船舶軸系振動(dòng)相關(guān)問(wèn)題研究

1、<p>　　船舶軸系振動(dòng)相關(guān)問(wèn)題研究</p><p>　　摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需求，海運(yùn)和航運(yùn)發(fā)揮著重要的作用，近些年我國(guó)研發(fā)了多艘大型船舶，但是在船舶軸系的振動(dòng)形式、產(chǎn)生機(jī)理依然是船舶制造技術(shù)中的重點(diǎn)研究項(xiàng)目，我國(guó)開(kāi)展這項(xiàng)技術(shù)研究已經(jīng)多年，并總結(jié)出一定的經(jīng)驗(yàn)。本文通過(guò)作者的分析針對(duì)船舶軸系振動(dòng)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究，望廣大同行給予指導(dǎo)。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：螺旋槳 軸系

2、 共振 </p><p><b>　　引言： </b></p><p>　　船舶軸系的振動(dòng)形式和產(chǎn)生原理的研究開(kāi)展很廣，本文針對(duì)船舶軸系振動(dòng)形式和產(chǎn)生原理進(jìn)行說(shuō)明，結(jié)合影響船舶軸系的振動(dòng)因素進(jìn)行分析，望為降低軸系振動(dòng)積累經(jīng)驗(yàn)。 </p><p>　　一.軸系振動(dòng)產(chǎn)生的主要原因 </p><p>　　船舶在行駛的過(guò)程中，會(huì)

3、因設(shè)備、水流、風(fēng)力等問(wèn)題產(chǎn)生振動(dòng)。一旦振動(dòng)頻率和激勵(lì)頻率一致就會(huì)造成共振的問(wèn)題產(chǎn)生，這對(duì)船舶的使用壽命造成很大的影響。我們通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象的主要位置有；船體梁、板格、板架、桅桿和機(jī)艙、上層建筑和尾部、推進(jìn)軸系、機(jī)架和機(jī)械設(shè)備等。這些部位的振動(dòng)影響對(duì)船體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)備的影響和損耗十分巨大，同時(shí)也能影響到船舶在行駛過(guò)程中的舒適度。 </p><p>　　船舶的軸系是動(dòng)力傳送的主要設(shè)備，它將主機(jī)和螺旋槳有效連接

4、，并且形成一套完整的動(dòng)力體系，螺旋槳在產(chǎn)生中軸向力能夠使船舶正常行駛。所以當(dāng)軸系出現(xiàn)主機(jī)力傳遞不均勻、力矩和安裝不能對(duì)中，材料加工不精確等現(xiàn)象，就會(huì)使軸系產(chǎn)生不平衡的狀態(tài)，使軸系出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和橫向振動(dòng)，同時(shí)螺旋槳在不均勻的流暢中進(jìn)行工作，同樣會(huì)引起船舶尾部的擾動(dòng)，使船體出現(xiàn)共振和局部振動(dòng)。 </p><p>　　另外有的大型船舶需要強(qiáng)大的動(dòng)力才能行使，這就要加設(shè)大型齒輪箱，齒輪間的傳動(dòng)需要精確的加工工藝，這就使齒

5、輪箱容易對(duì)軸系產(chǎn)生不同情況的激勵(lì)因素，所以說(shuō)無(wú)論任何振動(dòng)都是由船載設(shè)備而產(chǎn)生的。 </p><p>　　二.軸系振動(dòng)的基礎(chǔ)形式 </p><p><b>　　1.扭轉(zhuǎn)振動(dòng) </b></p><p>　　扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和船舶的主機(jī)有和直接的關(guān)系，當(dāng)柴油機(jī)出現(xiàn)間歇性噴油與燃燒、輸出扭矩的不均勻性的情況下就會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，其次齒輪箱的咬合沖擊和誤差激勵(lì)都能夠使

6、齒輪系統(tǒng)出現(xiàn)誤差，并引起振動(dòng)。船舶在推進(jìn)過(guò)程中由于軸系的部件在安裝上存在對(duì)中偏差、和材料不均勻等問(wèn)題都會(huì)使軸系在運(yùn)行上出現(xiàn)質(zhì)量不均勻的情況。另外螺旋槳在工作時(shí)遇到外部環(huán)境影響，形成不均勻流暢使軸系被不均勻激勵(lì)。 </p><p><b>　　2.縱向振動(dòng) </b></p><p>　　產(chǎn)生縱向振動(dòng)的主要因素是由于船尾在不均勻環(huán)境中，螺旋槳產(chǎn)生過(guò)大的變縱向激勵(lì)，而形成的

7、推力。這使軸系的扭轉(zhuǎn)形成振動(dòng)，特別是在扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率和與縱振固有頻率相近時(shí)，軸系的縱扭耦合振動(dòng)會(huì)十分明顯。這種振動(dòng)的耦合都是由螺旋槳和主機(jī)曲軸來(lái)共同完成的，齒輪箱一般采取聯(lián)合動(dòng)力裝置，在這一過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的軸向激勵(lì)，在加上，柴油機(jī)的缸體內(nèi)需要?dú)怏w激振力，這使聯(lián)動(dòng)裝置相比前幾種激勵(lì)來(lái)說(shuō)要相對(duì)減小，同時(shí)軸系回旋振動(dòng)在激起縱向振動(dòng)的同時(shí)使齒輪箱和螺旋槳產(chǎn)生較大的耦合力，同時(shí)將振動(dòng)激勵(lì)不斷擴(kuò)大。 </p><p><

8、;b>　　3橫向振動(dòng) </b></p><p>　　橫向振動(dòng)主要來(lái)自于轉(zhuǎn)軸，這使轉(zhuǎn)軸一方面能夠以一定的速度來(lái)圍繞著自身的幾何中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，也使彎曲的幾何中心能夠以某一角度的速度進(jìn)行支承中心線的旋轉(zhuǎn)，在受到推進(jìn)軸力的回旋振動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生如下幾個(gè)方面的激勵(lì)： </p><p>　　1）校正存在質(zhì)量問(wèn)題，使旋轉(zhuǎn)質(zhì)量出現(xiàn)偏心，這一問(wèn)題是因?yàn)檩S部件在制作工藝中產(chǎn)生質(zhì)量誤差，使軸系處于一

9、個(gè)不平衡的離心力環(huán)境下，當(dāng)螺旋槳在航行過(guò)程中出現(xiàn)磨損和重大設(shè)備故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的離心力，而且這種離心力是不平衡的，不平衡的離心力在轉(zhuǎn)軸中能夠處于相同旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)軸系的轉(zhuǎn)速在達(dá)到一次回轉(zhuǎn)的最高臨界轉(zhuǎn)速時(shí)就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的共振，這對(duì)整個(gè)船體和軸系都造成了十分嚴(yán)重的損壞。很多船舶在航行中為了防止螺旋槳產(chǎn)生空泡。都會(huì)將螺旋槳的轉(zhuǎn)速降到最低，一般保證在（100～200）r/min左右。而且這種推進(jìn)軸會(huì)根據(jù)不同的回轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率，使其高于軸頻。所

10、以在一般情況下除了特殊功能性的船舶之外，不會(huì)因?yàn)椴黄胶獾碾x心力所引發(fā)共振。螺旋槳偏心質(zhì)量在重力作用產(chǎn)生中會(huì)將激振力的頻率轉(zhuǎn)為軸頻的兩倍，所以偏心重力所引起的二次共振力并不大，但是一但因螺旋槳和軸系發(fā)生脫落等重大事故，偏心軸就會(huì)急劇增大，造成設(shè)備的整體破損。 </p><p>　　2）螺旋槳將會(huì)產(chǎn)生流體激振力，這種激振力的產(chǎn)生是由于葉片頻率降低，使葉片頻率和倍葉片次固有頻率與之相等時(shí)，這樣就引起了螺旋槳事故的產(chǎn)生。

11、 </p><p>　　3）軸的彎曲和剛度由于不同的情況，使轉(zhuǎn)軸要圍繞著主慣性軸的不同慣性矩獲得螺旋槳的完全平衡，但是這也可能產(chǎn)生頻率為軸頻兩部左右的二次激振力。不過(guò)在軸系運(yùn)行中，轉(zhuǎn)軸的抗彎剮度是相互抵消的。軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和縱向振動(dòng)也會(huì)引起回旋振動(dòng)，這些振動(dòng)的耦合源來(lái)自齒輪箱和螺旋槳 </p><p><b>　　4彎扭耦合振動(dòng) </b></p><

12、;p>　　當(dāng)扭轉(zhuǎn)和彎曲振動(dòng)在不平衡狀態(tài)下達(dá)到耦合時(shí)。就會(huì)使軸系中的多種不平衡量發(fā)生激增，例如螺旋槳的旋轉(zhuǎn)不平衡、軸系部件的不平衡質(zhì)量、軸承部件的作用力以及齒輪嚙合力等，特別是由于螺旋槳激勵(lì)和齒輪嚙合激勵(lì)，導(dǎo)致船舶軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和彎曲振動(dòng)往往是耦合在一起的。 </p><p>　　對(duì)于扭轉(zhuǎn)橫向耦合振動(dòng)研究，我們研究的主要對(duì)象是針對(duì)各種不同型號(hào)的汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、水輪機(jī)的軸系耦合振動(dòng)。船舶的軸系彎扭耦合振動(dòng)在研究上

13、并不常見(jiàn)，所以說(shuō)船舶推進(jìn)軸系是把發(fā)動(dòng)機(jī)功率傳遞給螺旋槳從而產(chǎn)生對(duì)船體的推動(dòng)力的裝置，在研究船舶軸系振動(dòng)時(shí)，必須考慮軸向推力這一因素，即研究彎扭耦合振動(dòng)時(shí)也必須考慮軸向推力。但作為一種耦合振動(dòng)的形式，在一定條件下，可以簡(jiǎn)化船舶推進(jìn)軸系，研究影響軸系耦合振動(dòng)因素對(duì)軸系振動(dòng)的影響效果。 </p><p>　　三.各種軸系振動(dòng)的危害 </p><p>　　通過(guò)文中分析我們得知幾種振動(dòng)產(chǎn)生的原因，下

14、面針對(duì)其進(jìn)行危害分析。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)能夠引起曲軸（與柴油機(jī)與軸系的布置相關(guān)）、中間軸斷裂；彈性聯(lián)軸器連接螺栓切斷；彈性元件碎裂：傳動(dòng)齒輪齒面點(diǎn)蝕和齒斷裂：凸輪軸斷裂：局部軸段發(fā)熱等現(xiàn)象。而縱向振動(dòng)的危害在于當(dāng)曲柄銷(xiāo)過(guò)大的彎曲應(yīng)力和拉壓應(yīng)力，就會(huì)使曲軸出現(xiàn)疲勞破損，這種危害形成的原因和主機(jī)布置有著一定的關(guān)系。其次傳動(dòng)齒輪輪齒過(guò)大的附加彎曲負(fù)荷，加速齒面磨損甚至損壞；推力軸承的附加交變負(fù)荷；軸系縱振產(chǎn)生的二次激勵(lì)力引起船體梁垂向振動(dòng)、機(jī)艙構(gòu)件的局

15、部振動(dòng)和上層建筑縱向振動(dòng)。橫向振動(dòng)能夠引起在螺旋槳軸錐形大端處產(chǎn)生過(guò)大的彎曲應(yīng)力，這樣就可能引起螺旋槳的螺帽發(fā)生松動(dòng)，這樣處于錐部的槳葉也會(huì)受到螺帽松動(dòng)發(fā)生振跳加劇的問(wèn)題，另外再加上海水中不同化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，容易造成槳葉的彎曲度和疲勞度發(fā)生下降，當(dāng)疲勞值和彎曲度積累到一定程度時(shí)就會(huì)在錐形較大的端頭出現(xiàn)龜裂并且導(dǎo)致重大的疲勞破壞事故。船尾結(jié)構(gòu)局部振動(dòng)的實(shí)質(zhì)是船舶軸系彎扭耦合振動(dòng)將軸系橫向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)危害的綜合形式，尾管軸承早期磨損，并導(dǎo)

16、致軸襯套腐蝕、密封裝置損壞等事故。 </p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ) </b></p><p>　　綜上所述，船舶動(dòng)力設(shè)備多以柴油動(dòng)力裝置為主，這使軸系受振動(dòng)和影響的因素較大。所以說(shuō)在進(jìn)行船舶軸系振動(dòng)相關(guān)問(wèn)題研究的過(guò)程中，要將多方面因素進(jìn)行綜合考慮，同時(shí)對(duì)船舶軸系外部進(jìn)行精確計(jì)算，主要研究方向要確定在螺旋槳流體、船體、齒輪咬合等因素上，這樣才能滿足相關(guān)研究需要，從

17、而嚴(yán)格而精確的控制船舶軸系振動(dòng)問(wèn)題。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]王平.船舶軸系扭振計(jì)算方法的研究[D].大連海事大學(xué).2002年 </p><p>　　[2]楊勇.船舶軸系校中技術(shù)研究[D].大連理工大學(xué).2005年 </p><p>　　[3]黃建亮，陳樹(shù)輝.軸向運(yùn)動(dòng)