船舶推进轴系扭振影响因素分析

韩阳泉 樊明 冀海俊

摘 要：本文以轴系扭振理论计算为依据，分析影响扭振的各项因素，并以此提出解决轴系扭振问题的一些建议

关键词：712所推进电机；柴油机；船舶；推进轴；扭振；影响因素

中图分类号：U664.21 文献标识码：A

1 前言

船舶推进轴系主要由动力装置、传动轴及螺旋桨组成。传动轴用于将动力装置发出的动力传递给螺旋桨，以使其旋转产生推进力。为了使推进系统能安全、高效地长期运行，需要对机、桨、轴进行匹配设计，其中轴系的扭振问题对该系统的使用寿命至关重要。为此，船舶规范对此也作出了规定，在轴系设计时需要进行理论计算，安装完成后往往还需要进行扭振测试，因此，轴系扭振计算是船舶设计中重要的一环。轴系设计时需要对各种影响因素进行分析，尽量降低扭振问题给船舶运行带来的负面影响。本文以采用推进电机和船用柴油机两种船舶动力装置的推进轴系为例，对轴系扭振有较大影响的几个主要因素进行分析。

2 轴承扭振计算方法

要了解影响轴系扭振的因素，首先要清楚扭振的基本原理和计算方法。扭振是在变化扭矩的作用下所产生的周期性运动，凡是不均匀输出扭矩及吸收扭矩的机械装置，均有可能出现扭振现象。

实际轴系的质量是沿轴分布，计算复杂。为此，常用的办法是将其转化成集中质量式的当量系统，即用圆盘串以轴段的模型代替原轴系，新生成的模型就是原轴系的当量系统，通过当量系统的扭振计算，可反映实际系统的扭转振动特性。

下面分别以某180TEU集装箱船和39 000 DWT系列油轮的轴系为例作分析。

2.1 180TEU集装箱船（电机推进）轴承扭振计算

2.2 39 000 DWT邮轮（柴油机推进）轴承扭转计算

39 000 DWT系列油轮采用船用柴油机为动力装置，其轴系当量系统共分成11个质量块（图2），其中38、1-6、27、32分别代表主机曲轴上法兰、气缸和活塞、推力轴及飞轮的转动惯量，43代表中间轴及螺旋桨轴的转动惯量，73代表螺旋桨浸水后的总的转动惯量。各质量块之间的百分数表示作用在该处的内、外阻尼，数字表示连接各质量块的轴径。

3 轴承扭转主要影响因素

从上面的公式可以看出，影响扭振的主要因素有四个：质量块的转动惯量（I）；各部件的阻尼（C）；连接各质量块的轴的刚度（K）；及外部激振力矩（T）。

下面分别对采用推进电机和船用柴油机为动力装置的轴系扭振各影响因素进行分析。

3.1 外部激振力矩的影响

3.1.1 电机推进船舶

对于采用推进电机为动力装置的船舶轴系来说，推进电机是主要的动力源，因此也是主要的外部激励力矩源。根据交流异步推进电机的运行原理，其电机的扭矩表达式如下：

3.1.2 柴油机推进船舶

对于采用船用柴油机为动力装置的船舶轴系来说，其扭振的外部激振力矩主要有以下几种：

（1）气缸内周期变化的气体膨胀压力在曲轴上形成的交变扭矩；

（2）活塞连杆往复惯性力所引起的曲轴交变扭矩；

（3）低速大型柴油机活塞连杆的重量所引起的交变扭矩；

（4）螺旋桨运动所产生的周期性变化的扭矩。

前三项是轴系的驱动扭矩，后一项是轴系的负荷扭矩。经验表明，其中影响较大的激振力矩为前两项，后两项所占比例较小，因此，在实际计算中，通常只考虑前两项，而忽略后两项。

对二冲程柴油机，简谐次数ν=1，2，3，……∞。在扭振计算中，通常只需考虑到12次简谐以下的扭矩情况即可，但也有少部分大功率中速机考虑到16次。

由各次简谐扭矩引起的强制扭转振动称为阶振动。发生强制扭振时，轴系按照哪一种振型振动，由该激振力矩的频率决定。

当υ次干扰力矩的频率Nυ与轴系的固有频率N固接近或相等时，相应的柴油机转速应确定为临界转速，此时转速为n=Nυ/υ。对一个轴系而言，也许会出现多个临界转速。

当干扰力矩频率与固有频率接近或相等时，此时轴系发生共振，即轴系上的扭转应力最大，若应力超出许用许可，可配备相应的减震设备，如阻尼减震器等，以改变轴系固有频率，避开干扰扭矩的频率。对减震设备参数的选取，要依据共振频率值N。

通過以上对比可知，推进电机自身的激振力矩波动很小，选用推进电机为动力装置有益于降低船舶轴系扭振。

3.2 转动惯量及刚度的影响

当轴系不受外力作用的时候，则扭振的控制方程可以写成下式：

IΦ+KΦ=0

以最简单情况为例，即方阵I及K均为1阶的，此时系统为扭摆，则系统存在单一的固有频率N固= 。由上式可知，系统的固有频率只与当量质量的转动惯量和该轴的刚度有关，与其他参数无关。该结论同样适用于有多个当量质量的系统，对多个质量系统，其固有频率的数量与当量质量块的数量相对应。

3.3 阻尼的影响

阻尼在扭振系统中的主要作用是对扭转振动能量的转换，由机械能转换为热能，随着能量的转换，对无激振力的扭转轴系，其振幅是逐渐衰减的，直至消失。

推进电机及柴油机轴系的阻尼存在着共性，主要有：轴承中的液体摩擦、空气对运动部件的阻力、间隙引起的冲击消耗及轴段内部分子间摩擦的迟滞阻尼、水对螺旋桨的阻力等。

柴油机轴系还存在着活塞环和汽缸套之间的摩擦阻尼，以上各方面均以阻尼系数c来代替，出现在扭振控制方程中。

4 减振与避振

以上分析了影响轴系扭转振动的主要因素，针对这些因素，可以作出相应对策来降低轴系的扭转振动。其主要对策有几个方面。

4.1 减少简谐激振力矩

激振力矩是扭振的动力根源，减少激振力矩，就可以直接减小扭转振幅。其方法有：

（1）采用推进电机替代船用柴油机：由于船舶推进电机采用电磁原理，利用磁感应线切割原理使推进电机输出端转动，不会出现受力不均匀，而且设备内部的转动轴相对于船用低速柴油机的曲轴要短很多，自身内部的扭振幅度很小，对于整套轴系可以忽略不计，从而一定程度上消减了轴系扭振。例如，180TEU集装箱船采用了712所的推进电机，极大程度的减小了船舶推进轴系的扭振；

（2） 改变柴油机发火顺序：主机的发火顺序改变可以使副临界转速发生改变，进而避开常用的转速范围，但对主临界转速没有影响。通常，用户是按主机厂家设定的发火顺序运行，如发生扭振问题，可以改变其原设定的发火顺序进行副临界转速调节；

（3）改变振型：在主机曲轴的自由端或中间轴段的双节点振幅较大处加设副飞轮，可使轴系的固有频率和振型发生改变，使临界转速脱离常用转速范围，还能降低扭振振幅。目前我厂所用的主机均带有大飞轮或者大的调频轮，其主要作用是调整扭振频率或振幅；

（4）合理选择桨叶安装位置，可以降低螺旋桨的激振力矩。并且不要使用与主机主谐量相同的桨叶叶数。

4.2 调整系统自振频率

改变轴系的自振频率，可以将轴系临界转速转移到主机工作转速范围之外。主要方法有：

（1）改变转动惯量：增加转动惯量可以降低轴承固有频率，反之则提高轴系的固有频率。该方法是比较常用的，多采用增加法兰尺寸或飞轮尺寸的办法来实现；

（2）改变轴段刚度：在理想状态下，如果轴系是完全刚度的没有弹性，则轴系是不会发生扭转振动的，因此增加轴段的刚度，可以降低扭转振动。最直接的办法就是增加直径，但是直径的增加也意味着成本的增加，而且轴径的变动，对整个轴系的影响比较大，故尽量不采用这种方法；

（3）加装弹性联轴节：高弹性联轴节既是联轴节又是减震器，可以改变轴系的刚度，同时产生阻尼降低振幅。

3.3 配置减振器

当以上办法仍不能有效解决扭振问题时，则可以在柴油机自由端配置减振器。目前应用较多的是硅油减振器和动力阻尼型减振器（盖斯林格型），两种减振器原理基本相同，均是提供大阻尼、消耗多余能量、降低扭振幅度。对動力型减振器，还可增加轴系的转动惯量，改变轴系的固有频率，使临界转速发生改变。

3.4 设置转速禁区

如果轴系在某转速时的应力小于规范中的瞬时运转许用应力，但超过持续运转使用应力，则可以设置转速禁区。在轴系运行操作时，快速通过该转速区域。

5 结论

本文依据推进轴系扭振计算方程式，分析扭振的影响因素，根据各影响因素的特点，提出了减振、避振的一些措施，但愿能为船舶推进系统设计提供一点提示，优化机、桨、轴的匹配设计，以降低轴系设计的风险，并期望能为解决某些船舶的扭振问题提供帮助。

参考文献

[1]许定秀，李宗等编著。船舶柴油机轴系扭转振动。人民交通出版社，1982