某船舶推进轴系扭振计算分析-不错的论文(精)
船舶推进轴系扭振影响因素分析
船舶推进轴系扭振影响因素分析作者：韩阳泉樊明冀海俊来源：《广东造船》2014年第04期摘要：本文以轴系扭振理论计算为依据，分析影响扭振的各项因素，并以此提出解决轴系扭振问题的一些建议关键词：712所推进电机；柴油机；船舶；推进轴；扭振；影响因素中图分类号：U664.21 文献标识码：A1 前言船舶推进轴系主要由动力装置、传动轴及螺旋桨组成。
传动轴用于将动力装置发出的动力传递给螺旋桨，以使其旋转产生推进力。
为了使推进系统能安全、高效地长期运行，需要对机、桨、轴进行匹配设计，其中轴系的扭振问题对该系统的使用寿命至关重要。
为此，船舶规范对此也作出了规定，在轴系设计时需要进行理论计算，安装完成后往往还需要进行扭振测试，因此，轴系扭振计算是船舶设计中重要的一环。
轴系设计时需要对各种影响因素进行分析，尽量降低扭振问题给船舶运行带来的负面影响。
本文以采用推进电机和船用柴油机两种船舶动力装置的推进轴系为例，对轴系扭振有较大影响的几个主要因素进行分析。
2 轴承扭振计算方法要了解影响轴系扭振的因素，首先要清楚扭振的基本原理和计算方法。
扭振是在变化扭矩的作用下所产生的周期性运动，凡是不均匀输出扭矩及吸收扭矩的机械装置，均有可能出现扭振现象。
实际轴系的质量是沿轴分布，计算复杂。
为此，常用的办法是将其转化成集中质量式的当量系统，即用圆盘串以轴段的模型代替原轴系，新生成的模型就是原轴系的当量系统，通过当量系统的扭振计算，可反映实际系统的扭转振动特性。
下面分别以某180TEU集装箱船和39 000 DWT系列油轮的轴系为例作分析。
2.1 180TEU集装箱船（电机推进）轴承扭振计算2.2 39 000 DWT邮轮（柴油机推进）轴承扭转计算39 000 DWT系列油轮采用船用柴油机为动力装置，其轴系当量系统共分成11个质量块（图2），其中38、1-6、27、32分别代表主机曲轴上法兰、气缸和活塞、推力轴及飞轮的转动惯量，43代表中间轴及螺旋桨轴的转动惯量，73代表螺旋桨浸水后的总的转动惯量。
船舶推进轴系振动与功率测量分析研究
讨论
根据实验结果和分析，本次演示对船舶轴系振动的原因进行了深入探讨。研 究发现，船舶轴系振动主要受到螺旋桨激振力、轴系不平衡等因素的影响。为了 有效控制船舶轴系振动，可以从以下几个方面入手：
1、优化螺旋桨设计，减小螺旋桨的激振力。通过改变螺旋桨的叶片形状、 数目等参数，降低螺旋桨运转过程中产生的激振力，从而降低船舶轴系振动的幅 度。
文献综述
近年来，国内外学者针对船舶推进轴系振动问题进行了广泛的研究。研究内 容主要包括推进轴系的模态分析、振动特性分析、振动故障诊断等方面。
在模态分析方面，研究者通过有限元方法对推进轴系进行模态模拟，得到了 轴系的固有频率和振型。研究表明，推进轴系的模态特性与船舶的动力学特性密 切相关。
在振动特性分析方面，研究者对推进轴系在不同工况下的振动响应进行了测 量和分析。结果表明，推进轴系的振动响应受到船舶运行工况、推进轴系结构及 材料等因素的影响。
在振动故障诊断方面，研究者通过对比正常和故障轴系的振动数据，利用谱 分析、小波变换等信号处理方法，实现了对推进轴系故障的早期发现和诊断。
然而，现有研究大多于推进轴系的振动特性和故障诊断，而对推进轴系振动 的抑制方法研究较少。因此，本研究将针对这一问题展开探讨。
研究方法
本研究采用实验测试与数值模拟相结合的方法，对推进轴系的振动进行抑制 研究。首先，利用振动测试设备对推进轴系的振动响应进行实验测试，获取丰富 的实验数据。然后，通过有限元方法对推进轴系进行建模，并对模型进行动力学 分析，得到轴系的模态频率和振型。
1、在实验测试方面，由于测试设备和条件的限制，未能对不同类型和规模 的船舶推进轴系进行全面的测试和分析。因此，未来的研究可以进一步拓展实验 测试的范围，以验证方法的普适性和有效性。
船舶推进轴系振动与功率测量系统设计
船舶推进轴系振动与功率测量系统设计朱永祥【摘要】传动轴系的功率和振动测试是船舶动力测试的主要内容,决定着船舶的整体性能,甚至影响到船舶航行的安全和可靠.本文基于信号分析和处理技术,设计船舶推进轴系振动与功率测量装置,能够对轴系功率和振动信号进行精确测量.采用设计的船舶推进轴系功率测量系统进行某船舶的轴功率和轴系振动测试实验.实验结果表明,本系统所测轴系纵向振动和回旋振动共振转速误差分别小于1.24％和1.09％,幅值误差分为小于1.23％和1.06％,峰峰值误差分别小于2.26％和2.13％,所测不同转速下轴心轨迹形状与理论轨迹趋向相吻合,满足实际测量要求.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2014(036)012【总页数】4页(P74-77)【关键词】振动测量;应变传感器;船舶轴系;纵向振动;回旋振动【作者】朱永祥【作者单位】南通航运职业技术学院,江苏南通226010【正文语种】中文【中图分类】U664.21作为船舶动力设备的关键组成，船舶推进轴系是指主动机输出轴与螺旋浆之间的所有传动轴及其轴附件，其主要功能是将主动机的能量输出给螺旋桨并产生转动，推动船体产生运动[1]。
传动轴系的功率和振动测试是船舶动力测试的主要内容，决定着船舶的整体性能，甚至影响到船舶航行的安全和可靠[2]。
因此，在新船建造、船舶大修、船舶改装和轴系转速不正常的情况必须进行船舶推进轴系功率和振动的测试，以确保航行安全。
目前，船舶推进轴系功率测试的方法主要包括钢弦法[3]和应变遥测法[4-5]2种。
钢弦法使用钢弦传感器对某一段轴的扭转变形和变化频率进行测量，从而计算出被测轴的扭矩、转速和功率等信息；应变遥测法使用应变式传感器测量轴系的主应变，具有测量体积小、安装方式灵活、测量信息噪音小等优点。
轴系振动的测量方法主要包括机械式和传感式[6-8]两大类。
机械式通常利用杠杆原理将轴的振动形变放大后进行记录数据，抗干扰能力强；传感式使用传感器感知轴系的振动信息，经信号放大器放大后获得采集仪器所需的电平值，可进行振动信号的稳态测量[9]。
船舶推进轴系扭转振动计算分析
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关键词：扭转振动；轴系；霍尔茨法；MATLAB
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武汉理工大学毕业设计（论文）
Abstract
Ship propulsion shafting is a complicated flexible system with multi-masses， whose function is mainly as follows: transferring the power generated by main engine to drive the propeller, so the thrust is born for ship moving. Propulsion shafting torsional vibration is one of the combustion engine power unit malfunction reasons. The torsional vibration aggravated problems can cause crankshaft, intermediate shaft, propeller shaft and other shaft segment fracture can cause gear wear, tooth surface pitting, coupler damage, excessive noise and other issues. These all affect the dynamic property and safety of ship driving, so the propulsion shafting torsional vibration research has very important significance. Having looked up to plenty of information, this paper is taking ship propulsion shafting as a researched object, gives a brief summary of principles and methods for research and study of torsional vibration. The main works are as follows: (1)Establish a lumped parameter model for various parts of the ship shafting to transfer the complex shafting to a simple model: homogeneous rigid disc elements, no inertia damping elements, no inertia torsion spring elements. (2)Do the study or research about the theory of the inherent characteristics of torsion vibration (natural frequencies and mode shape) in ship propulsion shafting torsional vibration calculation. Comparing different characteristics and applicable features by their calculation process. (3) Verify the correctness of the methods used by modeling specific real ship
某船舶推进轴系扭振计算分析
ｒ ｕ ｎ ｙ ａ ｄ ｔｅ ｃ ｒｅ ｐ ｎ ｉｇ ｒｓ ｎ ｎ ｅ ｓ ｅ ｄ ｆ ｑ ｅ ｃ ｎ ｈ ｏ ｒｓ ｏ ｄｎ ｅｏ ａ ｃ ｐ ｅ ， ａ ｌ ａ ｈ ｉｒｔ ｎ ａ ｌ ｕ ｅ ｏ ｈ ｒ ｅ ｅ ｄ ａ ｄ ｔｅ ｅ ｓｗｅｌ ｓｔｅ ｖｂ ａｉ ｍｐｉ ｄ ｆｔｅ ｆｅ ｎ ｎ ｈ ｏ ｔ
第２ ２卷
第 ５期 （ 第 １ １期 ） 总 ３
２１年 １ ０１ Ｏ月
船
舶
Ｖｏ ． ２ Ｎｏ ５ １ ２ Ｏｃ ｏ ｅ ， ０１ ｔｂ ｒ ２ １
Ｓ Ｐ ＆ Ｂ０ＡＴ ＨＩ
［ 船舶轮机 ］
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
某船舶推进轴系扭振计算分析
金 立 平
（ 吉林 省地 方 海事 局 长 春 １ ０ ６ ） ３ ０ １
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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 。
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第22卷第5期（总第131期）2011年10月船舶SHIP&BOATVol.22No.5October，2011［船舶轮机］某船舶推进轴系扭振计算分析金立平（吉林省地方海事局［关键词］船舶推进轴系；有限元；转动惯量；扭振［摘要］提高轴系扭振计算精度，必须有精确的原始参数，以准确掌握船舶轴系扭振情况。
在有限元分析软件中，建立曲柄半拐等的三维模型，用有限元分析方法精确的确定了各质量、轴段的转动惯量、扭转刚度等精确原始参数。
基于建立的实船轴系当量系统，计算出了各结自由振动的频率及对应的共振转速，自由端和飞轮输出端的振幅，分析了轴段应力和扭矩随曲轴转角及转速的变化关系。
结果表明在整个转速范围内，扭转振幅小于限定值，轴段的最大扭矩和应力均小于材料许用值，本船舶轴系扭转振动状况是良好的。
［中图分类号］U664.21［文献标志码］A［文章编号］1001-9855（2011）05-0046-04长春130061）TorsionalvibrationcalculationandanalysisofashippropulsionshaftJINLi-ping（JiLinLocalMaritimeSafetyAdministration，Changchun130061）Keywords：marinepropulsionshafting；FEM；inertiamoment；torsionalvibration Abstract：Thepreciseoriginalparametersarecriticalforimprovingthecalculationaccuracyofshafttorsi onalvibration.Athree-dimensionalmodeofahalfcrankisestablishedinthefiniteelementanalysissoftwaretoaccurate lycalculatetheoriginalparameterssuchasthemomentofinertiaandtorsionalstiffnessofeachs haftsection.Basedontheestablishedrealshipshaftingequivalentsystem,thispapercalculatedt hefreevibrationfrequencyandthecorrespondingresonancespeed,aswellasthevibrationampl itudeofthefreeendandtheflywheeloutputend,analyzedtherelationshipofthestressandtorque ofshaftsandthecrankangleandenginespeed.Theresultsshowthatinthewholespeedrange,thetorsionalamplitudeislessthantheallowablevalueandthelargestshafttorqueandstressarelesst hanlimitedvalueofthematerial.Sothattheshipshaftingtorsionalvibrationisinagoodsituation. 扭转振动进行了准确的分析计算。
引言船舶推进轴系振动一直是船舶界十分关心的问题，扭振分析的精度关键在于模型的准确性。
提高模型扭振计算精度的方法，一方面是增加集中质量的数量，另一方面是各质量、轴段的转动惯量和刚度等原始参数的精确计算［1，2］转动惯量和刚度等原始参数的计算对于曲轴等复杂形状的物体，转动惯量传统的计算方法是用许多以曲轴中心为中心的、间隔为dR的圆弧，划分成许多弧形小块。
然后分别求得各弧形小块对曲轴中心的转动惯量，再将其相加即可得其相对于中心线的转动惯量。
很显然，对于曲柄等。
本文采用有限元分析法，精确计算了曲轴半拐的原始参数，对船舶轴系的［收稿日期］2011-07-22；［修回日期］2011-08-01［作者简介］金立平（1981-），男，汉族，工程师，主要从事水上安全监督及海事信息化工作。
46某船舶推进轴系扭振计算分析复杂形状的物体，传统计算方法实际操作上非常不便，难以准确求解［3，4］。
对于单位曲柄扭转刚度的计算，目前均采用半经验公式进行计算，由于各种经验公式都有各自特定的使用机型，有一定的适用范围，因此很难用统一的公式来计算曲柄的扭转刚度［5］。
本文采用Ansys有限元软件进行分析计算。
为减少计算工作量，采用半拐进行分析，包含1/2主轴颈、曲柄臂和1/2曲柄销；建立的半拐三维模型如图1所示；然后定义材料属性，划分模型，并细化过度圆角处网格，施加约束和扭矩，如图2所示；最后求解计算，得出主轴颈端面节点的扭转位移等数据，图3为求解后的节点位移图。
图3节点位移图根据刚度计算公式（1），可求得半拐刚度K=Mφ为扭转角度，rad。
··Nmrad-1（1）式中：M为施加的扭矩，N·m；整拐刚度值则为半拐刚度值的1/2。
求得的各质量、轴段的转动惯量和刚度如下表1所示。
图1半拐三维模型当量系统模型某船推进轴系当量系统模型如下页图4所示。
对应的振动系统矩阵微分方程为：咬+Cφ觶+Kφ=MIφ式中：I为转动惯量矩阵；（2）C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；M为激振力矩向量；φ为扭转角度向量。
3图2划分后的模型计算结果及分析本轮主机额定转速127r/min，发火间隔角为表1质量号转动惯量（kg·m2）扭转刚度（N···mrad-1108）转动惯量与刚度的计算值3436844368543686436874368820289101210.431025811315570.92151008.50243687.9480.207.797.998.3310.8716.2647第22卷第5期（总第131期）2011年10月船舶SHIP&BOATVol.22No.5October，2011图4当量系统模型120度CA，发火顺序为1-5-3-4-2-6。
对于实际的船舶内燃机轴系，由于柴油机的转速较低，而且高频的激振力矩很小，所以一般不会出现高频的振动。
3.1自由振动结果分析本文取其前6结振动，求得的各质量1~6结振动的频率与振型如图5所示。
2.01.51.0图6自由端扭振振幅与曲轴转角关系图可以看出，额定转速下自由端扭振振幅在整个周期内数值很小，完全符合要求。
图7、8分别示出了自由端和飞轮输出端扭振振幅随转速变化的关系。
相对振幅0.50.0-0.5-1.0-1.5-2.0124567891011质量序号图51~6结振型单、双结振动下，1～12各谐次对应的临界转速（r/min）如下表2所示。
由于主机额定转速为127r/min，12谐次以下的激振，能够激起单结和双结振动，对于3结及以上的共振则无能为力。
在柴油机转速范围内没有出现危险共振。
图7自由端扭振振幅随转速变化关系3.2强迫振动结果分析对于内燃机轴系，最大扭转振幅一般发生在自由端，所以针对自由端进行分析。
图6示出在额定转速下，自由端扭振振幅随曲轴转角变化的关系图。
表2谐次单结振动双结振动图8飞轮输出端扭振振幅随转速变化关系各谐次对应的临界转速574.1271.4661.7226.2752.9193.9846.3169.6941.2150.81037.0135.71133.4123.41230.9113.11370.51357.12185.2678.53123.5452.4492.6339.348某船舶推进轴系扭振计算分析在转速范围内，随着转速的增大，扭振振幅趋于稳定，但出现两次波峰，分别在约65r/min与145r/min出现，由临界转速表可知，分别由3谐次、6谐次和9谐次等主谐次激振引起的。
转速范围内单双结主谐次引起的各轴段应力如图所示，其他谐次引起的应力相对较小。
由图9、图10可知，主谐次对第9轴段的激振远大于对其他轴段的激振。
第9轴段对应于实船轴系的飞轮后端轴，符合实际情况。
第9轴段承受的最大应力与扭矩与转速的关系见图11、12。
200图11最大应力与转速关系轴段应力（MPa）150瞬时许用应用10050图12最大扭矩与转速关系20406080100120140160180结语曲轴转速（r/min）图96谐次激振引起1结各轴段应力（1）采用Ansys有限元分析软件，绘制了半拐的三维模型，计算出端面扭转角度，继而精确计算出扭转刚度和转动惯量等原始参数，提高了轴系扭振的计算精度；（2）计算出了自由振动的频率和振型，转速范围内不存在共振。
轴段的最大应力小于材料许用值，本船舶轴系扭转振动状况是良好的；（3）计算中采用了近似计算的方法以及计算中一些难以确定的因素，如阻尼的确定等，会不可避免的产生一定的误差，但理论计算对轴系的设计优化仍具有重要的指导意义。
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在62r/min左右的应力比较大，原因就是由第6主谐次激振引起的单结共振。
在额定转速时，输出功率较大，应力也较大，但小于560MPa的轴段许用应力，处在安全范围之内。
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