劉 偉，劉義軍，俞 強(qiáng)，李全超

LIU Wei, LIU Yi-jun, YU Qiang, LI Quan-chao

（中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

0 引言

在船舶航行過程中，不可避免地在艉部形成不均勻伴流場(chǎng)，螺旋槳在伴流場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)激振力，該縱向力經(jīng)推進(jìn)軸系、推力軸承及其基座傳遞到船體，引起船體產(chǎn)生振動(dòng)，不僅影響船舶的舒適性，還會(huì)形成水下聲輻射，降低船舶的聲學(xué)性能。通過實(shí)船測(cè)試是開展軸系縱向振動(dòng)機(jī)理研究與軸系優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要途徑，然而在船舶軸系設(shè)計(jì)過程中，尤其是在新產(chǎn)品研制或改進(jìn)設(shè)計(jì)中，由于總體方案及推進(jìn)系統(tǒng)性能發(fā)生較大變化，往往難以直接通過實(shí)船測(cè)試獲得準(zhǔn)確的適用性數(shù)據(jù)。為此，建立模擬實(shí)艇特性的軸系試驗(yàn)臺(tái)架是一種有效可行途徑，通過理論與試驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)方案優(yōu)化。

目前國(guó)內(nèi)外大量研究機(jī)構(gòu)都開展了軸系試驗(yàn)臺(tái)研究與試驗(yàn)工作，取得了大量成績(jī)。Pan等[1]研制了主要由螺旋槳、水箱、傳動(dòng)軸、推力軸承及基座組成的小型軸系縱向振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，重點(diǎn)開展螺旋槳水動(dòng)力特性和軸系縱向振動(dòng)傳遞特性研究；李良偉等[2]在軸系試驗(yàn)平臺(tái)研制的基礎(chǔ)上開展了軸系縱向及其與基座的耦合振動(dòng)研究工作。Lewis等[3]開展了面向主動(dòng)磁力控制的軸系縱向振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)研究工作；張志誼等[4]建立了懸浮殼體與軸系組成的試驗(yàn)臺(tái)，尾部通過靜推加載裝置以及激振器模擬螺旋槳載荷，研究了軸系主動(dòng)控制與槳軸艇耦合振動(dòng)；劉正林等[5]開展了軸系軸承試驗(yàn)臺(tái)研制并進(jìn)行了大量的摩擦磨損試驗(yàn)研究。

上述研究對(duì)于軸系振動(dòng)特性分析及控制措施的制定具有重要意義，但對(duì)于模擬螺旋槳載荷的加載裝置自身動(dòng)態(tài)特性及其對(duì)試驗(yàn)影響方面的研究不足，也缺乏滿足試驗(yàn)需求的大推力低剛度的加載裝置技術(shù)研究及應(yīng)用。為此，本文結(jié)合船舶推進(jìn)軸系特點(diǎn)建立軸系試驗(yàn)臺(tái)，通過理論分析與試驗(yàn)測(cè)試研究縱向加載裝置及其對(duì)縱向振動(dòng)研究的影響，提出了低剛度大推力氣囊加載裝置，應(yīng)用于試驗(yàn)平臺(tái)中，并取得了良好效果。

1 軸系試驗(yàn)臺(tái)縱向特性分析

1.1 試驗(yàn)臺(tái)架介紹

軸系試驗(yàn)臺(tái)架主要由推進(jìn)電機(jī)、彈性聯(lián)軸器、中間軸、中間軸承、推力軸承、尾軸、尾軸后軸承、尾軸前軸承、螺旋槳配重塊、液壓推力加載裝置等構(gòu)成。其中推進(jìn)電機(jī)采用低速電機(jī)，避免因變速器振動(dòng)噪聲產(chǎn)生不利影響；加載裝置、后軸承、前軸承、推力軸承、中間軸承與基座剛性連接，推進(jìn)電機(jī)通過隔振器與基座連接；推力加載裝置模擬螺旋槳的靜態(tài)推力，通過力錘錘擊施加動(dòng)態(tài)力，組成如圖1所示。

1.2 臺(tái)架縱向特性分析

試驗(yàn)臺(tái)架中，中間軸承、推力軸承、尾軸后軸承、尾軸前軸承等均采用實(shí)船樣機(jī)，各支撐基座也基本保持與實(shí)船上的結(jié)構(gòu)特性一致，因此這些設(shè)備可模擬實(shí)船運(yùn)行狀態(tài)。推力加載裝置模擬螺旋槳靜態(tài)推力，通過力錘或激振器施加動(dòng)態(tài)激勵(lì)。試驗(yàn)中加載裝置可據(jù)試驗(yàn)要求施加不同的推力，模擬實(shí)船推力特性。與螺旋槳推力差異最大的是加載裝置在施加靜推力的同時(shí)可能引入縱向約束，從而改變軸系系統(tǒng)的縱向振動(dòng)特性，影響縱向振動(dòng)控制技術(shù)研究的準(zhǔn)確性與合理性。為此，以某船軸系減振推力軸承技術(shù)研究為例，建立陸上試驗(yàn)臺(tái)架（圖1所示），主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖1 軸系試驗(yàn)臺(tái)

表1 主要參數(shù)

采用有限元軟件ANSYS建立軸系縱向振動(dòng)計(jì)算模型，模型從彈性聯(lián)軸器從動(dòng)端到推力加載裝置，忽略彈性聯(lián)軸器主動(dòng)端與電機(jī)轉(zhuǎn)子的影響?；捎脷卧M(jìn)行仿真并通過測(cè)試驗(yàn)證，最后簡(jiǎn)化為質(zhì)量與彈簧單元，軸采用梁?jiǎn)卧╞eam188）模擬，螺旋槳配重與聯(lián)軸器的質(zhì)量用集中質(zhì)量單元（mass21）處理，推力加載裝置、推力軸承與彈性聯(lián)軸器縱向彈性采用彈簧單元（combin14）模擬。

圖2 軸系試驗(yàn)臺(tái)縱向振動(dòng)計(jì)算與測(cè)試

從計(jì)算可知，當(dāng)推力加載裝置縱向剛度很小時(shí)，一階段固有頻率約28Hz，此時(shí)推力軸承剛度起主要作用，隨著剛度的增加，一階固有頻率增大，推力加載裝置縱向剛度起主要作用，說明推力加載裝置的縱向剛度將明顯改變軸系縱向振動(dòng)特性。同時(shí)，通過對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，一階固有頻率為41Hz，與理論計(jì)算的28Hz差異很大。而且縱向振動(dòng)加速度以推力加載裝置處最大、推力軸承次之，后軸承、軸承與中間軸承較小，也說明推力加載裝置的縱向約束最強(qiáng)，縱向振動(dòng)不是由推力軸承決定，縱向振動(dòng)特性發(fā)生了明顯變化，對(duì)理論與試驗(yàn)研究帶來了干擾。試驗(yàn)中推力加載裝置采用液壓缸形式，通過調(diào)整壓力改變?cè)囼?yàn)推力，由于液壓油可壓縮性較小，在施加推力的同時(shí)引入強(qiáng)約束的可能性大，為此對(duì)于液壓加載裝置動(dòng)態(tài)特性進(jìn)一步研究。

2 推力加載裝置動(dòng)態(tài)特性分析

如圖3所示為一簡(jiǎn)單活塞缸結(jié)構(gòu)，活塞直徑為d（面積為A），液壓油深度為h，B為液壓油的體積彈性模量。液壓缸的剛度可根據(jù)外部作用力F及其引起的活塞位移S計(jì)算得到。

根據(jù)體積彈性模量B的定義：

進(jìn)而可得到靜剛度Ks計(jì)算公式如下：

圖3 靜剛度測(cè)試

其中體積彈性模量的主要影響因素包括油液中混入的空氣量、結(jié)構(gòu)剛度、液壓油溫度、液壓油壓力等。在工程應(yīng)用中，體積彈性模量通常取值（0.9～1.4）×109Pa。以圖2的液壓缸模型開展靜剛度試驗(yàn)，其中d=50mm，h=70mm。從測(cè)試數(shù)據(jù)可知，液壓缸的靜剛度約2.95×107N/m。取彈性模量1.0×109Pa進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算值為2.8×107N/m，對(duì)比分析可知，計(jì)算值與測(cè)試值接近，說明前面的靜剛度計(jì)算方法可行。在靜剛度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析液壓加載裝置的動(dòng)態(tài)特性，在試驗(yàn)機(jī)上開展動(dòng)剛度測(cè)試，圖4分別為同一頻率（10Hz）不同載荷與同一載荷（10kN、20kN）不同頻率下的動(dòng)剛度測(cè)試結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果可知，對(duì)于同一載荷下的掃頻試驗(yàn)，動(dòng)剛度隨頻率的增加呈增加的趨勢(shì)，但總體上比較穩(wěn)定，尤其是當(dāng)外載荷比較大時(shí)，動(dòng)剛度隨頻率的增加變化不明顯；對(duì)于同一頻率下的掃載荷試驗(yàn)，動(dòng)剛度隨載荷的增加而增加，但是趨勢(shì)也是越來越平緩。以15Hz、20kN的工況為例，動(dòng)剛度為38.2kN/mm，與靜剛度29.5kN/mm相比，動(dòng)靜剛度比值約1.3。

圖4 動(dòng)剛度測(cè)試

軸系試驗(yàn)臺(tái)架采用的液壓加載裝置直徑為300mm，液壓油深度50mm，根據(jù)上述計(jì)算方法可得到液壓加載裝置的靜剛度為1400kN/mm，根據(jù)動(dòng)靜比可估算出動(dòng)剛度約1800kN/mm，明顯大于推力軸承縱向剛度，試驗(yàn)中將引入很強(qiáng)的縱向約束，最終影響試驗(yàn)效果。

3 低剛度推力加載裝置研究及驗(yàn)證

3.1 低剛度推力加載裝置研究

從前面分析可知，目前常用的液壓加載裝置對(duì)軸系縱向振動(dòng)研究將帶來不利影響，必須開展低剛度推力加載裝置研究。由于氣囊具有加載力大、剛度低等特點(diǎn)，滿足縱向加載要求，因此氣囊加載是一種有效的途徑。試驗(yàn)中，往柔性密閉的氣囊中充入不同壓力的空氣，實(shí)現(xiàn)不同推力的彈性加載。氣囊推力加載裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用4個(gè)空氣彈簧進(jìn)行承載，4個(gè)空氣彈簧采用2行2列并聯(lián)的形式進(jìn)行布置，并采用雙曲式結(jié)構(gòu)的氣囊，由上蓋板、上扣環(huán)、氣囊、下扣環(huán)、緊固螺釘、下蓋板等組成。通過動(dòng)剛度測(cè)試結(jié)果可知，氣囊加載裝置的動(dòng)剛度不大于1.0×106N/m，明顯小于軸系縱向主要約束推力軸承的剛度1.8×108N/m，其縱向約束對(duì)縱向減振特性研究的影響可忽略。

圖5 低剛度氣囊加載裝置及其動(dòng)剛度

3.2 低剛度推力加載裝置驗(yàn)證

將氣囊加載裝置替換為液壓加載裝置，在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)一步開展縱向振動(dòng)特性分析，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。從測(cè)試結(jié)果可知，一階固有頻率從41Hz降低至約29Hz，與一階固有頻率的計(jì)算值28Hz接近，說明理論計(jì)算與測(cè)試相近，滿足理論研究要求。同時(shí)，從振動(dòng)響應(yīng)可看出，推力軸承處振動(dòng)加速度最大，推力軸承縱向剛度起主要作用，推力加載裝置處因氣囊剛度小，振動(dòng)加速度特別小，而且小于中間軸承、后軸承與前軸承，說明摩擦剛度大于推力加載裝置剛度。

圖6 軸系試驗(yàn)臺(tái)激試驗(yàn)

4 結(jié)束語

分析了軸系試驗(yàn)臺(tái)架的組成與特點(diǎn)，研究了推力加載裝置剛度對(duì)縱向振動(dòng)研究的影響，通過對(duì)傳統(tǒng)的液壓加載裝置動(dòng)態(tài)特性計(jì)算分析，結(jié)果表明液壓加載裝置縱向剛度過大將改變軸系固有縱向振動(dòng)特性，對(duì)于軸系振動(dòng)控制措施的制定與驗(yàn)證造成不利影響。為此，提出了低剛度氣囊推力加載裝置，并進(jìn)行理論計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證，取得良好效果。通過研究可得出以下結(jié)論：

1）軸系試驗(yàn)臺(tái)架的推力加載裝置的縱向剛度與縱向振動(dòng)特性密切相關(guān)，為了不影響軸系自身振動(dòng)特性的研究，需采用低剛度加載裝置。

2）液壓加載裝置縱向剛度較高，試驗(yàn)中采用該裝置將改變軸系自身振動(dòng)特性。

3）氣囊加載裝置縱向剛度低，由此帶來的縱向約束可忽略，試驗(yàn)中該裝置可滿足軸系縱向振動(dòng)控制技術(shù)研究要求。

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