王 京， 鄭英男， 張 濤

(中海工業(yè)(江蘇)有限公司,江蘇 揚(yáng)州 225211)

1 軸系扭振的機(jī)理與危害

船舶推進(jìn)軸系是船舶動(dòng)力裝置的一個(gè)重要組成部分，承擔(dān)著將主機(jī)功率傳遞至螺旋槳并推動(dòng)船舶前進(jìn)的重任。軸系在船舶航行過程中會(huì)承受到多種復(fù)雜的力的作用，最主要的就是主機(jī)施加的扭轉(zhuǎn)力與螺旋槳施加的向前推力。

扭振顧名思義就是由于扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的振動(dòng)，由于柴油機(jī)并非是絕對(duì)的勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，而是在氣缸內(nèi)氣體周期性的變化而產(chǎn)生轉(zhuǎn)速變化，同時(shí)柴油機(jī)曲軸受到的重力變化、螺旋槳受到的海水沖擊變化等，都會(huì)造成軸系受到周期性的交變作用，因此產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)可能導(dǎo)致傳動(dòng)齒輪齒面點(diǎn)蝕和齒斷裂、軸系局部高溫發(fā)熱、曲軸及中間軸斷裂等等，因此，強(qiáng)烈的軸系扭振將會(huì)給船舶的航行安全帶來嚴(yán)重的威脅。

2 軸系扭振超標(biāo)案例介紹

某型號(hào)遠(yuǎn)洋貨船基本參數(shù)見表1。

首制船試航時(shí)進(jìn)行了軸系扭振測(cè)量：主機(jī)6缸正常發(fā)火時(shí)，在58.21 r/min測(cè)到1節(jié)6諧次共振轉(zhuǎn)速，測(cè)試與計(jì)算頻率對(duì)比見表2。

表1 某型號(hào)遠(yuǎn)洋散貨船基本參數(shù)

表2 共振轉(zhuǎn)速、實(shí)測(cè)頻率對(duì)比表

軸系計(jì)算頻率與實(shí)測(cè)頻率的相對(duì)誤差為0.95%，滿足規(guī)范要求，故可以根據(jù)測(cè)點(diǎn)振幅按自由振動(dòng)的Holzer表進(jìn)行推算軸系各部件承受的扭振力矩或扭應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果見表3。

由表3可知，中間軸在臨界轉(zhuǎn)速時(shí)所受到的應(yīng)力已非常接近瞬時(shí)許用值，幾乎沒有裕度，且在主機(jī)1缸熄火的工況下，測(cè)得的中間軸應(yīng)力高達(dá)115 N/mm2，超過瞬時(shí)許用值，不滿足船舶規(guī)范要求。

3 問題原因分析

在船舶設(shè)計(jì)過程中，軸系的扭振計(jì)算是必須進(jìn)行的步驟。主機(jī)6缸正常發(fā)火時(shí)，該船的中間軸應(yīng)力計(jì)算曲線見圖1。

表3 軸系扭轉(zhuǎn)應(yīng)力與扭矩計(jì)算表

圖1 中間軸應(yīng)力計(jì)算曲線

由圖1可知，中間軸的扭曲應(yīng)力最大值應(yīng)該為98 N/mm2，但是實(shí)際測(cè)得的應(yīng)力大大超過了計(jì)算值，這種情況是極不正常的。查詢資料得知，原軸系扭振計(jì)算書在軸系計(jì)算時(shí)將軸系簡化為集總參數(shù)模型進(jìn)行計(jì)算，簡化模型見圖2。

圖2 簡化模型

此模型將軸系多質(zhì)量系統(tǒng)簡化為三種基本元件組成的系統(tǒng)：剛性均質(zhì)圓盤元件、無慣量扭轉(zhuǎn)彈性元件和無慣量阻尼元件。圖2中標(biāo)注在圓盤上的數(shù)字表示該元件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，標(biāo)注在軸段上的數(shù)字表示無慣量扭轉(zhuǎn)彈性元件的內(nèi)外直徑，標(biāo)注在下方帶有百分號(hào)的數(shù)字表示無慣量阻尼元件的阻尼系數(shù)。

圖3 修正參數(shù)后，中間軸應(yīng)力計(jì)算曲線

對(duì)全部參數(shù)進(jìn)行了逐一排查，發(fā)現(xiàn)圖中右下角的螺旋槳阻尼系數(shù)5.5%,該參數(shù)存在重大問題。根據(jù)原計(jì)算書中描述，5.5%的的阻尼系數(shù)是根據(jù)習(xí)慣經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取的，但查詢MAN公司提供的扭振計(jì)算公式發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速禁區(qū)內(nèi)扭振峰值的轉(zhuǎn)速低于主機(jī)選定最大持續(xù)功率時(shí)轉(zhuǎn)速的50%時(shí)，螺旋槳的阻尼系數(shù)不能再選取5.5%，而是要按照MAN公司推薦的公式進(jìn)行計(jì)算。該船共振臨界轉(zhuǎn)速nc=58 rpm，小于主機(jī)選定最大持續(xù)功率時(shí)轉(zhuǎn)速的50%(127×0.5=63.5 rpm)。按MAN B&W公司推薦，螺旋槳阻尼系數(shù)ρ修正如下：

(1)

使用修正過的參數(shù)ρ重新對(duì)軸系扭振進(jìn)行計(jì)算，主機(jī)6缸正常發(fā)火時(shí)，中間軸應(yīng)力計(jì)算曲線見圖3。

計(jì)算結(jié)果顯示，中間軸在扭振峰值時(shí)承受的應(yīng)力高達(dá)110 N/mm2，與實(shí)測(cè)結(jié)果一致，證明錯(cuò)誤選擇的阻尼系數(shù)正是造成扭振超標(biāo)的原因。

4 解決方案選擇

扭振超標(biāo)問題的改善，通常有以下幾種解決方案：增加軸系扭振減振器、更換更大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的調(diào)頻輪、增大中間軸直徑、提高中間軸的材料強(qiáng)度、降低螺旋槳慣性矩等。

對(duì)于增大中間軸直徑、提高中間軸的材料強(qiáng)度兩種方案來說，需要重新鍛造中間軸，原來的中間軸作廢，且主機(jī)環(huán)氧需要重新進(jìn)行澆筑，成本很高；降低螺旋槳慣性矩的方案需要重新設(shè)計(jì)鑄造螺旋槳，相應(yīng)的主機(jī)轉(zhuǎn)速也要進(jìn)行調(diào)整，成本較前兩種更高?？紤]到控制成本的因素，在增加軸系扭振減振器和更換更大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的調(diào)頻輪兩種方案之間進(jìn)行選擇。

1) 增加軸系扭振減振器

為了及時(shí)交付首制船，為該船選擇了增加軸系扭振減振器的方案。

選用Geislinger扭振減振器，安裝在主機(jī)自由端原調(diào)頻輪的位置，通過減振器內(nèi)部的阻尼作用，可以有效減少扭振發(fā)生時(shí)的振幅。經(jīng)過試航檢驗(yàn)，在主機(jī)6缸正常發(fā)火時(shí)，測(cè)得的中間軸應(yīng)力為47.93 N/mm2，大大低于之前的應(yīng)力值109.86 N/mm2，取得了良好的減振效果，而且各個(gè)轉(zhuǎn)速下中間軸的應(yīng)力不僅低于瞬時(shí)許用值(111 N/mm2)，更低于持續(xù)許用值(65.29 N/mm2)，可以不用設(shè)置轉(zhuǎn)速禁區(qū)。

2) 更換更大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的調(diào)頻輪

圖4 調(diào)頻輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為12 000 kg·m時(shí)，中間軸應(yīng)力計(jì)算曲線

由于Geislinger減振器是進(jìn)口產(chǎn)品，成本很高，如果全系列船均使用減振器會(huì)使船舶的建造成本大幅提升，在后續(xù)船供貨期限滿足的情況下應(yīng)選擇成本更低的更換調(diào)頻輪的方案。

主機(jī)的選擇根據(jù)原扭振計(jì)算書的結(jié)果，匹配了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量8 000 kg·m2的調(diào)頻輪，更正原計(jì)算書的錯(cuò)誤，使用正確的參數(shù)重新計(jì)算并選取合理的調(diào)頻輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

將阻尼系數(shù)選取為5.0%進(jìn)行軸系扭振計(jì)算，在滿足中間軸應(yīng)力要求時(shí)，調(diào)頻輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量選取為12 000 kg·m2，主機(jī)6缸正常發(fā)火時(shí)，中間軸應(yīng)力計(jì)算曲線見圖4。

圖4中理論計(jì)算結(jié)果顯示中間軸應(yīng)力為101 N/mm2，低于瞬時(shí)許用值111 N/mm2，并有大約10%的裕量。經(jīng)過試航時(shí)的實(shí)測(cè)檢驗(yàn)，在主機(jī)6缸正常發(fā)火時(shí)，軸系各部應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果見表4。

實(shí)測(cè)結(jié)果表明改進(jìn)后中間軸承受的應(yīng)力較使用原調(diào)頻輪時(shí)有了一定幅度的下降，與理論計(jì)算結(jié)果101 N/mm2比較吻合，誤差僅為1.3%，可以滿足使用要求。

5 結(jié) 語

介紹了一起由于軸系計(jì)算參數(shù)選取錯(cuò)誤導(dǎo)致的軸系扭振超標(biāo)事例，在找到引起問題的關(guān)鍵原因后，針對(duì)不同的個(gè)體情況采取了不同的方案，這些方案各自具備以下特點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選?。?/p>

1.增加減振器方案：優(yōu)點(diǎn)是減振效果好，而且可不設(shè)轉(zhuǎn)速禁區(qū)，缺點(diǎn)是成本高、使用維護(hù)較復(fù)雜、存在失效風(fēng)險(xiǎn)。

2.更換調(diào)頻輪方案：優(yōu)點(diǎn)是成本相對(duì)低廉、純機(jī)械部件結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好，缺點(diǎn)是減振效果沒有減振器好，需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置轉(zhuǎn)速禁區(qū)，且生產(chǎn)周期較長。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王萬華,耿厚才,張玉蓮,等. 7.6萬噸級(jí)散貨船軸系扭振性能改進(jìn)的研究[J].造船技術(shù), 2005(6)：25-29.

[2] 于招陽,徐筱欣,車馳東. 57 000噸散貨船軸系扭振實(shí)測(cè)分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].噪聲與振動(dòng)控制,2011(3)：99-103.

[3] 周春良. 船舶軸系振動(dòng)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文,2006.