張 威 曾凡明 劉金林 蔡耀全

（1.91526部隊(duì)裝備部 湛江 524064）（2.海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430033）

某電力推進(jìn)軸系校中不良狀態(tài)下響應(yīng)分析＊

張 威1曾凡明2劉金林2蔡耀全2

（1.91526部隊(duì)裝備部 湛江 524064）（2.海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430033）

針對(duì)某電力推進(jìn)軸系較短，且采用直線校中時(shí)由于磨損振動(dòng)等原因造成軸系校中不良等問題，建立了該軸系有限元模型，進(jìn)行了模態(tài)分析和直線校中。通過軸承變位模擬軸承磨損情況，計(jì)算分析了各軸承負(fù)荷情況，在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步分析了該軸系在不同轉(zhuǎn)速和螺旋槳激振力下軸系的振動(dòng)響應(yīng)，比較了各狀態(tài)下軸系截面應(yīng)力，為該軸系在設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)提供理論依據(jù)和實(shí)際指導(dǎo)，具有一定工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

軸系校中；軸系振動(dòng)響應(yīng)；沖擊載荷

Class NumberU664.21

1 引言

由于某電力推進(jìn)的軸系較短，在設(shè)計(jì)時(shí)直接采用直線校中的方法［1～2］。而軸系在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于磨損振動(dòng)等原因有可能導(dǎo)致軸系出現(xiàn)校中不良狀態(tài)，此時(shí)在螺旋槳受到激振力和脈沖載荷的作用下，軸系可能出現(xiàn)振動(dòng)幅值加大、彎曲應(yīng)力增大等不良運(yùn)行狀態(tài)［3～5］。因此通過建立該軸系的數(shù)學(xué)模型，得到可靠的分析數(shù)據(jù)對(duì)于該軸系的研究有重要的意義。本文采用有限元法對(duì)該軸系不良校中狀態(tài)下的響應(yīng)進(jìn)行分析，得到了一些有益的結(jié)論。

2 直線校中分析

在ANSYS中建立該軸系有限元模型，為更符合實(shí)際的反映軸系特征，加入螺旋槳，將其簡(jiǎn)化為圓盤，螺旋槳考慮為全浸水狀態(tài)，計(jì)及水的浮力［6～7］。并劃分網(wǎng)格，在網(wǎng)格劃分過程中對(duì)軸承等關(guān)鍵部位選擇較為密集的網(wǎng)格，共劃分為90個(gè)單元。對(duì)軸系進(jìn)行直線校中，把推力軸末端看作簡(jiǎn)支端，施加X、Y方向的約束，對(duì)艉軸前后軸承（2號(hào)、1號(hào)）作用點(diǎn)施加X、Y方向的約束，對(duì)推力軸承（3號(hào)）作用點(diǎn)施加X、Y、Z方向的約束，并考慮水和潤(rùn)滑油的浮力作用后對(duì)該軸系進(jìn)行靜力分析。經(jīng)校中計(jì)算得其變形圖如圖1所示，表1為在直線狀態(tài)下三個(gè)軸承的支反力，表2為該軸系三個(gè)軸承負(fù)荷受力限制范圍。

圖1 軸系直線校中分析變形

表1 直線狀態(tài)下軸承支反力

表2 軸承負(fù)荷受力限制

從三個(gè)軸承的受力可以看出，艉軸后軸承由于螺旋槳的作用，受力最大，但仍在允許范圍內(nèi)，相對(duì)而言，艉軸前軸承受力則較小。通過直線校中得出該軸系的軸承負(fù)荷影響系數(shù)，如表3所示。

表3 負(fù)荷影響系數(shù)（kN／mm）

從表中數(shù)據(jù)可以看出，軸承負(fù)荷影響系數(shù)數(shù)值是對(duì)稱的；在1、2號(hào)軸承不允許變位的情況下，3號(hào)軸承對(duì)1、2、3號(hào)軸承的影響力依次增大；在3號(hào)軸承正變位的情況下，將使1、3號(hào)軸承負(fù)荷增加，2號(hào)軸承負(fù)荷減小。

3 不同轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)軸系響應(yīng)分析

當(dāng)軸系工作時(shí)，螺旋槳在水中運(yùn)轉(zhuǎn)將產(chǎn)生周期性的激振力，轉(zhuǎn)速不同，激振力頻率也不同，當(dāng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的激振力頻率或倍葉頻激振力與軸系固有頻率相同時(shí)，軸系將產(chǎn)生共振，軸系在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)防止這一現(xiàn)象的發(fā)生，以免造成嚴(yán)重?fù)p壞［8～10］。當(dāng)軸系工作過程中不是直線狀態(tài)時(shí)，軸系運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)將發(fā)生改變，軸的彎曲變形將引起軸內(nèi)部應(yīng)力的變化，軸承力也將隨之變化。首先對(duì)軸系進(jìn)行模態(tài)分析，得到該軸系前三階固有頻率分別為23.92Hz、31.61Hz、60.95Hz。再次對(duì)該軸系進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析：1）分析激振力頻率在0～70Hz范圍內(nèi)時(shí)，軸系的響應(yīng)情況；2）對(duì)于軸系處于不對(duì)中情況進(jìn)行分析，在保持艉軸前后軸承位置不變的條件下，分析比較推力軸承在不變位、變位1mm及變位3mm情況下的響應(yīng)，如圖2所示為在該情況下響應(yīng)幅值最大的節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)。

圖2 軸系在不同轉(zhuǎn)速下的響應(yīng)

從圖2中可以看出，當(dāng)激振力的頻率在固有頻率附近時(shí)，該節(jié)點(diǎn)幅值明顯增大，軸系產(chǎn)生共振，前三階固有頻率的響應(yīng)中第一階最大。當(dāng)產(chǎn)生的激振力頻率在24Hz時(shí)，該節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)幅值為12.4mm，是激振力在11Hz時(shí)響應(yīng)幅值（0.0393mm）的315倍，圖3～圖4所示為軸系在直線狀態(tài)下激振頻率分別為11Hz和24Hz時(shí)該截面所在節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布，從圖中可以看出，在共振時(shí)的截面應(yīng)力相對(duì)正常工作狀態(tài)下明顯增大，其最大值是正常工作狀態(tài)最大值的629倍。

圖3 直線狀態(tài)激振頻率11Hz截面應(yīng)力分布

圖4 直線狀態(tài)激振頻率24Hz截面應(yīng)力分布

該推進(jìn)軸系的額定轉(zhuǎn)速為100rpm，當(dāng)軸系在該轉(zhuǎn)速及以下速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的葉頻激振力在0Hz～11.67Hz范圍內(nèi)，從圖2可以看出，當(dāng)軸系在這一速度范圍內(nèi)工作時(shí)，軸系不產(chǎn)生共振，節(jié)點(diǎn)響應(yīng)幅值保持在較低水平。軸系的最大轉(zhuǎn)速為211rpm，當(dāng)軸系以這個(gè)速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，螺旋槳激振力葉頻為24.62Hz，正好在第一階固有頻率附近，這個(gè)時(shí)候?qū)a(chǎn)生共振，所以軸系工作時(shí)應(yīng)該盡量避開這一工作狀態(tài)。從圖2還可看出，當(dāng)軸系不按直線校中時(shí)，在共振時(shí)的響應(yīng)幅值將增大，而且隨著校中不良量的增大，響應(yīng)幅值增大。在第一階共振頻率處，3mm變位時(shí)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)幅值比直線狀態(tài)增大了5mm。圖5～圖6為在1mm和3mm變位情況下節(jié)點(diǎn)處截面的應(yīng)力分布，和圖4比較可以看出，在第一階共振時(shí)，隨著變位的增大，截面應(yīng)力也隨著增大。

圖5 1mm變位激振頻率24Hz截面應(yīng)力分布

圖6 3mm變位激振頻率24Hz截面應(yīng)力分布

4 變位移情況下沖擊載荷作用的響應(yīng)

當(dāng)此螺旋槳在不均勻流場(chǎng)中受到?jīng)_擊載荷的作用時(shí)，軸系的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，軸承受力也會(huì)隨著沖擊載荷的作用而發(fā)生變化。

圖7 直線狀態(tài)艉軸后軸承響應(yīng)力

圖8 變位狀態(tài)艉軸后軸承響應(yīng)力

圖9 直線狀態(tài)艉軸前軸承響應(yīng)力

圖10 變位狀態(tài)艉軸前軸承響應(yīng)力

圖11 直線狀態(tài)推力軸承響應(yīng)力

圖12 變位狀態(tài)推力軸承響應(yīng)力

在這一過程中由于軸系在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中軸心線不是成一條直線，勢(shì)必會(huì)影響軸承負(fù)荷，對(duì)于較短軸系，相對(duì)剛度較大將加大位移變化對(duì)軸承受力的影響。為分析變位移情況，假設(shè)該軸系推力軸承產(chǎn)生1mm的變位，同時(shí)在螺旋槳上作用一個(gè)漸變的沖擊載荷，計(jì)算得圖7～圖12在推力軸承不同變位時(shí)沖擊載荷作用下各軸承力的響應(yīng)情況。從圖7～圖12可以看出，當(dāng)軸系推力軸承不發(fā)生變位的情況下受到?jīng)_擊載荷的作用時(shí)，各軸承受力將在不發(fā)生變位時(shí)軸承受力附近發(fā)生震蕩；當(dāng)有變位移存在時(shí)，軸承負(fù)荷在初始階段將有強(qiáng)烈變化，然后逐步恢復(fù)到正常情況下的響應(yīng)狀態(tài)。

5 結(jié)語

本文針對(duì)某推進(jìn)軸系進(jìn)行了校中計(jì)算，分析了該軸系在校中與校中不良兩種情況下受螺旋槳簡(jiǎn)諧激振力作用及沖擊載荷作用時(shí)的響應(yīng)，結(jié)果表明，當(dāng)軸系在校中不良狀態(tài)下受螺旋槳激振力作用時(shí)，將增大共振時(shí)的響應(yīng)幅值，并增大軸系內(nèi)部的應(yīng)力，當(dāng)作用沖擊載荷時(shí)，校中不良將明顯增大軸承受力的變動(dòng)幅值。通過分析計(jì)算為該軸系在設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)提供理論依據(jù)和實(shí)際指導(dǎo)。

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Response Analysis of An Electric Propulsion ShaftingMisaligned

ZHANG Wei1ZENG Fanming2LIU Jinlin2CAI Yaoquan2
（1.Equipment Department，No.91526Troops of PLA，Zhanjiang 524064）（2.College of Naval Architecture and Marine Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033）

This effort aims at the problem of shafting misaligned which due to bearing wear and vibration in geometric alignment.The finite element model of the shafting is established for the calculation of modal and geometric alignment.Through the bearing deformation simulates the wear of bearing，the bearing load is calculated.On this basis，response of vibration for shafting at different speed and propeller force are further analyzed，and then the stress of shaft section for each state is compared.This effort provides theoretical basis and practical guidance in design and operation for shafting，which has a certain practical value.

shafting aligned，vibration response of shafting，impact loads

U664.21DOI：10.3969／j.issn.1672－9730.2015.11.037

2015年5月11日，

2015年6月30日

張威，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：艦船動(dòng)力裝置總體設(shè)計(jì)與系統(tǒng)分析。