振動(dòng)傳遞特性，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 應(yīng)用減振器前后軸系振動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)對比Fig.7 Experimental analysis of shafting vibration response by using vibration reduction thrust bearing

從圖7可看出，實(shí)測結(jié)果與理論分析結(jié)果趨勢基本一致，應(yīng)用集成式推力軸承減振器后，軸系一階縱向固有頻率明顯向低頻偏移，低頻段振動(dòng)響應(yīng)普遍降低，一階縱振固有頻率處振動(dòng)響應(yīng)下降約30dB。由此可見，應(yīng)用集成式推力軸承減振器后可有效隔離螺旋槳激勵(lì)振動(dòng)向船體結(jié)構(gòu)的傳遞。

5 結(jié) 語

分析了利用推力軸承集成減振結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)軸系縱向振動(dòng)控制的設(shè)計(jì)思路，通過理論分析和試驗(yàn)研究了減振碟簧組的剛度特性，利用軸系試驗(yàn)臺架研究了安裝集成式推力軸承減振器軸系的振動(dòng)特性，通過研究得到如下結(jié)論：

1）設(shè)計(jì)的碟簧組靜、動(dòng)剛度在設(shè)計(jì)載荷范圍內(nèi)靜剛度基本保持不變，動(dòng)剛度基本穩(wěn)定；

2）軸系系統(tǒng)理論分析表明，軸系應(yīng)用集成式推力軸承減振器后，一階固有頻率下降明顯，低頻段振動(dòng)衰減明顯；

3）軸系臺架試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性，應(yīng)用集成式推力軸承減振器后可有效隔離螺旋槳激勵(lì)振動(dòng)向船體結(jié)構(gòu)的傳遞。

[1]楊志榮, 秦春云, 饒柱石, 等. 船舶推進(jìn)軸系縱振動(dòng)力吸振器設(shè)計(jì)及參數(shù)影響規(guī)律研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2012, 31(16): 48–51, 61. YANG Zhi-rong, QIN Chun-yun, RAO Zhu-shi, et al. Design and analysis of a dynamic absorber for reducing axial vibration of ship shafting[J]. Journal of Vibration and Shock, 2012, 31(16): 48–51, 61.

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Research on vibration reduction of thrust bearing

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

Due to the vibration noise problem of ship stern structures caused by ship shaft longitudinal vibration, a method to reduce the longitudinal vibration using thrust bearing is put forward. The design scheme of vibration reduction thrust bearing is studied. The stiffness characteristics of combination disk spring are researched by theoretical and experimental. The longitudinal vibration reduction performance is analyzed by shafting test bed. The result shows that the designed combination disk spring have the stable stiffness characteristics. The longitudinal vibration reduction technology can reduce the longitudinal vibration effectively.

marine shaft；thrust bearing；longitudinal vibration reduction

U664.21

A

1672–7619(2016)11 –0053 –04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.11.010

2016 –03– 04；

2016–04–05

十二五預(yù)研基金資助項(xiàng)目(51334010101)

李全超(1985 – )，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榇巴七M(jìn)軸系振動(dòng)控制。