船舶装载工况对不同孔径比轴系振动的影响

王　瑞，朱汉华,陈志坚，张喜胜

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)

船舶装载工况对不同孔径比轴系振动的影响

王瑞，朱汉华,陈志坚，张喜胜

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)

摘要：针对船舶装载工况和轴系孔径比不同所引起的轴系振动问题，以某型散货船作为研究对象，运用ANSYS有限元法对船舶空载与满载工况下的推进轴系振动进行模态分析，以此获得轴系振动的固有频率，并对船体变形引起不同孔径比轴系振动固有频率的差异进行仿真分析。结果表明，当轴系的孔径比相同时，振动固有频率的数值在满载工况下比空载工况下大；当船舶装载工况相同时，振动固有频率的数值随着轴系孔径比的增大逐渐减小。

关键词：船体变形；模态分析；振动；孔径比；固有频率

船舶推进轴系通过轴承-轴承座与船体相连，轴承的位置变化将直接影响轴系振动的固有频率。由于在不同装载工况下，船体会产生不同程度的较大变形，会引起轴承座相对位置的变化[1-2]。而随着主机功率的增大，轴系刚度逐渐变大，特别是对艉机型船舶，其短粗轴系使轴刚度变得更大，轴承基座垂向位置的微小变化将对轴系振动产生较大影响[3]。随着船舶大型化的发展，轴系的孔径比不同，振动的固有频率也会不同。因此，研究船舶不同装载工况对不同孔径比轴系振动影响的规律，对于保证船舶推进轴系正常工作和船舶航行安全具有重要的意义。国内外学者对轴系振动的研究多数是基于轴与轴承中心线平行，且在一条水平直线上进行的，不考虑船体变形和轴系孔径比变化的影响[4-6]，这与大型船舶轴系的实际情况不符。为此以某型散货船作为研究对象，运用ANSYS有限元法对船舶装载工况和轴系孔径比共同作用下引起的船舶轴系振动进行仿真分析，以此获得轴系振动的固有频率；并对船体变形引起不同孔径比的轴系振动固有频率的差异进行对比，分析船体变形对不同孔径比轴系的振动固有频率的影响问题。

1船体有限元模型

船舶在空载和满载的情况下会发生船体变形，影响轴系振动的固有频率。因此，有必要对全船进行模拟。以某大型散货船为对象，该散货船的主要参数：总长88.916 m，设计水线长86.4 m，型宽16.5 m，型深7.4 m，吃水5.7 m。散货船的有限元模型见图1。

图1　散货船体模型

在空载和满载的工况下分别进行船体变形的模拟，把船舶上所有的机械重量，以均布载荷的形式施加在相应位置。取单元中心点的压力作为整个单元的平均压力，将货物载荷和水载荷以平均压力的形式分别作用在甲板和底板上[7-8]。模态分析时，为了防止船舶有刚性位移，对机舱的前横舱壁做全约束。满载情况下船舶的有限元受力模型见图2。

图2　船舶满载情况的有限元受力模型

由图2可见，在满载工况下，因为船舶货物重量的作用，船舶的中部比船艏和船艉的变形量要大得多。

2轴承位移量的确定

该船舶轴系的轴承由后艉轴承、前艉轴承和齿轮箱轴承组成，因为船舶变形对轴承的位移的影响很小，所以只考虑轴系的垂向位移。以前艉轴承为基准点，根据船体的变形量，可以求得后艉轴承、齿轮箱轴承和前艉轴承的相对位移，进而求得绝对变形量，见表1。轴系的绝对变形与相对变形分别见图3和图4。

表1　轴承的位移　mm

图3　轴系垂向绝对变形

图4　轴系垂向相对变形

由表1、图3和图4可见，满载工况下的轴系变形较大，变形比较明显，最大的绝对变形发生在后艉轴承处，绝对位移量为6.776 mm。在空载工况下，轴线绝对变形的变化比较平缓，最大的变形发生在齿轮箱轴承处，变形量为2.178 0 mm。这与实际情况相符，因为满载工况时，受螺旋桨水动力的影响，后艉轴承的工作条件非常恶劣，后艉轴承的变形会增大，这对后艉轴承的有效接触长度也有很大的影响。空载工况时，因为主机的重力作用，导致轴系的齿轮箱轴承处变形量很大。从以上的分析可以看出，满载工况对轴系变形的影响最大。

3轴系振动的计算与分析

在workbench中建立轴系的有限元模型，采用如下原则。

1) 将螺旋桨简化为圆盘，并且保证质量和转动惯量的守恒。

2) 将轴系中的法兰和联轴节部分适当放大，目的是为了保证连接处的强度和刚度不变。

3) 支撑轴系的每个轴承，用3个等强度和等刚度的弹簧分别来模拟[10]。

参照图4轴系垂向相对变形的数据，在ANSYS中分别建立船舶在空载和满载工况下的轴系模型(见图5)，分别求解船舶轴系的振动固有频率。

图5　某散货船轴系有限元模型

该船舶轴系的参数为

螺旋桨直径1 705 mm；

螺旋桨重量2 613 kg;

轴长8.512 m;

轴外径380 mm。

处于直线状态的轴系有限元模型如图5所示。在大型船舶中，因为轴系孔径比的取值范围小于0.4[9],因此，将取孔径比分别为0、0.05、0.15、0.25和0.35的轴系作为研究对象，分别求取轴系的振动固有频率，见表2。

表2　轴系振动固有频率

由表2可见，在不同的工况下，轴系振动固有频率不同，而且变化很大。船舶工况对轴系的前2阶的振动频率影响比较大，在同一孔径比的情况下，满载工况的轴系振动固有频率比空载工况的要大。同一工况下，随着轴系内径的增大，同一阶轴系振动固有频率逐渐减小。为了保证船舶推进轴系正常工作和船舶航行的安全，船舶启动时，激励频率要快速越过轴系的振动固有频率，避免发生共振。

3结论

1) 在推进轴系同一孔径比的情况下，满载工况的轴系振动固有频率比空载工况的要大。在同一工况下，随着轴系内径的增大，同一阶轴系振动固有频率逐渐减小。

2) 满载工况下的轴系变形较大，变形比较明显，最大的绝对变形发生在后艉轴承处。在空载工况下，轴线绝对变形的变化比较平缓，最大的绝对变形发生在齿轮箱轴承处。

3) 提出的船舶装载工况对不同孔径比轴系振动固有频率的求解方法和流程具有一定的通用性，但是轴系的变形量和轴系轴承的分布和船舶机械的分布有关，需要考虑具体的船型。

参考文献

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[10] 邹冬林.大变形下轴向力对船舶推进轴系弯曲固有频率影响[J].振动与冲击，2015，34(14)：20-21.

Influence of the Ship Loading Condition upon the Vibration of Different Aperture Ratio

WANG Rui, ZHU Han-hua, CHEN Zhi-jian, ZHANG Xi-sheng

(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Abstract:Aiming at the vibration problems caused by the ship loading condition and the aperture ratio of the shaft, a type of bulk cargo ship is used as the research object, and the finite element method is used to analyze the vibration of the shaft system under the condition of no-load and full load to obtain the natural frequency of the shafting vibration, the difference of the natural frequency of the different aperture ratio the shaft system of the ship hull deformation is simulated and analyzed. The numerical results show that the natural frequency of shaft system of the same aperture ratio under full load condition is larger than that of the no-load condition. Under the same working condition, the natural frequency decreases gradually with the increase of the pore diameter ratio.

Key words:hull deformation; modal analysis; vibration; aperture ratio; natural frequency

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.020

收稿日期：2015-11-02

基金项目：国家自然科学基金(51139005)

第一作者简介：王瑞 (1989—)，男，硕士生 E-mail:1848237023@qq.com

中图分类号：U664.21

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)03-0083-03

修回日期：2015-11-19

研究方向:船舶推进技术