船舶軸系振動相關(guān)問題研究

1、<p>　　船舶軸系振動相關(guān)問題研究</p><p>　　摘要：隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的需求，海運和航運發(fā)揮著重要的作用，近些年我國研發(fā)了多艘大型船舶，但是在船舶軸系的振動形式、產(chǎn)生機理依然是船舶制造技術(shù)中的重點研究項目，我國開展這項技術(shù)研究已經(jīng)多年，并總結(jié)出一定的經(jīng)驗。本文通過作者的分析針對船舶軸系振動相關(guān)問題進行研究，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>　　船舶軸系的振動形式和產(chǎn)生原理的研究開展很廣，本文針對船舶軸系振動形式和產(chǎn)生原理進行說明，結(jié)合影響船舶軸系的振動因素進行分析，望為降低軸系振動積累經(jīng)驗。 </p><p>　　一.軸系振動產(chǎn)生的主要原因 </p><p>　　船舶在行駛的過程中，會

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

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

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

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

7、推力。這使軸系的扭轉(zhuǎn)形成振動，特別是在扭轉(zhuǎn)振動頻率和與縱振固有頻率相近時，軸系的縱扭耦合振動會十分明顯。這種振動的耦合都是由螺旋槳和主機曲軸來共同完成的，齒輪箱一般采取聯(lián)合動力裝置，在這一過程中會產(chǎn)生較大的軸向激勵，在加上，柴油機的缸體內(nèi)需要氣體激振力，這使聯(lián)動裝置相比前幾種激勵來說要相對減小，同時軸系回旋振動在激起縱向振動的同時使齒輪箱和螺旋槳產(chǎn)生較大的耦合力，同時將振動激勵不斷擴大。 </p><p><

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

9、個不平衡的離心力環(huán)境下，當螺旋槳在航行過程中出現(xiàn)磨損和重大設(shè)備故障時會產(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。當軸系的轉(zhuǎn)速在達到一次回轉(zhuǎn)的最高臨界轉(zhuǎn)速時就會產(chǎn)生相應(yīng)的共振，這對整個船體和軸系都造成了十分嚴重的損壞。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。而且這種推進軸會根據(jù)不同的回轉(zhuǎn)振動頻率，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，不會因為不平衡的離心力所引發(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，偏心軸就會急劇增大，造成設(shè)備的整體破損。 </p><p>　　2）螺旋槳將會產(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，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。不過在軸系運行中，轉(zhuǎn)軸的抗彎剮度是相互抵消的。軸系的扭轉(zhuǎn)振動和縱向振動也會引起回旋振動，這些振動的耦合源來自齒輪箱和螺旋槳 </p><p><b>　　4彎扭耦合振動 </b></p><

12、;p>　　當扭轉(zhuǎn)和彎曲振動在不平衡狀態(tài)下達到耦合時。就會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和齒輪嚙合激勵，導(dǎo)致船舶軸系扭轉(zhuǎn)振動和彎曲振動往往是耦合在一起的。 </p><p>　　對于扭轉(zhuǎn)橫向耦合振動研究，我們研究的主要對象是針對各種不同型號的汽輪機、發(fā)電機、水輪機的軸系耦合振動。船舶的軸系彎扭耦合振動在研究上

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

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

15、部振動和上層建筑縱向振動。橫向振動能夠引起在螺旋槳軸錐形大端處產(chǎn)生過大的彎曲應(yīng)力，這樣就可能引起螺旋槳的螺帽發(fā)生松動，這樣處于錐部的槳葉也會受到螺帽松動發(fā)生振跳加劇的問題，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，當疲勞值和彎曲度積累到一定程度時就會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)局部振動的實質(zhì)是船舶軸系彎扭耦合振動將軸系橫向振動和扭轉(zhuǎn)振動危害的綜合形式，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 </b></p><p>　　綜上所述，船舶動力設(shè)備多以柴油動力裝置為主，這使軸系受振動和影響的因素較大。所以說在進行船舶軸系振動相關(guān)問題研究的過程中，要將多方面因素進行綜合考慮，同時對船舶軸系外部進行精確計算，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、而嚴格而精確的控制船舶軸系振動問題。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1]王平.船舶軸系扭振計算方法的研究[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，陳樹輝.軸向運動