船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究
船舶轴系扭振产生的原因及对策
• 90 •内燃机与配件船舶轴系扭振产生的原因及对策杨帆(台州理工船舶工程设计有限公司，台州318000)摘要：船舶轴系作为船舶推进系统中重要的构成部分，而轴系产生的扭振则是导致船舶推进系统出现各类事故的重要原因之 一。
本文笔者在分析船舶轴系扭振产生的原因的基础上，就如何削减船舶轴系扭振提出了几点措施，希望为提高船舶运行的安全性尽 微薄之力。
关键词：船舶轴系扭振;原因；削减措施0引言在船舶运行过程中，柴油机轴系扭振已经成为威胁船 舶安全运行的动力装置之一，因此要想提高船舶动力装置 的安全性，首先要找到船舶轴系扭振产生的原因，然后采 取有效措施，从而为装置的安全运行提供保障。
1船舶轴系扭振分类及原因扭振主要指的是所有拥有惯性和弹性的物体，因为受 到外力作用而出现振动的现象。
对船舶来说，同样存在着 轴系扭振的现象，船舶柴油机轴系振动形式主要包含横向 振动、纵向振动、扭转振动三种。
而上述三种振动中，扭转 振动产生的危害最大，扭转振动简称为扭振，船舶轴系扭 振的产生在很大程度上跟其主机有关，当船舶的柴油机发 生间歇性燃烧与喷油、输出的扭矩不均匀时便会产生扭 振；齿轮箱的咬合冲击和误差激励会导致齿轮系统发生误 差，出现扭振。
船舶在不断推进过程中会因为轴系上的部 件安装不正确，存在对中偏差或者材料不均匀等均会引起 船舶轴系在行使过程中出现质量不均匀的情况。
除此之 外，在工作状态下，螺旋桨还会受到环境因素的影响，从而 产生不均匀流畅不均匀激励轴系。
在柴油轴系出现扭振 时，通常情况下不会给船舶带来振动的不适感，这也是轴 系扭振容易被忽视的主要原因，若该扭振无法得到重视， 稍有不慎便可以引发重大安全事故。
另外，当发动机处于 主临界速度运转时，自由端的传动齿轮箱常常会产生出较 大的噪声，此时检查齿轮便可以发现有剥落或者腐蚀等情 况，严重时还可能出现断齿事故[1]。
2削减船舶轴系扭振的措施2.1减小激振力矩由于轴系扭振的动力根源为激振 力矩，而若想降低激振力矩，只需要直接减少扭转的幅度 即可，归纳起来，可以采取以下方法：① 将柴油机更换成推进电机。
船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究
船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究【摘要】本文通过一些国内因轴系扭转振动而引起的断轴断桨的事故实例，来分析引起轴系扭转振动的主要原因，分析扭振主要特性，并提取一些减振和防振的基本控制措施。
【关键词】船舶柴油机轴系扭振危害分析措施在现代船舶机械工程中，船舶柴油机轴系扭转振动已经成为一个很普遍的问题，它是引起船舶动力装置故障的一个很常见的原因，国内外因轴系扭转而引起的断轴断桨的事故也屡见不鲜，随着科学水平的提高和航运业的发展，人们越来越重视船舶柴油机组的轴系扭转振动，我国《长江水系钢质船舶建造规范》和《钢质海船入级与建造规范》（简称《钢规》）和也均规定了在设计和制造船舶过程中，必须要向船级社呈报柴油机组的轴系扭转振动测量和计算报告，以此来表明轴系扭转振动的有关测量特性指标均在“规范”的允许范围内。
1 船舶柴油机轴系扭转振动现象简介凡具有弹性与惯性的物体，在外力作用下都能产生振动现象。
它在机械，建筑，电工，土木等工程中非常普遍的存在着。
振动是一种周期性的运动，在许多场合下以谐振的形式出现的，船舶振动按其特点和形式可分为三种，船体振动，机械设备及仪器仪表振动，和轴系振动。
船舶柴油机轴系振动按其形式可分为三种：扭转振动，纵向振动，横向振动。
柴油机扭转振动主要是由气缸内燃气压力周期性变化引起的，它的主要表现是轴系上各质点围绕轴系的旋转方向来回不停的扭摆，各轴段产生不相同的扭角。
纵向振动主要是由螺旋桨周期性的推力所引起的。
横向振动主要是由转抽的不平衡，如螺旋桨的悬重以及伴流不均匀产生的推力不均匀等的力的合成。
船舶由于振动引起的危害不但可以产生噪音，严重影响旅客和船员休息，还会造成仪器和仪表的损害，严重的时候甚至出现船体裂缝断轴断桨等海损事故，直接影响船舶的航行安全。
而在船舶柴油机轴系的三种振动中，产生危害最大的便是扭转振动，因扭转振动而引起的海损事故也最多，因此对扭转振动的研究也最多。
而且当柴油机轴系出现扭转振动时，一般情况下，船上不一定有振动的不适感，因此这种振动也是最容易被忽视的一种振动形式，一旦出现扭转振动被忽视，往往意味着会发生重大的事故。
船舶轴系扭振计算与测量分析简介
船舶轴系扭振计算与测量分析简介高莹莹(青岛齐耀瓦锡兰菱重麟山船用柴油机有限公司技术部)摘要：随着现代船舶计算的发展,船舶轴系扭转振动成为船舶动力装置安全运行的重要因素之一,各船级社规范也对船舶轴系扭振提出了计算和实测的要求，本文结合实例对船轴系用霍尔茨法进行自由振动计算和采用能量法进行共振计算进行了简单介绍,结合实船的扭振测量的结果和理论计算结果进行对比分析.结果表明,采用精确的原始轴系数据和柴油机参数,使得扭振计算的理论结果和实测结果非常吻合,本船的理论计算值符合实船状况,转速禁区设定正确.关键词:当量系统霍尔茨法能量法测量修正随着船舶工业的发展,造船数量和吨位不断增大,造船行业对造船技术的工艺和质量要求越来越高。
高质量、高效率的生产设计离不开现代化的技术支持。
然而船舶柴油机轴系的扭转振动是影响船舶动力装置安全运行的重要动力特性之一。
轴系振动计算不但对深入研究船舶推进轴系的可靠性、安全性、用于动力装置故障诊断等具有重要意义，而且是船舶推进轴系设计、制造、安装和检验比不可少的环节之一，为推进装置可靠安全运行提供了有力保障。
基于此，本文结合一30万吨VLCC船舶的轴系实例对船舶柴油机扭振计算和测量分析做了简要的概述。
1，当量系统的转化根据有关轴系振动理论，船舶柴油机及推进轴系实际就是一个多质量有阻尼强迫振动系统。
实际计算分析中，可以将其转化成为若干用无惯量的轴连接起来的集中质量系统，称之为当量扭振系统。
为了使转化后的当量扭振系统能代表实际的轴系的扭振特性，一般要求：当量扭振系统的固有频率应与实际系统的固有频率基本相等；其振型与实际的振型相似。
如下图Fig.1为一30万吨VLCC油轮轴系的当量扭振系统模型。
该船安装的是瓦锡兰7RT-flex82T电喷柴油机，主机的额定功率31640Kw，额定转速80rpm。
中间轴长9927mm，直径700mm，抗拉强度为590N/mm2;螺旋桨轴长10233mm，艉轴承处直径850mm，抗拉强度为590N/mm2。
船舶轴系扭转振动有限元分析及求解
有限元法的基本思想是“化整为零 ”,即化复杂的不规则的整体为有限个单元的集合 体 ,以一定程度的近似为代价求出扭振系统的数值解 。具体地说 ,借助于有限元法 ,可以把 一个复杂的连续体看成是若干个基本离散单元的集合体 ,对扭振而言 ,有限元法使连续的扭 振问题变成一个有限自由度系统的振动问题 ,从而使得问题可以借助于线性方程组求解 。
一 引 言
船舶柴油机动力装置轴系的扭转振动是影响该动力装置安全运行的重要动力性能之 一 ,也是当前柴油机推进装置的重要故障原因之一 ,世界多数国家的船舶检验机构规定 ,超 过 150马力的内燃机动力装置必须进行扭转振动计算和测量 ,中国船舶标准化技术委员会 专业标准也有类似的规定 。目前 ,扭转振动计算方法有多种 ,计算的内容是进行系统的自由 振动和强迫振动计算 。自由振动计算的方法很多 ,如 Holzer法 、Tolle法 、Tepckux法等 ,以往 以 Holzer表格法应用较多 ;强迫振动计算多采用能量法 、放大系数法 。本文主要在 matlab7. 0环境下采用直接求解法求解自由振动 ,采用振型叠加法求解强迫振动 。matlab是近年来 开始流行的实用性工程数学计算软件 ,它以矩阵为计算基本单元 ,本文利用其强大的矩阵计 算功能进行轴系扭转振动计算 。
k1
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- k1 k1 + k2 - k2 …
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… - kn - 2 kn - 2 + kn - 1 - kn - 1
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- kn - 1
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对单支系统 ,矩阵带宽为 3;
毕业论文-船舶轴系扭转振动的研究
毕业论文-船舶轴系扭转振动的研究
摘要
轴系在工作过程中，承受着不断变化的扭矩、推力及弯曲力矩作用，因而船舶轴系在运动过程中可能产生以下三种形式的振动：扭转振动，回旋振动和纵向振动。
本文主要针对扭转振动的计算进行软件系统的开发。
船舶轴系在发动机、螺旋桨等周期性扭矩激励下所产生的周向交变运动及其相应变形即为船舶轴系的扭转振动。
在世界各国的船舶规范中，
都列有共同的条款，凡是船用柴油机（主机或辅机）和气轮机动力装置，均必须通过扭转振动的计算，测试的检验，合格之后方可投入运营。
这是因为船舶轴系的扭转振动常常
是造成严重事故的主要原因之一，而且扭转振动还常常会诱发船体、动力装置的强烈振动和噪声，传动轴系的断裂，发动机零件磨损的加剧等等问题。
随着柴油机功率、转速的不断提高，与其配套的动力装置样式也越来越多，出现严重的扭转振动现象也就逐步增加了，同时，对船舶轴系扭转振动的研究也得到了进一步的发展。
本文分析了我国轴系扭转振动研究的情况及与世界先进水平相比较的差距;简单介绍了扭
转振动的一些理论和计算方法。
并以163000DWT油轮为例编写了扭转振动计算的软件。
用计算数据做校核计算，得出结论。
关键词: 船舶轴系；计算程序；扭转振动校核
I。
船舶轴系振动研究与发展方向
旋振动的固有频率相对降低。目前虽采 用较之前更复杂 的计算 模型 ， 但很多不确定的因素的影响 ， 计算精度也很难得到保证 。
目前 ， 针对船舶轴系横 向振动 的理论研究 已经 日趋成熟 ，
船舶轴系推进系统 中 ，扭 转振动将会激发纵 向振 动 ，并
国外针对柴油机 曲轴纵向振动的研究较早 ，从 ２ ０世纪 ３ ０ 年代左右就开始了，欧洲科学家 Ｐ ｏ ｏ ｌ ｅ在上世纪 ４ ０年代发表 了这一研究领域的论文。 但 是直到 ２ ０世纪 ６ ０年代才开始对船 舶柴 油机推进轴系 的纵 向振动研究１ ４ － ５ １ ，之所以时间延迟这 么
研究船舶轴系振动现象的发生和控制 方法 将尤 为重 要。
装置 ，而 船舶轴系又是船舶动力装置 的核 心部件 ，船舶轴系
对于船舶轴系扭转振动 的研究来说，目前这方面研究已经趋 于成熟＿ ２ 。 】 ，研究的关键工作是对扭转振动 的力学参数要严格测 定，并采用多种方法进行研究，比如传递矩阵法和有限元法等。
２ ． 船舶 轴 系纵 向振 动研 究
能否 正常 的运行将关系到船舶 的安全 。然而 ，船 舶轴 系 由于 安装过程 中的人为、技术、材料 的质量及其 自身 的不平衡 等
且 ，当两者 的转速相差 不大时更加容易激发 产生纵 向振动 『 １ １ 。 对于船舶轴系来说 ，在外界 干扰力影响下 ，其变形和振 动的
但是某些研究领 域尚缺少实验数据支撑 ，说服力 较小 。针对 系统振动响应的研究 ， 还仅仅局 限在 实验室研 究和理论分析 ，
还没有成熟的、系统性的理论进行验证 。
中图 分 类 号 ：Ｕ ６ ６ ４ ． ２ １ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章编号：１ ０ ０ ６ — ７ ９ ７ ３（ ２ ０ １ ５ ）０ ４ － ０ １ １ ６ — ０ ２
船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究
船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究作者：田浩鹏来源：《中国科技纵横》2013年第15期【摘要】本文通过一些国内因轴系扭转振动而引起的断轴断桨的事故实例，来分析引起轴系扭转振动的主要原因，分析扭振主要特性，并提取一些减振和防振的基本控制措施。
【关键词】船舶柴油机轴系扭振危害分析措施在现代船舶机械工程中，船舶柴油机轴系扭转振动已经成为一个很普遍的问题，它是引起船舶动力装置故障的一个很常见的原因，国内外因轴系扭转而引起的断轴断桨的事故也屡见不鲜，随着科学水平的提高和航运业的发展，人们越来越重视船舶柴油机组的轴系扭转振动，我国《长江水系钢质船舶建造规范》和《钢质海船入级与建造规范》（简称《钢规》）和也均规定了在设计和制造船舶过程中，必须要向船级社呈报柴油机组的轴系扭转振动测量和计算报告，以此来表明轴系扭转振动的有关测量特性指标均在“规范”的允许范围内。
1 船舶柴油机轴系扭转振动现象简介凡具有弹性与惯性的物体，在外力作用下都能产生振动现象。
它在机械，建筑，电工，土木等工程中非常普遍的存在着。
振动是一种周期性的运动，在许多场合下以谐振的形式出现的，船舶振动按其特点和形式可分为三种，船体振动，机械设备及仪器仪表振动，和轴系振动。
船舶柴油机轴系振动按其形式可分为三种：扭转振动，纵向振动，横向振动。
柴油机扭转振动主要是由气缸内燃气压力周期性变化引起的，它的主要表现是轴系上各质点围绕轴系的旋转方向来回不停的扭摆，各轴段产生不相同的扭角。
纵向振动主要是由螺旋桨周期性的推力所引起的。
横向振动主要是由转抽的不平衡，如螺旋桨的悬重以及伴流不均匀产生的推力不均匀等的力的合成。
船舶由于振动引起的危害不但可以产生噪音，严重影响旅客和船员休息，还会造成仪器和仪表的损害，严重的时候甚至出现船体裂缝断轴断桨等海损事故，直接影响船舶的航行安全。
而在船舶柴油机轴系的三种振动中，产生危害最大的便是扭转振动，因扭转振动而引起的海损事故也最多，因此对扭转振动的研究也最多。
船舶推进轴系的扭转振动与控制
当量轴段长 6）轴系中有弹性联轴器或气胎离合器时，应把它们的主、从动
部分分为两集中质量 7）轴系中有液力偶合器时为界，分成两个独立的扭振系统 8）被发动机拖动的机械，转动惯量大的也要作一集中质量
二、多质量系统无阻尼简谐振动计算
等，振幅不同，惯量大的振幅小，惯量小 的振幅大，且振动方向永远相反。
振型图
A1
e12 O
A1
单结 A2
e12
e23
单结
A1
A2
双结
取A1=1，A2=-I1/I2， O为结点，振幅为0， 应力最大，双质量 只有一个结点。
A2
三质量系统有两个
自振频率，单结或
双结，即两个结点。
A3 A3
n个质量就有n-1个 振型，n-1个自振 频率。
(
2 n
2)2
4n 2 2
2 n
2
Asin(t )
A
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h
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2 n
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பைடு நூலகம்
2 n
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静振幅
放大系数
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讨论：
1)
0
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有因
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船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究
【摘要】本文通过一些国内因轴系扭转振动而引起的断轴断桨的事故实例，来分析引起轴系扭转振动的主要原因，分析扭振主要特性，并提取一些减振和防振的基本控制措施。
【关键词】船舶柴油机轴系扭振危害分析措施
在现代船舶机械工程中，船舶柴油机轴系扭转振动已经成为一个很普遍的问题，它是引起船舶动力装置故障的一个很常见的原因，国内外因轴系扭转而引起的断轴断桨的事故也屡见不鲜，随着科学水平的提高和航运业的发展，人们越来越重视船舶柴油机组的轴系扭转振动，我国《长江水系钢质船舶建造规范》和《钢质海船入级与建造规范》（简称《钢规》）和也均规定了在设计和制造船舶过程中，必须要向船级社呈报柴油机组的轴系扭转振动测量和计算报告，以此来表明轴系扭转振动的有关测量特性指标均在“规范”的允许范围内。
1 船舶柴油机轴系扭转振动现象简介
凡具有弹性与惯性的物体，在外力作用下都能产生振动现象。
它在机械，建筑，电工，土木等工程中非常普遍的存在着。
振动是一种周期性的运动，在许多场合下以谐振的形式出现的，船舶振动按其特点和形式可分为三种，船体振动，机械设备及仪器仪表振动，和轴系振动。
船舶柴油机轴系振动按其形式可分为三种：扭转振动，纵向振动，横向振动。
柴油机扭转振动主要是由气缸内燃气压力周期性变化引起的，它的主要表现是轴系上各质点围绕轴系的旋转方向来回不停的扭摆，各轴段产生不相同的扭角。
纵向振动主要是由螺旋桨周期性的推力所引起的。
横向振动主要是由转抽的不平衡，如螺旋桨的悬重以及伴流不均匀产生的推力不均匀等的力的合成。
船舶由于振动引起的危害不但可以产生噪音，严重影响旅客和船员休息，还会造成仪器和仪表的损害，严重的时候甚至出现船体裂缝断轴断桨等海损事故，直接影响船舶的航行安全。
而在船舶柴油机轴系的三种振动中，产生危害最大的便是扭转振动，因扭转振动而引起的海损事故也最多，因此对扭转振动的研究也最多。
而且当柴油机轴系出现扭转振动时，一般情况下，船上不一定有振动的不适感，因此这种振动也是最容易被忽视的一种振动形式，一旦出现扭转振动被忽视，往往意味着会发生重大的事故。
更应该注意的是，当发动机运转在主临界速度时，自由端的传动齿轮箱往往容易发生齿击或噪声大的现象，这时检查时会发现齿轮有点蚀或剥落等磨损现象，严重时会有断齿事故。
有时在强共振的情况下，轴系中的某些位置只要数分钟运行就能自行发热，稍有疏忽，就可能造成断轴断桨的海损事故。
2 船舶柴油机因扭振而引起的断轴断桨的事故及分析
（1）广西海运局北海分局所属沿海货轮400吨桂海461、462、463，三条
轮船，航行于北海香港航段。
自1972年投入运行至1974年5月以来，三轮共断桨断轴8次，其中断轴5次，断桨3次。
桂海461轮自1972年1月至1972年3月桨叶折断，修复后又运行到不到1个月于1972年4月中间轴焊缝处裂开扭断，经有关部门检查发现第一次事故是由于主轴浇铸质量不合格造成，第二次是由于焊接工艺不过关引起的。
但是桂462和463轮也连续发生了类似事故，为了查明多次事故的真正原因，上海船监局和上海船舶设计院联合于72年5月在461轮上进行了几种不同工况下的扭转振动测试，测得船舶扭振附加应力均超过船规最大许应值。
该三轮由上海船舶设计院设计，梧州船厂建造，其主要参数如下：
船长：50.79米
船宽：8.40米
吃水：3.40米
主机位日本阪神Z6L27ASH型六缸四冲程中速柴油机，其主要参数如下：
缸径：270毫米
冲程：400毫米
持续功力：650马力
持续转速：400转＼每分
发火顺序：1—4—2—6—3—5（正车）
1—5—3—6—2—4（倒车）
螺旋桨直径：1730毫米
叶片数：3个
尾轴径：150毫米
中间轴径：134毫米
但是据说日本用同样的机器却没有发生事故，可能是我国在将轴系与主机连接时没有进行扭振计算，而改变原来参数，致使发生多次断轴断桨事故，经上海船检局等部门检查测试后，提出的改进措施是：提高系统自振频率，加大中间轴与尾轴轴径，同时将螺旋桨的三叶改为四叶，可避开与主机干扰力矩间歇次数重叠。
另一种方法是降低单结频率增加弹性联轴节或增大飞轮转动惯量等。
（2）我国第一艘万吨远洋货轮“东风”号，其推进装置持续转速为115转/每分，而在常用的90-100转/每分出现强共振经测试发现其曲轴扭振应力超过许用极限值。
我国大型沿海客货“长征”号，在常用转速r=0.9-1.0的速比时，也出现了双结强共振，因而被划分为“禁区”。
此外，在“大庆12”号，“杭州”号和”兰州”号的曲轴后壁的曲柄臂上都出现了裂纹，经过排查分析，被诊断为由扭转振动引起的。
当船舶柴油机组轴系发生强烈扭转共振时，能够使轴系产生裂纹、轴系断裂等严重事故，因此我们在研究柴油机轴系事故的目的是首先要分析出使轴系发生扭转振动的激励源在哪里，以及我们该采取何种措施最大程度上的减小和避免这种现象。
3 柴油机组轴系扭振的主要激励源
扭转振动产生的原因是可以大致分为内部因素和外部因素两个方面，内部因素是系统具有的固有频率；外部因素是作用在柴油机组上的周期性变化激励p
4.1 改变系统的固有频率
改变系统扭振当量系统的固有频率W1，使之远离干扰频率W0.从而避开共振区，以“调频”来达到“避振”的目的。
扭振当量系统的固有频率，主要是由各轴段的刚度和各质量的转动惯量所决定的，改变刚度和惯量均能达到“调频”的目的。
由于轴段刚度和直径的四次方成正比，所以增大轴段的直径可以增加刚度，从而使整个系统的固有频率提高；改变飞轮惯量，可以系统单节、双节和三节的固有频率。
如果在船体结构允许的条件下，可以缩短轴系长度也可以改变轴系刚度，以此来提高系统的固有频率。
达到避振目的。
加装弹性联轴节也可以改变系统的固有频率，采用大柔度的弹性联轴节可以降低系统的固有频率，使共振转速低于常用转速，另外加装了较大阻尼的弹性联轴节，可以使共振力大大减少。
4.2 提高扭振附加许用应力
选择合适高质量的中间轴、螺旋桨轴的材料，通过提高轴段的材料强度来提高轴段的扭振附加应力，从而使轴系长期安全良好的运行。
4.3 降低共振状态时的力矩和振幅
通过增大阻尼或降低干扰力矩，从而降低共振状态时的力矩和振幅，以达到“减振”的目的。
要增大阻尼，一般是在系统中加装具有较大阻尼作用的弹性联轴节和硅油减振器，或者增加大阻尼部件的振幅，从而以达到“减振”的目的。
降低干扰力矩，一般通过改变各缸的发火顺序或改变振形从而减小相对振幅的矢量
和，从而以达到“减振”的目的。
4.4 设置“转速禁区”
在柴油机常用转速范围下，把产生较严重共振现象的临界转速定位“转速禁区”，避免在此转速附近长期运转，达到回避较强扭振减少事故的目的。
在装有减速齿轮箱的轴系中，在常用转速下，扭振产生啮合处的振动扭矩往往超过平均扭矩，因此应该设置“转速禁区”。
在装有弹性联轴节的轴系中，在常用转速下，扭振产生的交变扭矩往往大于弹性联轴节的交变扭矩，但小于最大扭矩情况下，也可以设置“转速禁区”避免扭振事故发生。
5 结语
随着现代化进程的发展，我国航运业的发展也进入了高速发展的快车道，为了保证船舶的安全航行，我们的科研人员和广大船运行业的一线从事者们，更应该认识和掌握扭振的特点和规律，充分认识到扭振的严重后果，我们的船在设计和建造时，要严格执行钢船建造规范中关于扭振问题的规定，对扭振系统进行精确的分析和计算。
这样才能防患于未然，尽量减少或杜绝此类事故的发生。
参考文献：
[1]许运秀等.船舶柴油机扭转振动[M].北京：人民教育出版社，1982：34-36.
[2]中华人民共和国船舶检验局.长江水系钢船建造规范1978[M].北京：人民交通出版社1978：105-106.
[3]中国船级社.钢质海船入级规范2009[M]北京：人民交通出版社，2009：27-28.
[4]李渤仲.内燃机轴系振动[M].国防工业出版社，1984：45-46.。