摘 要

本文讲述了了船舶轴系振动所产生的原因和造成的危害，阐述了研究船舶轴系振动的意义，介绍了国内外对船舶轴系振动的研究现状。本文基于武汉理工大学船机楼的船舶轴系动态特性试验台，设计了船舶轴系回旋振动特性研究试验方案，通过分析得到的试验数据，探讨了轴承处外载作用下船舶轴系回旋振动特性。

论文主要研究了加载方向和位置、激励幅值、加载频率和转速对船舶轴系回旋振动的影响。研究结果表明：

（1）振动幅值的波峰位置出现在与加载频率相同的振动频率附近。改变加载频率的大小对回旋振动幅值的最大峰值的大小几乎没有影响，只影响最大峰值的位置。

（2）改变船体变形激励的大小对振动幅值的最大峰值的位置没有影响，只影响最大峰值的大小，随着加载位移的增大，振动幅值的峰值也增大。

（3）转速对回旋振动的影响极小，几乎可以忽略不计。

（4）横向与垂向均属于回旋振动，两者之间存在耦合作用。

（5）在本实验装置中，加载在中部轴承对最大峰值大小的影响要大于加载在尾部轴承对最大峰值大小的影响；横向加载对最大峰值大小的影响要大于垂向加载对最大峰值大小的影响。

试验结果表明，在实际船舶设计中，需充分考虑轴承处船体变形对轴系回旋振动的影响，避免共振。

关键词：船舶轴系，回旋振动，实验分析

Abstract

This paper describes the reasons and damage caused by shafting vibration of ships, expounds the significance of studying the vibration of ship shafting, and introduces the research status of ship shafting vibration at home and abroad. Based on the dynamic characteristic test rig of ship shafting in Wuhan University of Technology, this paper designs a test scheme for the study of the rotary vibration characteristics of the ship shafting. Through the analysis of the experimental data, the characteristics of the shafting under the bearing external load are discussed.

This paper mainly studies the influence of loading direction and position, excitation amplitude, loading frequency and speed on the ship's shafting whirling vibration. The results of the study show that:

(1)The peak position of vibration amplitude appears near the vibration frequency with the same loading frequency. Changing the loading frequency has little effect on the maximum peak value of the amplitude of the cyclotron vibration, and only affects the location of the maximum peak.

(2)The size of the vibration amplitude has no effect on the maximum peak value of the vibration amplitude. Only the maximum peak value is affected. The peak value of the vibration amplitude increases with the increase of the loading displacement.

(3)The influence of rotation speed on cyclotron vibration could be negligible.

(4)Both lateral and vertical vibrations belong to cyclotron vibrations, and there is a coupling effect between them.

(5) In the experimental device, the effect of the bearing on the maximum peak value of the central bearing is greater than that of the tail bearing on the maximum peak value. The effect of the transverse loading on the maximum peak value is greater than the effect of the vertical loading on the maximum peak value.

The test results show that in the actual ship design, the influence of the hull deformation on the shaft's whirling vibration needs to be fully considered to avoid resonance.

Key words: ship shafting, cyclotron vibration, experimental analysis

目 录

第一章 绪论 1

1.1船舶轴系振动的研究背景与意义 1

1.2船舶轴系回旋振动的国内外研究现状 2

1.3研究目标 3

1.4研究内容 3

1.5本章小结 3

第二章 实验原理 4

2.1船舶轴系回旋振动测试方法 4

2.2测试信号分析方法 4

2.2.1时域分析法 5

2.2.2频域分析法 5

2.3加载方式 6

2.4本章小结 6

第三章 实验台介绍和实验方案 7

3.1 实验台介绍 7

3.1.1 硬件组成 7

3.1.2液压加载系统介绍 8

3.1.3测试系统的组成与布置 11

3.2实验方案 12

3.3本章小结 12

第四章 实验结果分析 14

4.1轴承处动态激励大小对船舶轴系回旋振动的影响 14

4.2加载频率对船舶轴系回旋振动的影响 14

4.3加载位置和方向对船舶轴系回旋振动的影响 16

4.5本章小结 20

第五章 结论与展望 22

5.1结论 22

5.2研究展望 22

参考文献 23

致谢 24

第一章 绪论

1.1船舶轴系振动的研究背景与意义

船舶在海上航行，容易受到不同形式的冲击，比如海浪、本身携带的货物等作用，这样就会产生不同程度的振动，如果振动系统的激励频率与固有频率相同，就会产生共振^[1]，危害船体。特别是对大功率推进装置而言，即使不处于共振状态，由于外界给予的激励的增大，也有可能会导致剧烈的振动，情况严重甚至会影响到船舶的运行。动力装置作为提供船舶动力的核心，具有非常重要的地位。而船舶推进轴系作为连接主机与螺旋桨的主要部件，其作用是将主机所产生的扭矩传递给螺旋桨，同时将因螺旋桨旋转所产生的轴向推力传递给船体，推动船舶前进，是船舶动力装置系统中不可或缺的重要部件^[2]。船舶推进轴系的振动将会引起传动设备的振动，并且振动会通过轴承传递至船体，使船体以及上层建筑产生振动，直接影响了船舶运行的稳定性与安全性。随着船舶向大型化的方向发展，其在运行过程中受到激励的影响越发明显，在外界激励的作用下会引起推进轴系的强迫振动，甚至产生共振现象。比如由于主机不均匀的传递力矩、不对中的安装以及不均匀的材料等原因，将使轴系产生以横向和扭转为主的振动；船舶轴系在柴油机以及螺旋桨的激励作用下三种振动形式都可能发生，包括两向以及三向耦合振动；海上的波浪载荷使船体变形振动，改变了轴系支撑轴承的相对刚度和位置。同时，轴系的振动通过轴承、轴承座传递至船体结构，引发船体振动，导致船体变形以及结构的疲劳损坏，或者机器设备的不良运转。

船舶推进轴系振动形式包括扭转振动、纵向振动、回旋振动以及这些振动形式的耦合形式^[3]。

导致船舶推进轴系发生扭转振动的主要原因有柴油机的间歇性喷油与燃烧、输出扭矩的不均匀性及螺旋桨在不均匀流场中旋转产生的对轴系的不均匀的激励，扭转振动过于严重将导致曲轴、中间轴等断裂^[4]。

导致船舶推进轴系发生纵向振动的主要原因有船尾不均匀伴流场工作的螺旋桨作用的较大的交变纵向激振力（推力）以及联合动力装置速比较大的齿轮箱中齿轮啮合导致的轴向激励等，船舶推进轴系的纵向振动会加大推力轴承的附加交变负荷，甚至会产生曲轴的弯曲疲劳破坏^[5]。

船舶推进轴系的回旋振动（横向振动）其实就是转轴的进动，即转轴一方面以某一角速度围绕其自身的几何中心线(机动挠度曲线)旋转，另一方面弯曲的几何中心线又以某一角速度绕支承中心线旋转。推进轴系回旋振动的激振力主要来自旋转质量不平衡离心力、作用在螺旋桨上的流体激振力等。严重的回旋振动将产生螺旋桨轴锥形大端疲劳破坏、尾管早期磨损及船尾结构局部振动等^[6]。

船舶推进轴系的对中会由于船体变形的作用而失效，从而出现轴系剧烈振动以及主机曲轴的断裂等事故。部分船舶试航不久就出现了后尾轴承的烧熔的现象，这是船体变形使轴系对中失效所引起的；同时轴系连接法兰螺栓也会由于船体变形而加速断裂，进而导致船舶操纵的失控以及推进系统的失效；有的船舶在航行不久就有后尾轴承损坏的现象。

随着船舶逐渐出现向大型化发展的趋势，船体主参数明显增大，船舶轴系的输出功率、传递推力、结构尺度等参数不断增大。由于船体在不同工况下与波浪相互作用会导致剧烈的动态变形激励，变形激励通过船体-轴承-轴系传递作用在推进轴系上，引起轴系振动加剧，当船舶推进系统的振动超过允许的幅值上限时，极易导致推进系统发生故障，威胁船舶运行的安全。由于船体的板壳结构与轴承基座相比，相对更柔软一些，轴系振动激励也会通过轴系-轴承-船体传递作用在船体上^[7]。激励极易导致船体尾部发生强烈振动，减短船舶疲劳寿命^[8]。

目前有资料显示，军用船舶已经加大对船舶推进轴系强迫振动问题的重视。因此，为了有效控制振动、保障船舶运行的稳定性、安全性，有必要对推进轴系的振动特性进行研究，特别是在考虑船体变形的前提下，研究推进轴系的强迫振动。

1.2船舶轴系回旋振动的国内外研究现状

随着船舶向大型化方向开始发展，一些大型、超大型油轮和散装船开始出现，使得船体特别是船尾的刚度有所下降。为了获得更高的推进效率，倾向于采用多推进轴系，这样除了位于船体横截面中心线上的轴系以外，其余的轴系势必要有较长的部分远离船体伸入水中，船体外的这部分轴段由舷外托架支承，它们的刚度一般要比由船体内支承的轴段的刚度低。此外，由于结构上的原因，这类轴系最后相邻轴承间的距离较长，这些都将导致轴系回旋振动固有频率降低。同时，这类船舶的螺旋桨有五或六个桨叶，其转速也较高，这就使作用在螺旋桨上流体力的频率(叶频)有可能接近于下降后的回旋振动频率，使轴系产生共振的可能性增大^[9]。在大功率船舶中，即使没有出现共振，由于螺旋桨的激振力增加，也有可能使回旋振动响应大到必须正视的程度。因此，推进轴系的回旋振动受到广泛关注^[10]。目前部分船级社已经对轴系回旋振动校核问题提出了相关要求。

针对回旋振动的研究方法很多。一般来说，船舶轴系回旋振动(横向振动)的计算方法主要是传递矩阵法和有限元法。J.R.Banerje等人^[11]通过传递矩阵法分析了弯扭耦合梁的横向自由振动。沈永凤等人^[12]通过利用有限元软件ANSYS分别建立正常轴系和挠曲轴系横向振动的计算模型，来对轴系的固有频率变化进行分析。Donglin Zou等人进行了船舶推进轴系在主共振和内共振作用下的纵向-横向耦合动力学研究^[13]，并分析了具有几何非线性的船舶推进轴系的强迫振动^[14]。杨勇等人^[15]基于波谱法对VLCC船舶进行了轴系耦合振动研究。张晓东等在回旋振动计算中应用了有限元计算方法，分析了不同支承方式对轴系回振固有频率的影响。陈锡恩以十余艘船舶轴系回旋振动的实测数据为基础，调整轴系固有频率计算参数，并经过实验验证参数，对近似公式法进行调整^[16]。张晓东等在回旋振动计算中应用了有限元计算方法，分析了不同支承方式对轴系回振固有频率的影响^[17]。^.Z. P. Mourelatos 在研究船舶轴系校中时综合考虑了轴承座、轴承油膜及船体变形的影响^[18]。

1.3研究目标

由于船舶的大型化，推进系统与船体两者的相互耦合、相互影响问题日益突出。水环境中大型船舶的船体变形及其船舶推进系统间的相互影响已成为了船舶与海洋工程的重要研究领域，引起了船舶界和各国船级社的高度重视。其中，船体变形对推进系统，特别是轴系的影响最为剧烈。本文旨在通过在船舶轴系动态特性实验台上进行船舶轴系回旋振动实验来探究加载方式、加载位移、加载频率和转速对船舶轴系回旋振动的影响。

1.4研究内容

1. 了解船舶推进轴系振动方面的国内外研究现状。
2. 学习回旋振动测量的基本方法和测试信号的分析方法。学会布置实验器材，使用实验设备以及学会对得到的实验数据进行分析。
3. 以船舶轴系动态特性实验台为对象，设计实验方案，完成船舶轴系回旋振动实验。先设计不同工况，主要是加载方式、加载位移、加载频率和转速，通过控制变量法，改变单一变量，观察不同变量对回旋振动的影响。
4. 整理并分析实验数据，通过对比分析不同工况下的振动图像，探究各个因素对船舶轴系回旋振动的影响。

1.5本章小结

本章先介绍了船舶轴系振动的研究背景，详细介绍了回旋振动、纵向振动和扭转振动的危害，由此，说明了对船舶轴系振动进行研究的意义，然后对船舶轴系回旋振动的研究现状进行了简单介绍，最后介绍了本文的主要研究目标和研究内容。

第二章 实验原理

2.1船舶轴系回旋振动测试方法

轴系的回旋振动是在轴系的横向产生位移的波动。轴系回旋振动的测量是指对轴系的水平方向位移量的测量。轴系回旋振动的信号一般是周期信号，常用磁电、电涡流传感器或者压电式加速度传感器通过测量包括位移和加速度在内的在轴系旋转时产生的信号，信号的分析处理后即可得到进轴系相应的振动信号。

磁电传感器以及电涡流传感器的原理是轴系与传感器之间的距离不是固定的，而是随着轴系旋转发生变化，同时间距的变化会改变传感器磁场信号，从而使得传感器的电压发生改变，且此种变化与轴系和传感器之间距离的变化有线性关系。假设在轴系线性工作段中点安装传感器，则轴系转动时传感器与轴系之间的距离为：

（2-1）

则对应的前置放大器输出为：

（2-2）

假设所选的A/D分辨率为，传感器的灵敏度为，若第i个采样量化值为，则对应的轴系与传感器之间的距离可以由此算出：

（2-3）

宽频率范围、较好的线性度、零频响以及高灵敏度等都是电涡流传感器的优势所在。在判断轴系运转过程中轴系的离心位置是否合理，也可以使用电涡流传感器来测量轴系的轴心轨迹。

压电式加速度传感器的工作原理是，在工作时以电荷量代替相应振动的加速度信号，由电荷放大器将电荷量放大并且转换成电压信号，振动加速度的测量就可以通过处理电压信号实现，位移以及速度信号可以通过积分电路处理加速度信号求出。自振频率高、磁性强这些事压电式加速度传感器的优点，它能够在不改变被测对象的自振频率的前提下，吸附在被测对象表面，实现与被测对象同时振动。

本实验采用的是电涡流传感器。

2.2测试信号分析方法

通过对系统进行振动测试得到的测试信号比较复杂，通常是由很多信号组合而成，这样给系统分析造成了困难，因此对测试信号进行分析处理就显得十分必要了。分析振动信号就是对原始振动信号进一步加工处理，提取出有用的信息，从而对设备状态可以进行有效的判定。振动信号的处理方法包括时域、频域、幅域（即对信号进行幅值分析）等。

2.2.1时域分析法

时域分析是指控制系统在一定的输入下，根据输出量的时域表达式，分析系统的稳定性、瞬态和稳态性能。由于时域分析是直接在时间域中对系统进行分析的方法，所以时域分析具有直观和准确的优点。系统输出量的时域表示可由微分方程得到，也可由传递函数得到。

时域分析在初值为零时，一般都使用传递函数进行研究，用传递函数间接的评价系统的性能指标。具体是根据闭环系统传递函数的极点和零点来分析系统的性能。此时也称为复频域分析。以时间为自变量描述物理量的变化是信号最基本、最直观的表达形式。在时域内对信号进行滤波、放大、统计特征计算、相关性分析等处理，统称为信号的时域分析。通过时域的分析方法可以有效提高信噪比，求取信号波形在不同时刻的相似性和关联性，获得反映机械设备运行状态的特征参数，为进行动态分析和故障诊断提供有效信息。

2.2.2频域分析法

对于轴系振动的测试信号来说，其振动频率的成分含量较多，时域波形较为复杂，很难通过时域分析的方法来直接揭示轴系的振动特性，因此需要对振动测试的信号进行频域分析。

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