轴系扭振故障机理研究和预防对策

" 故障形式
船舶轴系扭振造成的故障主要分为三类：%）中 间轴、曲轴、艉轴和螺旋桨轴的疲劳断裂或裂纹；!） 传动部件和连接部件如弹性联轴器、法兰的损坏；$） 螺旋桨叶的磨损和断裂，桨帽的松脱。任何一种故 障将影响船舶的安全、可靠和稳定运行，产生严重后 果。 %*% 曲轴疲劳断裂
曲轴断裂形式大多呈疲劳断裂。断裂的部位一 般发生在!／$轴长之内，如对六缸柴油机，断轴位置 在第四缸的曲柄销、主轴颈及曲臂处。
实例&扭振计算结果表明了在各种工况下各轴 段应力以及齿轮的啮合力矩均小于规定的许用值。 在自航工况下，轴系双节点三次主简谐临界转速为 %22’*+／,-.，此时，高弹性联轴器的振动扭矩峰值为 &*%"6,，远 低 于 78!!" 型 联 轴 器 的 额 定 扭 矩 值
万方数据
《船舶工程》 年第 期
!"1)16,，轴系的扭振计算满足设计要求。但是轴 系的扭振实测结果与理论计算有很大差异。
应力集中是疲劳断裂的主要因素。曲轴形状比 较复杂，横断面沿轴线方向急剧变化，使曲轴内部的 应力分布极不均匀，以致在曲臂、主轴颈的过渡圆角 区和润滑油孔周围产生了高度的应力集中，某些部 位的交变应力达到了很高的数值，容易引起疲劳破 坏。因此，在距油孔、圆角1++ 区域内不允许存在 纹痕。
附加应 力 促 使 曲 轴 过 早 疲 劳 断 裂。 主 机 工 作 万方数据
轴系扭振故障机理研究和预防对策!%#!%%］ 硕士／讲师 宁波大学海运学院［$%#!%%］ 本科生 宁波大学海运学院［$%#!%%］
摘 要 总结了近年来船舶轴系扭振故障的研究成果，从疲劳机理、振型、共振、计算与实测比 较以及扭转&轴向耦合振动几个方面，分析了五种典型实例产生扭振故障的原因，讨论了调整系统 固有频率对改善扭振特性的影响，提出了几种调频减振的方法。
轴系疲劳断裂发生在主临界转速位于工作转速 范围内或长期处于工作转速附近。
渔船和拖轮的自由航行工况与拖网或拖曳工况 的转速相差约!"!%"(，要使激烈的扭转振动完全 避开或远离这两个转速范围，往往比较困难，因而易 于发生共振而断轴。实例 % 的 自 航 转 速 为 &)"! &*"+／,-.，拖曳转速为&%"!&/"+／,-.，已经避开了 主临界转速&00+／,-.，但两档工作转速长期处在主 临界转速的上下，而不是偏向临界转速的一侧，曲轴 始终承受相当大的附加振动应力，长期在超负荷下 运转，疲劳寿命明显下降。 %’/ 扭振计算与实测比较分析
成数条。首制船)艘，均出现相同的故障。 %*$ 艉轴裂纹及螺旋桨松脱
实例% 鲁海一货船，主机型号:@1,ABC#"／
··
!!"#$，额定功率%&""’(，额定转速!)"*／+,-，艉轴 直径 .""++，螺 旋 桨 直 径 .!."++，!//) 年 对 轴 系 检查和螺旋桨修理时，发现艉轴裂纹而弃用［$］。
实 例 " 浙 渔 一 对 拖 网 渔 船，主 机 型 号
!浙江省教万育方厅数科据研资助项目
《船舶工程》 年第 期
($""./，额定功率))%01，额定转速)""2／345，曲轴 材料 67("&!，运转时间$""""小时，累计转数(8 %"9。断口位置在第四缸前主轴颈邻接曲臂处。
断裂形式：裂纹起始于主轴颈与曲臂的过渡圆
图! 实测附加振动扭矩
高弹性联轴器的橡胶元件工作时将吸收扭转振 动产生的热量，其值与弹性元件承受的振动扭矩的 平方成正比，与振动频率成正比，因此，78!!"型高 弹性联轴器在共振转速时橡胶元件的发热量等于额 定转速时发热量的十几倍，一旦持续运转，大量的热 量无法在短时散发传递出去，积聚在橡胶元件上，引 起橡胶元件温度上升，强度下降而开裂损坏。 %’2 扭转—轴向耦合振动分析
实例!、$的曲轴，实际运转时间已经超过了材 料的疲劳极限所对应的循环基数 ""，在这工作应力 下，曲轴将 进 入 无 限 寿 命 区，一 般 不 再 发 生 断 轴 事 故。但是强烈的扭振产生的附加振动应力，使得曲 轴裂纹从应力集中很大的油孔和轴颈过渡圆角处开 始，沿着与轴线成.1度角的两个方向，在主轴颈上 延伸，逐渐扩展成对称形的交叉裂纹，大大降低了曲 轴的疲劳寿命，仍有发生疲劳断裂的现象。
开裂形式：主 机 在 !""2／345 时，高 弹 性 联 轴 器 橡胶元件 出 现 不 正 常 升 温，!9"2／345 时 温 度 最 高， 达到("摄氏度左右，至$""2／345时温度恢复正常。 主机在!("?$""2／345转速范围内运行了半小时， 高弹性联轴器的橡胶元件沿受力方向呈放射性开裂
" 故障分析
随着现代设计技术的应用，船舶轴系设计和附 件的选配更趋合理，在各种工况下轴系扭振大都按 照船舶设计规范的要求，用计算机进行分析计算，理 论上是能够保证足够的强度和寿命。但是，由于材 料性能、制造质量、机桨匹配、轴系结构及布置等诸 多因素，故障时有发生。引起扭振故障的原因十分 复杂，仅理论计算不能满足实际装置和结构的动态 分析要求，还需依靠试验、实测和其它分析方法辅以 验证。 $0! 疲劳机理分析
角处，并向曲柄销圆角方向斜向发展。断口呈脆性，
晶粒较细，无夹渣、气孔等铸造缺陷，周边规则。两
艘船的曲轴同时出厂，又在同一时间、同一部位发生
疲劳断裂。
实例# 浙渔一拖轮，主机型号($""./，额定 功率))%01，额定转速)""2／345，曲轴材料 67("& !，断轴时间%++,年，运行时间!""""小时，累计转 数$*(8%"9。断口位置在第四缸前曲柄臂与曲柄 销连接处。
推进轴系在扭转振动下，不均匀回转引起了螺 旋桨推力变化，耦合激发产生轴向振动，导致疲劳裂 纹。从实例/、2轴系裂纹的纹向表象可知，裂纹的 产生既有扭转振动的作用，又有轴向振动的因素。
实例/推进轴系扭转振动和轴向振动计算表 明，单节扭转振 动 自 振 频 率 为 0’019:，双 节 扭 转 振 动自振频率为 %&’!9:，双节轴向振动自振频率为 !%’*9:。22+／,-.处 是 轴 向 振 动 双 节 !/ 次 主 简 谐 临界 转 速，21+／,-. 处 是 扭 振 单 节 1 次 主 简 谐 临 界 转速，两者的临界转速相当接近，在22;21+／,-.范 围内由扭振激励的轴向耦合响应出现最大峰值，如 图&所示。在*1!!""+／,-.处峰值略为凸起，也是 由扭振和轴向临界转速接近重合而引起的；在21+／ ,-.处，双节 !/ 次主简谐轴向振动的激励是不大 的，不可能产生如此强烈的响应，而是典型的扭转— 轴向二倍频 耦 合 振 动 的 结 果；在 !%"+／,-. 以 后，轴
断裂形式：断口呈脆性，裂纹沿曲柄销与曲柄连
接处油孔剖面，并与轴线成)#度方向，在轴颈上延 伸，周 边 呈 不 规 则 形 状。该 船 主 机 在 $#"!$9"2／ 345范围内振动很大，断轴时转速$)"2／345。 %*! 联轴器开裂损坏
实例$ 浙渔一围拖渔轮，主机型号($""/:， 额定功率 !+)01，额 定 转 速 )""2／345，推 进 轴 系 上 配置了;<1$"／$!型双速比齿轮箱和 =>%%"型高 弹性联轴器。渔船建造时间%++%年，在系泊试验中 高弹性联轴器发热、橡胶元件开裂损坏［%］。
实例! 粤航一拖轮，主机型号&%""23，额定 功率..!’(，额 定 转 速 .""*／+,-，推 进 轴 系 中 两 根 中间轴直径分别为!1&++ 和!."++，长度分别为 &1)++ 和.!4.++，螺旋桨轴直径!14++，螺旋桨 直径!)$"++，坞修时发现螺旋桨轴存在裂纹［%］。
裂纹形式：螺旋桨轴表面有两处裂纹，裂纹长度 约!"!%"++，宽度!!1++。一处在艉部锥体大端 附近，集中多条裂纹，纹向与轴线成.1度，且部分交 叉分布；另 一 处 在 螺 旋 桨 轴 前 轴 承 附 近，裂 纹 条 数 少，纹向与轴线成.1!&"度角不等。
改变节 点 附 近 轴 段 刚 度，可 有 效 避 开 共 振 区。 轴系单节振动节点在中间轴上，只要适当增加中间 轴的直径，就可显著提高刚度和单节振动的固有频 率，减少共振影响。如将原长度不等的两根中间轴 在保持总轴长不变前提下，改为两根等长%/&",,、 直径!1),, 的中间轴，原轴系单节&次主简谐临界 转速被提高到//%+／,-.，使常用转速完全避开了共 振区。
轴系扭振计算一般先要测取各轴段和轴系各部 件的有关尺寸，作当量系统转化；然后计算单节、双 节和三节振动固有频率与强迫振动；计算各节振动 的简谐次 数、共 振 转 速、轴 段 的 扭 振 附 加 应 力 和 齿 轮、弹性联轴器的振动扭矩。实例2轴系单节&次 主简谐临 界 转 速 为 &&*+／,-.，在 临 界 转 速 附 近，各 轴段的扭振附加应力均超过了许用应力，其中螺旋 桨轴的扭振附加应力为/*’2345，超过许用应力近 一倍。而该轮的拖曳转速为 &%"!&/"+／,-.，恰在 临界转速附近，螺旋桨轴就不可避免地会产生裂纹， 甚至断轴。