1.1 研究的目的及意义

近年来，我国的船舶工业快速发展，船舶制造工艺和造船吨位都在不断增长。随着时代的发展、科技的进步，造船业和航运业也面临新的挑战，对于船舶在工艺、技术和质量等方面的要求越来越高。而船舶推进轴系作为船舶重要的动力装置，是船舶可靠运行的重要保障。因而对船舶推进轴系的特性进行分析和研究，是保障动力装置安全可靠运行的理论基础，同时，深入地分析研究船舶推进轴系的特性对船舶动力装置的故障诊断和维护保养等都有指导性的作用。

船舶推进轴系作为船舶动力装置系统中必不可少的重要组成部分，轴系的任务就是将船舶主机的功率传递给螺旋桨，而螺旋桨的旋转所产生的轴向推力传给船体以推动船舶运动。而在船舶航行期间，船舶推进轴系受到各种各样的因素和海况的影响，承受着各种复杂载荷的作用，不可避免的产生振动，也同时改变着轴系的动力特性和扭振特性。

船舶推进轴系振动形式有扭转振动、纵向振动、回旋振动以及这些振动形式的藕合形式。轴系的振动也会影响轴系中的各种受力部件，轴系中每个轴承的受力也将发生不可预测的变化。这可能导致主机的曲轴，中间轴和传动轴发生断裂；尾轴管早期磨损，主发动机凸轮轴和传动齿轮损坏等。另外，也有可能会引起柴油机的故障以及柴油机机架的振动，更严重的会通过机架、双层底导致整个船体结构的垂向振动，而以上种种都会对船体结构强度和船舶在航行过程中的安全问题产生影响，因此对船舶推进轴系进行分析和研究具有重要的意义。

1.2 国内外研究现状

在船舶推进轴系的研究初期，人们普遍认为轴系的转速恒定，但是随着船舶大型化的发展，船舶推进装置的功率不断提高，以及各种海况的作用下，出现了多次断轴事故，使得科学家将目光再次聚焦到推进轴系的研究上。19世纪末，人们开始将轴系作为弹性体来进行研究，1921年霍尔茨设计出了Holzer表，这是一次里程碑式的突破。在相当长的时间内Holzer表算法都是计算固有频率和振型的主要方法，这种方法至今仍是人们所认同的计算轴系低阶振型的首选方法。到二十世纪中期，扭转振动的研究逐渐成熟，开始衍生出众多的计算方法和研究手段^[1][2]，例如将holzer法推广后得到的传递矩阵法，以其简单且适用于计算机编程的特性，成为了计算轴系扭振固有频率的常用方法^[3]。随后产生的能对模型进行更为真实的模拟的有限单元法以其高精度的计算结果，也成为人们所推崇的一种计算方法^[4]。

发展到今天，综合国内外学者的研究和分析，我们可以看到，对于船舶推进轴系的研究已经有了较为丰硕的研究成果。王飞以有限元法和多体动力学为基础理论，用ANSYS和ADAMS作为其分析工具，对船舶推进轴系在不同工况下的动力学特性和扭振特性进行了分析和研究^[5]。汪骥,王飞翔,李瑞等采用基于二次规划的优化方法来计算轴承位移调整量，并用基于轴承负荷影响数的算法对轴承调整后的负荷进行预测。分析并研究了对给定期望轴承负荷求解轴承位移调整量的计算方法和给定轴承位移调整量求解调整后轴承负荷值的预报方法^[6]。林辉在综合了传感器技术、动力机械测试技术等理论知识的基础上，设计和开发出一套船舶推进轴系扭振与轴功率测量系统，并已投入实际的应用中，进行船舶相关参数的测量^[7]。李儒凡在考虑各种异常振动或者因轴承润滑不良产生的局部磨损的情况下，基于Reynolds边界条件建立了航轴承润滑数学模型，分析了其静特性润滑性能参数，并对各种工况下，舰轴润滑性能的影响分析进行了总结^[8]。

在水环境中，船体变形是影响轴承偏移的最重要的干扰因素，大型船舶的船体变形对推进轴系的影响已成为研究热点，引起相关的专家学者的高度重视。我们知道大型油轮和散货船对船体变形特别敏感，主要是因为这些船舶的轴系短而刚性强，并且大部分都于柴油机直接连接。不考虑船体变形的话，可能会使得轴承无法对齐，从而对轴承的使用寿命产生严重影响^[9]。Lei Shi等在对船体变形进行仿真分析的基础上，提出了考虑船体变形的轴系校正方法。分析研究了造成船体变形的三个主要因素，构造整个船体的有限元模型。以平静水域中的轻型船舶为参照，获得相对的轴承偏移量，以研究船体变形对轴系对中的影响并优化轴系对中结果^[10]。田哲等探索了船体变形激励不确定方向下以及变尺寸参数下轴系振动的影响规律，为大型船舶船体变形激励下的轴系振动问题提供了理论基础^[11]。

针对船舶推进轴系产生的振动，也有大量的学者采用各种方法分析并试图规避和控制振动的产生，对此国内外均有相应的研究和发现。Hongzhi W等基于船舶轴系对中理论，以ANSYS作为分析工具，通过非接触式测量方法与船舶航向优化对准的理论计算相结合，计算并验证了试验台的航向对准条件，实现了船舶轴系校准状态监测^[12]。Roemen和Grevink用有限元建立了一个包含轴承的轴系模型来分析一种规避轴系共振的方法^[13]。Tsyss,V.G等基于现代封装使用的有限元建模完成船舶轴系柔性联轴器设计分析，以扭转振动影响^[14]。何伟运用MATLAB软件，开发了三种轴系振动的计算系统，用来求固有频率和振型，以及强迫振动时的响应。以实际轴系为例进行计算，用Ansys验证结果，表明程序是完全正确的^[15]。