船舶主機隔振對軸系適配性影響研究

張智鵬，李燎原，曹貽鵬

(1. 大連測控技術研究所，遼寧 大連 116013；2. 中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064；3. 哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

船舶軸系是推進系統中的重要部分，在實際運轉中受到各種沖擊和周期激振力作用，影響船舶運行的安全性[1]。針對軸系、軸承、彈性聯軸器的適配性設計是保障軸系安全可靠運行的關鍵因素。

目前一些船舶為了減少主機振動到船體的傳遞，普遍對主機進行了隔振處理[2-4]，在船舶搖擺環境下對軸系提出了大位移補償要求，同時顯著增加了主機端傳遞到軸系的擾動力。由于對主機隔振后，支撐剛度降低，主機軸系與推進軸系產生耦合作用，改變了軸系的動力學特性，直接影響到軸系的低噪聲性能及安全性。

國內外學者針對這一問題，已經開展了一些研究，取得一定的成果。張亞洲[5]采用了氣囊隔振器對主機進行隔振，分析了隔振后軸系的校中狀態及其對軸系振動的影響，得出加載氣囊隔振器后可以提高軸系抗橫向干擾的能力，并有效地減小軸承支座的側向移動。卜文俊[6]對船舶推進裝置氣囊隔振系統對中可控性問題進行研究，提出了根據可控性進行控制系統工作參數自主調整的方法，并進行了試驗驗證。Arvid Naess[7]提出了一種計算船體振動的二階理論，該方法可以適應隨機海況下船體的彈性變形，并且對計算機的性能要求不高，具有一定的普適性。J.Juncher Jensen[8]則基于非線性切片理論，推導了隨機波浪中船體附加質量，阻尼和水線變化中的非線性影響，得出在短波長波浪激勵下，非線性因素不可忽略。Alok K.Jha[9]進一步研究了近海的情況，應用非線性傳遞函數，分析了波浪載荷下船體的振動響應，得到較為準確的結果，但是這種方法耗時很高，仍需要改進。郭全麗[3]建立了包括主機及其隔振系統的有限元模型和運動微分方程，分析了隔振剛度對沖擊響應的影響，研究表明隔振剛度與軸系抗沖擊性能相互抵觸，如何平衡二者之間的關系是設計的關鍵。劉樹鵬[10]對艦船發生縱、橫搖擺運動時，艦船動力裝置轉子-系統進行了建模，對其動力學特性進行深入的分析和研究，并考慮了線性和非線性油膜力的作用。

可以看出，目前國內外學者的主要研究方向還集中于船體在簡化的波浪環境下的振動狀態，并未針對搖擺運動本身，對推進軸系振動的影響進行分析。本文正是基于這一角度，首先建立縱搖環境的簡化方法，然后建立帶有主機隔振系統的推進軸系動力學模型，進行縱搖環境下軸系動力響應的計算，分析軸系各軸承的適配性，為軸系設計提供指導。

1 縱搖環境簡化方法

船舶在航行過程中，受到風力、不規則波浪或發射武備后坐力等因素影響，會產生各種搖蕩運動，其中縱搖運動是最危險的運動之一，是船舶失速、砰擊、上浪的主要原因，嚴重影響航行的安全性，因此本文主要考慮縱搖環境下推進軸系的動力響應。

縱搖是船體繞橫軸的回轉振蕩運動。考慮縱搖環境時，常規思路是將船體整體的結構位置進行改變，這就要求在每一步計算之前，都要重新建立模型，操作起來十分復雜。因此本文考慮對施加載荷的方式進行簡化，由于船舶的縱搖運動是一個整體性運動，其每一部分的運動幅度都相同，因此考慮將船體結構作為靜止項，改變其重力場的方式，再將縱搖運動產生的加速度考慮進去，最終其動力學參數可以近似以重力加速度與縱搖加速度的合成來等效計算。縱搖運動等效示意圖如圖1所示。

根據《艦船通用規范》的要求，船舶縱搖時的最大角度為±15°，最長周期為10 s，因此假定縱搖角θ隨時間t變化的方程為：

圖 1 縱搖簡化示意圖Fig. 1 Predigestion of pitching

式中，t為時間，角位移單位為弧度。

縱搖的等效加速度由重力加速度和縱搖運動加速度合成所得。定義圖1所示的船體剖面為XOZ平面，L為船體重心至縱搖所繞橫軸的距離，則等效重力加速度可由式（2）表示。

由于本文主要進行方法與機理的研究，假定L=10。

2 軸系動力學模型

2.1 模型建立

基于某典型船舶推進軸系試驗臺，建立軸系動力學模型。該推進軸系全長5 m，由3個軸承支撐，分別為尾后軸承、尾前軸承、推力軸承，其中推力軸承為油潤滑軸承，尾后軸承和尾前軸承為水潤滑橡膠軸承，各軸承均采用獨立的潤滑系統，尾部安裝有螺旋槳。應用有限元法，建立的軸系動力學模型如圖2所示。

圖 2 軸系臺架模型Fig. 2 Model of shafting test bench

2.2 模型驗證

對該軸系試驗臺進行模態測試，并與仿真結果進行對比分析，對比結果如表1和圖3所示。

表 1 軸系彎曲振動固有頻率Tab. 1 Natural frequencies of shafting transverse vibration

圖 3 軸系模態振型試驗與仿真的比較Fig. 3 Comparison of shafting modes by tests and computation

可以看出，軸系彎曲振動固有頻率的試驗值和計算值一致性較好，振型基本一致，說明該模型建立的參數準確，方式合理，可以應用于下一步的計算中。

3 計算分析

3.1 載荷輸入

將縱搖環境的各參數代入式(2)，得到各方向的等效重力加速度，對軸系動力學模型進行瞬態響應分析，計算時取4個周期，以保證計算結果的穩定性。輸入的等效重力加速度曲線如圖4所示。

可以看出，垂直方向的等效重力加速度在重力加速度附近波動，這是由于縱搖的運動形式產生的慣性加速度與重力加速度合成的結果，與此同時，由于縱搖運動是一種類似圓周的運動，因此也產生了軸向的加速度。彈性聯軸器對軸系的附加激勵結果如圖5所示。

可以看出，對主機進行隔振后，縱搖環境下彈性聯軸器處的激勵明顯增大，最大值均出現在縱搖角度最大的時刻，說明由于軸段側和主機側運動的不同步，彈性聯軸器激勵已經成為了一個主要激勵。

3.2 隔振剛度對軸承負荷的影響

1）分析不同方向的剛度變化對軸系適配性的影響

選取基準隔振剛度，將其設置為K，分別將主機隔振軸向、垂直方向和水平方向的剛度變為0.8K，計入縱搖環境邊界條件進行計算，提取各軸承的負荷，進行對比說明，結果如圖6所示。

圖 4 縱搖環境等效重力加速度Fig. 4 Equivalent gravity of pitching

圖 5 彈性聯軸器激勵力Fig. 5 Excitation forces at coupling

圖 6 各軸承的負荷Fig. 6 Bearing loads of each bearing

圖 7 各軸承的負荷Fig. 7 Bearing loads of each bearing

可以看出，當主機垂向隔振剛度變化時，尾前軸承和推力軸承的各方向軸承負荷受其影響最大，亦即尾前軸承和推力軸承的負荷對主機垂直方向隔振剛度最為敏感。

2）分析不同大小的剛度變化對軸系適配性的影響

由于軸承負荷對主機垂直方向隔振剛度最敏感，因此選取基準隔振剛度K后，將主機隔振垂直方向的剛度變為0.8 K，1.2 K，計入縱搖環境邊界條件進行計算，結果如圖7所示。

可以看出，隨著軸承位置越靠近主機，其軸承負荷受主機垂直方向隔振剛度變化的影響越大。主機垂向隔振剛度增大時，尾后軸承垂向負荷變化很小，尾前軸承垂向負荷增大，推力軸承軸向和垂直方向的負荷減小。

3.3 適配性規律

由以上的計算可以看出，縱搖環境下，主機垂向剛度的變化對軸承負荷的影響尤為明顯。從船舶推進軸系設計的角度來說，尾后軸承和尾前軸承承擔著支撐軸系總重的作用，而推力軸承的作用主要是承擔軸向的推力，因此應盡量增大尾前軸承的負荷，減小推力軸承的負荷，因此應增大動力裝置垂向隔振剛度。但同時垂向隔振剛度又是影響主機的隔振性能的主要因素，在對主機進行隔振設計后，其垂向隔振剛度就被限定到了一定范圍內，因此應綜合以上兩方面的因素考慮。本文給出一種建議，縱搖環境下，為了降低軸系的振動，增強軸系運轉的安全性，應優先調整主機垂直方向隔振剛度，在給定范圍內，盡量選擇較大的值。

4 結 語

本文以典型軸系試驗臺架為研究對象，建立軸系有限元模型，考慮縱搖環境下，船舶主機的隔振對軸系產生的附加激勵，對軸系進行瞬態響應計算，分析了主機隔振剛度對軸系適配性的影響。計算結果表明：計入縱搖環境后，彈性聯軸器處的激勵明顯增大，已經成為了一個主要激勵。當主機垂向隔振剛度變化時，尾前軸承和推力軸承的各方向軸承負荷受其影響最大，隨著軸承位置越靠近主機，這種影響越明顯，而在進行總體設計時，應綜合考慮隔振剛度對軸系振動和隔振效果的影響。

值得注意的是，針對不同的船型，軸系的布置差別很大，然而縱搖環境下，主機隔振會使推進軸系振動惡化，本文旨在提供一種考慮縱搖環境的分析方法，并對軸系適配性進行了初步的探討。在船舶推進軸系設計階段，應考慮縱搖條件的影響，以保證軸系安全高效的運轉。