船舶推进轴系扭转振动概述_黄津津.pdf

N4 船舶推进轴系扭转振动概述黄津津，方 斌，杨 勇中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011船舶推进系统是船舶的心脏，包括主机、轴系、联轴器以及螺旋桨等部件，它可以将主机提供的机械能传动给螺旋桨装置以驱动船舶运动。主机曲轴在工作时同时承受着气缸内气体作用力、往复运动质量和旋转运动质量的惯性力以及功率输出端转矩的作用，这些周期性的激励载荷会导致轴系产生不可避免的振动。另外，螺旋桨脉动压力产生的激励以及船上设备通过支撑传递到轴系的激励等也会对推进轴系的振动产生影响。随着海运业的蓬勃发展，船舶大型化使得船舶主机的功率和尺寸相对较大，其振动问题显得尤为突出。船舶轴系的振动直接影响到轴系中各轴承的受力，从而引起主机、传动装置与轴系振动，并诱发船体梁及上层建筑的垂向和纵向振动，导致主机、传动装置与轴系故障、尾轴管早期磨损等，影响船舶航行性能和安全性，所以轴系振动一直是船舶界关心的重点问题之一。船舶推进轴系振动主要包括弯曲振动、轴向振动和扭转振动等，它们是由主机工作时气缸爆发压力和惯性力等周期激励引起的。轴系弯曲振动主要是由于转轴不平衡引起的；轴向振动主要是由于螺旋桨推力不均匀造成的；扭转振动是由于各轴段间的扭转角度不相等，轴段来回摆动产生的。扭转振动是轴系最常见的振动，会使轴系长期遭受交变应力的影响，从而引起轴系疲劳甚至结构破坏，尤其是激励频率达到轴系固有频率时还会引发轴系共振，严重时甚至造成断轴等重大事故1。由于轴系扭转振动危害严重，有关轴系扭转振动的研究方法越来越多，精度也越来越高，主要分为数值分析仿真研究和试验研究。虽然试验研究在试验结果上非常接近轴系扭转振动实际效果，但因其试验成本高、难度大，尤其对于大型发动机，试验条件很难满足。在发动机设计阶段只能采取仿真研究。仿真研究具有周期短和成本低等优点，因而得到了主机生产厂家的广泛采用2。随着北极冰区航线近些年来的开发利用，扭转振动计算不仅要考虑日趋复杂的轴系布置影响及恶劣海况等外界环境干扰，还要重点关注船舶在冰区极地航行时冰块撞击对船舶轴系扭转振动的影响3。因此，建立能够精确模拟复杂轴系布置的扭转振动仿真模型具有重要研究意义。对船舶主机轴系扭转振动的控制主要包括船舶设计和使用 2个阶段。在船舶设计阶段，可通过减少激励力和力矩，减弱传递和改变振动固有频率或激励频率来防止轴系工作范围内产生强共振等。在船舶使用阶段，通过增加阻尼材料以吸收振动能量和装设减振装置以减小振动的危害等措施来解决出现的振动问题。在对柴油机轴系扭转振动进行分析计算时，通常采用特定的经验公式，但针对复杂条件下各项阻尼系数的精确确定以及具有变惯量、非线性部件和其他非线性因素的曲轴轴系扭转振动等还有待进一步研究。推进轴系是船舶动力装置的重要组成部分，其在运转过程中会不可避免地产生振动，并引起主机、传动装置振动，从而诱发船体结构振动。为避免影响船舶航行性能和安全性，对轴系扭转振动产生的原因及轴系扭转振动计算方法进行着重论述，并总结介绍轴系扭转振动的消减措施，旨在深入浅出、通俗易懂地使读者了解船舶推进轴系扭转振动。摘 要 N5 动力输入 动力输出 技术跟踪01船舶推进轴系扭转振动1.1 基本原理1.2 轴系扭转振动产生原因扭转振动是结构动力学行为的另一种表现形式，通常与其他振动荷载同时出现，也就是说，结构发生振动时，除了常规振动外，还有可能存在扭转振动。扭转振动不仅会引起结构疲劳，同时还会引起振动、噪声和舒适性降低等方面的问题。对于自由物体而言，共有 6个自由度，即 3 个平动自由度和3 个转动自由度，见图 1。因此，可以把运动自由度分为平动与转动 2 类。如果用牛顿第 2 定律来描述，那么，平动对应的是 3 个加速度，转动对应的是 3 个角加速度。平动对应的载荷是力，转动对应的载荷是力矩。大多数情况下机械振动指的是平动所对应的振动，也称为线振动。扭转振动指的是旋转部件沿旋转方向的往复圆周运动，也称为角振动，需要注意的是角振动一定是针对旋转结构的，见图2。产生扭转振动的根本原因是旋转部件的主动力矩与负荷反力矩之间失去平衡，致使合成扭矩的方向来回变化。旋转部件本身由具有一定弹性和惯性的材料组成，并存在一定的固有频率。当旋转部件旋转时，各部件间会因各种原因而产生不同大小和不同相位瞬时速度的起伏，呈现沿旋转方向的来回扭动。当干扰力矩的变化频率与系统固有频率合拍时，系统产生共振，此时扭转振动具有极大的破坏性。船舶轴系是船舶动力装置的重要组成部分。船舶轴系的主要功能：1）将主机发出的功率传递给螺旋桨，使得螺旋桨可以在水中旋转；2）将螺旋桨在水中旋转时产生的轴向反推力传递给船体，为船体的运行提供动力，推动船舶航行。船舶轴系是指从曲轴自由端开始，到螺旋桨轴为止，包括曲轴、推力轴、中间轴、螺旋桨轴、推力轴承、中间轴承、艉管和艉管轴承等部件。有的轴系还带有传动设备，如离合器、弹性联轴器和减速齿轮箱等设备，有的轴系还带有分支系统。由于船舶吨位、船型以及动力装置的设计不同，轴系的结构形式及其组成部件也不相同。按照轴系的数量可以分为单轴系装置、双轴系装置和多轴系装置。按主机在船上的安装位置可以分为中机舱轴系和艉机舱轴系。在中机舱轴系中，由于主机与螺旋桨的距离较远，一般需要多根中间轴连接，所以这种轴系也称为长轴系。在艉机舱轴系中，主机与螺旋桨的距离较短，一般只需要 1 2 根中间轴即可，所以这种轴系也称为短轴系，见图 3。按螺旋桨的类型也可分为定距桨轴系和可调桨轴系。图 1 自由物体六自由度示意图图 2 扭转振动简易模型（横荡）（纵摇）（纵荡）（横摇）（垂荡）（首摇）r（艏摇）ZBXBYB N6 作为一种往复运动机械，运行中的柴油机是一个复杂多变的动态系统。柴油机中的曲柄连杆机构在以恒定转速运转时，连杆一边随着活塞作往复运动，一边绕活塞销（或十字头）摆动，曲轴基本为匀速回转运动，这样就会使柴油机产生周期性变化的惯性力（力矩），见图 4。这些惯性力（力矩）的存在，不仅影响活塞曲轴的强度，也影响连杆小端和大端的负荷、润滑和磨损，使得柴油机发生振动4。船舶推进轴系在运转中也会受到各种冲击和周期性的激振力（力矩）作用，这些作用将使柴油机整体相对于基座产生扭转振动、横向振动和纵向振动。此外，如果船舶主尺寸与主机的选择在设计时考虑不周,螺旋桨制造质量差，轴线对中不良，结构连续性被破坏，焊接残余应力与挠度等存在的建造质量问题,在营运管理时船体装载不当，轴系发生变形，机件磨损、松动和周期性波浪载荷及一定船速下船舶附属体所产生的流体动载荷，都会引起船舶及其推进主机和推进轴系的振动。图 3 典型二冲程低速柴油机推进轴系02船舶推进轴系扭转振动表现形式及危害推进主机和推进轴系的振动会通过基座螺钉传到船体，从而引起船体振动。其振动结果不但会使推进主机机件磨损增加、噪声加大、船员生活及工作条件恶化、影响其他机器和仪器正常工作，还可能由于共振造成推进主机装置的各种管子和附件等设备损坏及推进主机装置本身损坏，以至影响整个船舶的正常使用，并可能威胁船舶安全。同时，动力设备产生的振动还可通过结构向水中辐射，形成结构辐射噪声5。严重的轴系扭转振动还可能引起以下问题。1）曲轴、推力轴、中间轴、螺旋桨轴、尾管轴以及凸轮轴扭图 4 柴油机曲轴模型示意图 N7 技术跟踪图 5 推进轴系扭振损坏典型案例（曲轴裂纹和中间轴断裂）断，见图 5。2）联轴器连接螺栓切断、橡胶联轴器撕裂。3）发动机零部件磨损加快。4）减速齿轮间撞击、齿面点蚀及断齿。5）柴油机发电机组输出不允许的电压波动。6）由扭振通过双层底而引起机架纵向振动、双层底垂向振动、船体梁垂向振动、上层建筑纵向振动、局部振动等。综上所述，柴油机轴系扭转振动的危害概括起来有以下 3 个方面：1）影响可靠性和耐久性振动产生撞击和变形，增加机件的磨损，严重时造成机件裂纹甚至损坏。2）降低动力性和经济性振动消耗能量，又改变了推进主机的最佳正时，因而导致推进主机动力性和经济性下降。3）损害舒适性各种振动使管理人员的工作条件恶化，既损害健康又会因疲劳而酿成事故。03船舶推进轴系扭转振动计算方法3.1 常见计算方法目前，轴系扭转自由振动计算仍普遍采用霍尔茨法、系统矩阵法和传递矩阵法等。强迫振动计算普遍采用能量法、放大系数法、系统矩阵法和传递矩阵法等6，见表 1。在电子计算机普及以前，为了避开对2n阶方程组直接求解，大多采用共振与非共振分别运算的方法，其中包括能量法与放大系数法 2 种常用方法。从基本原理上说，这 2 种方法是完全一致的，都是建立在能量平衡的基础上同属于共振计算的近似方法。但是这种分别运算的方法主要考虑的是共振工况下的扭转振动现象，对非共振区的振幅和应力等考虑得都极为粗糙。随着内燃机装置功率的不断增大，激振能量大幅上升，尤其是随着大阻尼减振部件的大量应用，对非共振区工况问题的要求更显突出。这就要求有对 2n 阶方程组进行综合求解的运算方法。随着电子计算机的普及和应用，系统矩阵法和传递矩阵法对强迫扭转振动方程组进行直接求解已完全可行，其计算结果是与实际轴系振动形式相似的立体振型，这样使得上述问题得到了解决。但是，系统矩阵法只能进行线性阻尼的计算，即阻尼力矩与速度成正比，而能量法与放大系数法则不受此限制。霍尔茨法是轴系扭转振动固有频率和振型计算的传统方法，也可进行振动响应计算。霍尔茨法实质上是一种试凑法，它先假设一个试算频率，经过不断试算迭代，搜索到固有频率，同时得到固有振型。霍尔茨法对分支系统的自由振动计算也是有效的。但由于霍尔茨法本身的局限性，其求得的固有频率只是近似值，如需得到高精度的计算结果，需要进行多次插值计算。此外，使用霍尔茨法进行轴系扭转振动计算时，如试算频率步长等参数选取不当，容易造成漏根现象。N8 能量法与放大系数法也是轴系振动计算的基本方法，但这 2种方法只是轴系共振计算的近似估算法，利用近似法进行轴系扭转振动计算的主要过程为：1）建立轴系的集总参数模型。2）按霍尔茨法进行系统的自由振动计算。3）按经验公式进行系统的共振响应计算，估算共振区扭转振动幅值及相应的轴段扭振应力。共振响应的近似计算基于以下假设：1）能量平衡原则。2）共振谐次激振力矩单独作用假设。3）振型假设，即共振时的振动形式与无阻尼自由振动振型相同。非共振响应的近似计算也基于振型假设，即非共振时振动形式与无阻尼自由振动振型相同。近似估算法并不适合多分支复杂轴系的振动计算，正处于被淘汰阶段。传递矩阵法是一种通用的数值计算方法，是轴系振动计算的基本方法，其实质上也是一种试凑法。但使用传递矩阵法时，轴系振动计算需要考虑系统的奇异性，这大大增加了求解的复杂性。此外，传递矩阵法的积累误差处理也较复杂，需采用相应的处理方法提高精度。系统矩阵法是一种解析法，其计算基于系统的集总参数模型。使用系统矩阵法进行轴系振动问题的处理，不仅物理意义明确，而且计算结果准确可靠，便于计算机编程。对于各种复杂轴系的振动计算，系统矩阵法均可适用。现今各大船级社的扭转振动规范及计算软件均基于集总参数模型。有限单元法是近年来发展较快的工程问题求解方法。有限单元法可用于复杂结构问题的求解，具有求解效率高、计算结果准确可靠等优点。此外，使用有限单元法进行轴系扭转振动计算时，无须进行当量模型的转换。但由于当前各大船级社在进行轴系扭转振动计算书审核时均要求提供轴系的扭转振动当量模型，故采用有限单元法进行轴系扭转振动计算后，仍需在计算书中补充轴系的集总参数当量模型。方法计算模型算法便利性结果准确性复杂模型适用性轴系扭转自由振动霍尔茨法集总参数模型解析法传递矩阵法集总参数模型（混合模型）系统矩阵法集总参数模型（离散模型）有限元法有限元模型（离散模型）轴系扭转受迫振动能量法/放大系数法集总参数模型解析法传递矩阵法集总参数模型（混合模型）系统矩阵法集总参数模型（离散模型）有限元法有限元模型（离散模型）注：优秀；良好；一般表 1 扭转计算方法对比评估 N9 技术跟踪3.2 当量转换系统基本原则3.3.1 建立扭转振动模型 3.3 轴系扭振计算基本流程由于轴系是一个复杂的连续弹性体，要精确计算其扭转