波浪中船舶轴系的试验装置与方法研究

董诗晨 董良雄

摘要：针对在实验室难以模拟航行中船舶的问题，本文设计了一种波浪力作用下的船舶轴系试验台。在试验台结构中对模拟轴系采用了弹性支撑，并利用辅轴和水箱传递波浪激励力，具备了波浪中船舶轴系的受力和运动特征，解决了实验室模拟实验与实船航行环境中船舶航行性能的一致性问题。

关键词：船舶轴系；试验台；波浪载荷

船舶轴系是船舶动力装置中的重要组成部分，承担着将主机发出的功率传递给螺旋桨，并将螺旋桨产生的推力传递给船体，实现推船航行的作用。船舶轴系是从主机输出端法兰起至尾轴为止，连接主机和螺旋桨，尾轴穿过船体由尾轴承支撑，尾轴承则与船体相连。正常工作时轴系应保持良好的对中状态，但船舶在波浪中航行時，船体会随波浪发生变形，从而影响轴系的运转。

一、现有船舶轴系试验台

轴系试验台一般由模拟轴系、载荷施加装置两部分组成。模拟轴系是对实船的轴系进行比例缩小。载荷施加装置是对实际工作环境进行的模拟，现有方法一般采用重锤施加冲击载荷，或是采用偏心轮施加偏心载荷，能有效模拟船舶轴系受到的外力作用[1]。但由于波浪诱发的船体变形和船舶运动并不是直接作用在轴系上，而是作用在与船体相连的尾轴承上，常规的载荷施加装置无法完成。目前一般是通过船模的分段模型来得到波浪力对船舶轴系的影响机理，但价格昂贵且较难实现。

二、波浪力作用下的模型试验台

1.基于“波浪在上部”的载荷施加装置

波浪诱发的船体变形作用是通过轴系支承传递的，因此可在轴系支承上加装一根辅轴模拟船体结构，辅轴位于尾轴的上方，使辅轴与轴系构成一个弹性体结构，进而传递波浪诱发的船体变形。

此外，辅轴结构又为波浪载荷的布置提供了方便，可在辅轴上部安装水箱结构，通过水箱的造波机构产生多种类型的波浪，从而将波浪力施加到辅轴上，模拟波浪对船体的激励效应并传递给轴系[2]。

2.基于“喷水冲击”的波浪发生装置

船体在波浪中的受力规律与水箱底部受到的波浪力相同，因此可利用水箱中波浪来模拟船体受力。水箱设计思路如下：水箱的上部安装有造波机构，造波机构由固定在造波轴上的若干块造波底板组成，造波底板上安装造波板并通过螺栓与之活动连接。改变造波板的水平角度，水泵喷成的水冲到造波板上就可以制造多种波浪。此外，水箱内部的隔板可以上下调整，隔板两侧加装落水槽和吸水口便于造波时水的流动；水箱的顶部装有盖板，盖板上装有透气窗，透气窗开度可调整改变箱内气流，水箱的底部安装弧形部，这些措施都能使造波效果更好。

3.基于“软连接”的总体结构

为了增加振动传递效果，水箱两侧安装导向块，在水箱的两边与导向槽对应位置安装导向条，使导向块沿着导向条做上下运动，从而控制水箱做上下运动。水箱的下表面通过连接件与辅轴连接。连接件分为上、下连接块并通过螺栓活动连接，上连接块连接气体弹簧并具有一个活动头部，活动头部安装在水箱下定位法兰上的导向孔中并具有一定间隙，水箱受力后的变形通过该间隙来缓冲，连接件起到了软连接的作用，装置总体连接效果如图1、图2所示。

三、试验效用分析

在图1与图2中，各部分说明如下：1.转动机构；2.刚性尾轴承；3.尾轴；4.机座；5.弹性尾轴承；6.弧形部； 7.辅轴；8.连接件；9.水箱；10.隔板；11.落水槽；12.导向条；13.导向块；14.导向槽；15.造波机构；16.出水口；17.水泵；18.吸水口；81.下连接块；82.上连接块；83.气体弹簧；84.定位销；85.活动头部；86.定位法兰；87.导向孔。

船舶航行时由波浪激起的振动分为两类：一是由船体与波浪之间的砰击引起的瞬态强迫振动，二是小而短的波浪诱发的稳态强迫振动[3]，可作为两种典型工况进行轴系试验，具体步骤如下：

1.将造浪板安装到造浪板轴上，水箱存水并调节造浪板角度及隔板的高度，开启水泵，使水泵出水口的水流冲击造浪板产生波浪，波浪力传递给辅轴并使辅轴产生相应的振动变形。

2.进一步改变尾轴的转速，水泵与造浪板的高度差，以及造浪板的各种位置变化并检测轴系振动形态，使尾轴上能监测出二类典型振动，获取造波机构参数。

3.根据造波参数范围设置造浪板角度，调节隔板高度与水泵出水量，模拟实际海面上的随机波浪，测量并计算波浪中船舶轴系性能参数，流程如图3所示。※

参考文献：

[1] 董良雄，杨意，高军凯，等.基于船舶艉轴-油膜-艉部结构系统的碰撞载荷响应研究[J].中国舰船研究，2017（1）：122-127.

[2] 董诗晨，一种波浪力作用下的船舶轴系试验装置：CN201611020813.2[P]. 2017-01-11.

[3] 汪雪良，顾学康，胡嘉骏.船体梁刚度对波激振动影响的比较研究[J].中国舰船研究，2016（5）：55-62.