2020, Vol. 42
2. 船舶振动噪声重点实验室，湖北 武汉 430033
2. National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise, Wuhan 430033, China
现代船舶减振降噪面临的主要问题之一就是如何有效降低机械噪声[1]，而轴系产生的振动噪声在机械噪声中越来越突出，采用弹性支承是降低振动的有效方式，因此轴系如何进行弹性支承以及弹性支撑会对轴系有何影响值得关注。动力设备普遍采用隔振器弹性支承，可以有效降低振动传递，但是推进轴系通过轴承传递的振动尚无法有效控制。Goodwin[2]提出了用于在特定频段内降低轴系纵向振动的共振转换器（Resonance Changer，RC）装置。Anderson[3]设计了一种改进的RC装置，采用多个液压缸传递螺旋桨推力，油缸与大容积蓄能器连接，利用液体的微小可压缩性隔离轴系纵向振动，还具有对轴系不对中的补偿能力。安装RC装置的推力轴承可承受很大的螺旋桨推力，但受蓄能器容积的限制，桨-轴系统固有频率仍偏高，且减振作用频带较窄，但难以同时满足承受较大推力和低固有频率的双重要求，因此低频减振效果有限[3]。Swinbanks 等[4]和Johnson 等[5]指出，已有船舶采用了大型柔性减振系统，但目前尚未见将大型柔性减振系统应用于桨-轴系统的研究。近年来，有文献提出了推力轴承整体隔振技术[3]，该技术方案实为对部分推进轴系采用弹性支撑，该方案在推力轴承处改变了振动传递路径，使螺旋桨推力分散作用到隔振系统上，承受较大推力的同时有效降低了轴系的低频纵向振动，但对推进轴系整体进行弹性支承还有待研究。轴系整体隔振系统根据前面研究思路将所有轴承安装在弹性支撑[4]结构上，对轴系整体进行弹性支承，与传统轴系结构相比，在改变振动传递路径的同时也会由于轴系支承在浮动平台上带来轴系安全性问题。本文通过建立轴系整体隔振系统的有限元模型，通过计算分析平台结构刚性和隔振器刚度对轴系的影响，以评估整体隔振系统下的轴系运行安全，为实际工程提供参考。
1 分析模型轴系整体隔振原理如图1所示。将整个轴系、推进主机和辅机设备等集成安装在大型公共平台上，螺旋桨推力通过推力轴承传递至公共平台，进而通过公共平台底部安装的隔振器传递至船体。
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图 1 整体隔振原理图 Fig. 1 The schematic diagram of overall vibration isolation system |
为验证上述方案的可行性和效能，设计了某船舶的实尺度试验台架，平台最大尺寸约为11.0 m×4.0 m，在其上面集成安装着海水泵、舱底泵、空压机等辅机设备，平台通过底部两侧各布置的11个隔振器与基座相连。隔振器刚度为：横向9.0E6 N/m，垂向4.5E6 N/m，纵向9.0E6 N/m。采用Abaqus有限元软件，建立推进轴系整体弹性支撑方案的有限元模型，如图2所示。
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图 2 有限元模型图 Fig. 2 The finite element model |
螺旋桨推力经纵向刚度为2.0E8 N/m，径向刚度为2.5E9 N/m的推力轴承传递至平台，使安装在平台底部的隔振器产生变形，隔振器变形产生的弹性力作用于基座形成推力。
用梁单元将实际轴系简化成搁置于多个铰支承的连续梁，将尾轴、中间轴、推力轴的自重作均布载荷处理，螺旋桨和主机等重要辅助设备的自重作集中载荷处理。螺旋桨与轴系、主机转子与轴系、轴系和轴承、轴承与轴承座、轴承座与公共平台均采用六自由度耦合约束连接。公共平台采用板梁桁架结构，用弹簧阻尼单元模拟隔振器。
2 评价轴系运行安全的方法在螺旋桨推力作用下，弹性支撑平台会发生位移。此位移由“刚体位移”和“弹性变形”叠加而成，如图3所示。刚体位移是由隔振器变形导致的平台整体移动，不改变轴系本身的校中状态，对轴系安全没有影响；弹性变形则是平台本身产生的弯曲变形，会使轴承基座之间产生相对位移，从而影响轴系负荷，通过相对位移的大小判断轴系负荷的大小。
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图 3 平台刚体位移和弹性变形示意图 Fig. 3 Rigid displacement and elastic deformation of elastic supporting plotform |
由于在弹性支撑平台上轴承位移是叠加的，无法完全分离出刚体位移和弹性变形，考虑到工程上轴的刚度一般远大于平台刚度，所以提出一种适用于本系统的轴系安全评价方法。平台弹性变形时会引起前、中、尾3轴承不在同一条直线，由于轴系刚度远大于平台刚度，因此可以合理地假设此时轴落在两轴承之间，并以第3轴承偏离轴线的距离Δ1，Δ2，Δ3，评价平台的弹性变形。如图4所示。
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图 4 评价弹性变形示意图 Fig. 4 The evaluate of elastic deformation |
Δ1，Δ2，Δ3，这3个距离的大小就直接反映了平台的弹性变形对轴系的影响，距离越大，轴承承受的载荷越大。
3 平台刚度对轴系的影响 3.1 重力作用下平台刚度对轴系的影响弹性支撑平台上安装着主机、轴系和辅机等设备，在众多设备以及平台自身的重力载荷作用下弹性支撑平台会产生弹性变形。平台的刚性决定了平台的弹性变形量，而弹性变形量直接关系到安装在其上面轴系的运行安全。
由图3可以看出平台的1阶弯曲模态对轴系影响最大，而平台的振动固有频率可以用来表征其刚性的大小。因此通过依次增大平台刚度，分别得到平台一阶弯曲频率为10.1 Hz，12.4 Hz，14.3 Hz，16.4 Hz，18.2 Hz，20.2 Hz的平台方案，分别计算轴承基座间相对位移，如表1所示。
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表 1 轴承基座间相对位移（mm） Tab.1 The vertical deformation of bearing block |
由表1可以看出，平台频率为10.1 Hz时，最大相对位移为1.216 mm，这在工程上完全可以采取加减垫片的方法来实现轴系的对中。随着平台频率增大，相对位移减小，所以当平台1阶弯曲模态频率大于10.1 Hz时，通过上述方法都可以消除重力带来的影响。
选取较大的平台刚度，可以防止因轴承基座高度调整不足而引发的轴系运行环境恶化，更有利于轴系运行安全。
3.2 推力作用下平台刚度对轴系的影响模拟实船航行工况，分别设定推力为200 kN，500 kN，700 kN，选取1阶弯曲模态频率为14.3 Hz（1），16.4 Hz（2），18.2 Hz（3）的3个平台方案，计算出前、中、尾3个轴承基座之间的相对位移Δ1，Δ2，Δ3，如表2所示。
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表 2 推力引起的轴承基座间相对位移（mm） Tab.2 The relative displacement of bearing block by thrust |
由表2可以看出，当推力相同时，Δ1，Δ2，Δ3随弹性平台刚度的增大而减小；当弹性平台刚度相同时，Δ1，Δ2，Δ3随推力的增大而增大。推力为200 kN时，3种平台方案中轴承基座间的最大相对位移都小于0.3 mm，符合轴颈与轴承装配间隙标准[5]。当推力大于500 kN时，只有方案3满足要求。
4 隔振器刚度对轴系的影响平台下部的隔振器起着支撑平台和传递螺旋桨推力的作用，隔振器刚度的变化会影响平台的姿态变化，可能会影响轴系安全。用k代表初始垂向刚度。分别计算了在不同垂向刚度下3个轴承的支反力。
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表 3 重力作用下轴承支反力 Tab.3 The bearing reaction force by gravity |
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表 4 推力作用下轴承支反力 Tab.4 The bearing reaction force by thrust |
结果表明，当垂向刚度改变时，轴承的的支反力基本不变，说明隔振器垂向刚度变化仅引起平台发生刚体位移，不影响平台弹性变形。
5 结 语本文以某船舶实尺度试验平台为对象，设计了弹性支撑推进轴系方案，并进行建模分析，提出了评价其轴系运行安全的方法。从弹性支撑平台刚度和隔振器刚度2个因素分析了对轴系的影响，得出以下结论：
1）弹性支撑平台的变形影响着轴系变形，弹性平台1阶弯曲模态频率在10.1 Hz以上时均可以采取加减垫片的方法来消除重力作用下平台变形带给轴系的影响，在一定程度上增大弹性平台刚度，可以减小轴承基座间的相对位移，有利于轴系运行安全。
2）弹性平台1阶弯曲模态频率在18.2 Hz及以上时，各工况下轴承基座间相对位移均满足安装标准，但设计弹性平台时也要考虑避开叶频及其倍叶频，防止发生弹性平台与轴系的耦合共振。
3）在重力和推力作用下隔振器垂向刚度变化对轴承的支反力没有影响，仅引起平台发生刚体位移，不影响平台弹性变形。
本文的分析表明推进轴系整体弹性支承方案具备初步可行性，后续将进一步开展轴系动态特性校核，并开展相关试验验证研究。
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