何江洋，何 琳，徐 偉

（1.海軍工程大學(xué) 振動(dòng)與噪聲研究所，武漢 430033； 2.船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033）

船舶新型推力軸承集成減振系統(tǒng)縱振減振能力研究

何江洋1，2，何 琳1，2，徐 偉1，2

（1.海軍工程大學(xué) 振動(dòng)與噪聲研究所，武漢 430033； 2.船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033）

以船舶推力軸承集成減振系統(tǒng)為背景，運(yùn)用傳遞矩陣法建立減振系統(tǒng)與軸系縱向耦合模型，開展推力軸承非剛性支撐后軸系動(dòng)態(tài)特性研究，重點(diǎn)分析集成減振系統(tǒng)對螺旋槳葉頻及倍葉頻的衰減能力，并結(jié)合試驗(yàn)室臺(tái)架開展試驗(yàn)。結(jié)果表明：集成減振系統(tǒng)能夠有效衰減推力軸承低頻振動(dòng)，加載線譜15 Hz衰減量達(dá)到14.4 dB；同時(shí)在推力作用下系統(tǒng)縱向位移滿足軸系運(yùn)行安全性，100 kN推力作用下位移約為0.4 mm。

振動(dòng)與波；集成減振系統(tǒng)；推力軸承；縱向減振能力

船舶艉部機(jī)械噪聲一直是各國減振降噪領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)，其中艉部大型動(dòng)力設(shè)備是其主要噪聲源[1]。當(dāng)前，動(dòng)力設(shè)備多通過減振器彈性安裝于船體基座上，借此衰減動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)向船體的傳遞，文獻(xiàn)[2]介紹了一種應(yīng)用于船舶推進(jìn)單元（MPS）的新型氣囊減振裝置(ASMS)，通過高性能元器件衰減某主推進(jìn)電機(jī)振動(dòng)，實(shí)測結(jié)果表明在10 Hz～8 kHz頻段內(nèi)減振效果大于25 dB，其船體基座加速度振級(jí)不大于70 dB，接近于背景噪聲，達(dá)到近乎理想的控制效果。

然而，對于隱身要求高、低轉(zhuǎn)速的船舶，當(dāng)動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)得到較好控制后，推力軸承振動(dòng)成為新的短板，必須采取有效技術(shù)手段進(jìn)行控制。推力軸承振動(dòng)是軸系縱向振動(dòng)的延伸，由螺旋槳交變推力引起，其振動(dòng)頻率多分布在低頻段，對應(yīng)螺旋槳葉頻和倍葉頻；同時(shí)推力軸承作為船舶推進(jìn)系統(tǒng)的重要部件，對其控制必須以保證軸系運(yùn)行安全為前提，致使控制系統(tǒng)剛度不能過低，低頻減振效果有限，這也是我國減振降噪急需突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。

現(xiàn)階段對推力軸承振動(dòng)控制的難點(diǎn)在于，其低頻減振需求與小允許變形量相矛盾。筆者提出的船舶推力軸承及動(dòng)力設(shè)備集成減振系統(tǒng)（如圖1所示），將艉部主要?jiǎng)恿υO(shè)備及推力軸承集成安裝在同一大型公共筏體上，利用中間筏體的大阻抗特性，不僅繼承了大型浮筏減振系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢，使得動(dòng)力設(shè)備振動(dòng)獲得較好的寬頻衰減量，而且改變了螺旋槳交變推力的傳遞路徑，規(guī)避了推力軸承單一部件控制系統(tǒng)剛度較大、低頻減振效果有限的問題[3]。

圖1 推力軸承集成減振系統(tǒng)示意圖

文中針對集成減振系統(tǒng)縱振減振能力開展理論與試驗(yàn)研究，建立推進(jìn)軸系與減振系統(tǒng)耦合縱向模型，對耦合縱向模型開展動(dòng)態(tài)特性研究，分析螺旋槳交變推力傳遞至減振系統(tǒng)后的傳遞特性，并結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)架，驗(yàn)證集成減振系統(tǒng)的減振效果。

1 縱振模型

對于以直接形式傳動(dòng)的船舶，主機(jī)輸出端通過聯(lián)軸器與軸系相連，因聯(lián)軸器主要傳遞扭矩，其縱向剛度較小，且推力軸承基座是螺旋槳縱向交變推力的主要傳遞路徑，故縱向振動(dòng)建模時(shí)多將研究對象限定于螺旋槳至聯(lián)軸器從動(dòng)端之間的連續(xù)軸段[4]。

應(yīng)用傳遞矩陣法建立推進(jìn)軸系與集成減振系統(tǒng)縱向耦合模型，如圖2所示。

將螺旋槳與聯(lián)軸器從動(dòng)端簡化為集中質(zhì)量，作為兩端自由邊界條件處理，忽略支撐軸承的約束作用，依照軸系截面突變處劃分為若干軸段單元，元件之間通過傳遞矩陣表達(dá)傳遞關(guān)系，最后結(jié)合兩端邊界條件得到系統(tǒng)響應(yīng)；推力軸承簡化為固結(jié)在軸系上的質(zhì)量單元以及與減振系統(tǒng)相連的等效彈簧單元；減振系統(tǒng)簡化為單自由度質(zhì)量彈簧單元并與艇體相連。綜上所述，應(yīng)用傳遞矩陣法對軸系縱向振動(dòng)建模時(shí)，總共分為三種元件：質(zhì)量元件、軸段元件及彈簧元件，其各元件傳遞矩陣表達(dá)式如下

質(zhì)量元件

軸段元件

其中下標(biāo)M、s、K分別表示質(zhì)量、軸段、彈性元件；m為參振質(zhì)量，表示螺旋槳Mp時(shí)，需考慮附連水效應(yīng)；E、S、ρ、L分別為軸段元件的彈性模量、橫截面積、密度及長度；K為彈性元件剛度，考慮阻尼時(shí)K=K?(1+jη)，η為阻尼比；k為波數(shù)，ω為振動(dòng)圓頻率。

由船舶軸系振動(dòng)可知[5]，縱向振動(dòng)建模時(shí)可依軸系物理中心線為主支（圖2中標(biāo)號(hào)①）、推力軸承簡化元件作為分支與推力盤質(zhì)量元件相連（圖2中標(biāo)號(hào)②），將分支的等效單元修正質(zhì)量元件后，沿主支由左至右即可建立系統(tǒng)縱振模型?，F(xiàn)利用集成減振系統(tǒng)右端位移為0，得到推力軸承非剛性支撐后的等效彈簧元件，如下式

其中Kth為由圖2中推力軸承簡化的彈簧單元?jiǎng)偠?；Miνi、Kiνi分別為集成減振系統(tǒng)簡化的縱向參振質(zhì)量、剛度，得

圖2 基于傳遞矩陣法的耦合縱振模型示意圖

修正后的推力軸承元件傳遞矩陣為

至此，集成減振系統(tǒng)與軸系縱振耦合模型可用以上多種元件的傳遞矩陣表達(dá)

該模型可計(jì)算集成減振系統(tǒng)與軸系縱向耦合固有特性及受迫振動(dòng)特性；結(jié)合兩端自由邊界條件，可確定表示軸系振動(dòng)固有頻率的特征頻率矩陣Teig，令其行列式為0，可得系統(tǒng)各階縱振固有頻率，求出Teig的特征值與對應(yīng)的正則化特征向量，計(jì)算各截面狀態(tài)矢量參數(shù)，可得軸系固有振型。受迫振動(dòng)時(shí)，因軸系縱向激勵(lì)力作用在螺旋槳端，直接令系統(tǒng)左端狀態(tài)矢量中FL等于激振力，即可求得系統(tǒng)受迫振動(dòng)響應(yīng)[6]。

2 算例分析

2.1 動(dòng)態(tài)特性研究

試驗(yàn)室集成減振系統(tǒng)平臺(tái)軸系參數(shù)如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)室臺(tái)架配套軸系

軸系由艉軸、推力軸Ⅰ、推力軸Ⅱ以及中間軸組成，由5個(gè)徑向軸承支撐，全長約10.4 m，其中艉軸約長6.6 m，推力軸Ⅰ約長1.9 m，均為空心軸，外徑為190 mm，內(nèi)徑為120 mm；推力軸Ⅱ約為1 m，中間軸約為0.9 m，為實(shí)心軸，外徑為150 mm；聯(lián)軸器從動(dòng)端質(zhì)量約為150 kg。為方便工程中測試集成減振系統(tǒng)的有效性，該軸系上串聯(lián)著兩型推力軸承：其中推力軸承Ⅰ采用傳統(tǒng)的剛性安裝形式；推力軸承Ⅱ剛性安裝在集成減振系統(tǒng)上，即非剛性支撐；兩型軸承可通過控制切換實(shí)現(xiàn)單獨(dú)承載，作用位置相距約1.75 m；采用外置加載設(shè)備激振，取消螺旋槳配重。以上軸系參數(shù)均為實(shí)際的確定性參數(shù)，僅推力軸承縱向等效剛度無法確定，故采用CB中經(jīng)驗(yàn)數(shù)值暫定為1×109N/m。

集成減振系統(tǒng)采用文獻(xiàn)[3]中介紹的建模方法及布置形式，分別在筏體垂向、橫向、縱向布置16、12、4個(gè)高內(nèi)壓氣囊減振器，元器件額定承載為2.5 t，固有頻率為5 Hz，橫垂剛度比為2，系統(tǒng)總重約40 t，在低頻段將筏體及上層設(shè)備看作剛體，減振系統(tǒng)縱向剛度由垂向氣囊、橫向氣囊的切向剛度與縱向氣囊的垂向剛度并聯(lián)組成，對耦合縱振模型艉端施加單位縱向力進(jìn)行掃頻，掃頻范圍為0～250 Hz，結(jié)果見圖4。

該軸系取消了螺旋槳慣性配重，在現(xiàn)有參數(shù)配置下，其1階縱振頻率數(shù)值較高，約為86.7 Hz；在傳統(tǒng)剛性支撐形式下，軸系上各點(diǎn)表現(xiàn)出較為一致的縱向振動(dòng)特性，類似一維桿振動(dòng)特征；鑒于文中關(guān)注低頻段振動(dòng)特性，且推力軸承是與集成減振系統(tǒng)耦合點(diǎn)，故僅用推力軸承響應(yīng)代替軸系低頻段振動(dòng)特性。

圖4 傳統(tǒng)剛性支撐條件下軸系上各點(diǎn)縱向位移導(dǎo)納

從圖5中可以看出，對比推力軸承Ⅰ采用的傳統(tǒng)剛性支撐，低頻段推力軸承Ⅱ采用集成減振系統(tǒng)非剛性支撐后，軸系縱向振動(dòng)出現(xiàn)了代表減振系統(tǒng)縱振模態(tài)的頻率數(shù)值，約為9.1 Hz；原軸系1階縱向固有頻率數(shù)值基本沒發(fā)生變化；此外，在27 Hz左右，推力軸承Ⅱ出現(xiàn)反共振頻率。

2.2 減振能力研究

采用力傳遞率評(píng)估集成減振系統(tǒng)在低頻段對軸系縱振的衰減能力，3.1節(jié)結(jié)果表明，推力軸承處于不同支撐位置對該軸系縱振特性影響較??；故與傳統(tǒng)剛性支撐形式對比，集成減振系統(tǒng)僅在推力軸承支撐位置處串聯(lián)了大質(zhì)量、大剛度彈簧振子；分析圖2中分支（標(biāo)號(hào)②）力傳遞特性，設(shè)螺旋槳推力Fp經(jīng)軸系傳遞至推力軸承Ⅱ處的縱向力為F2，此時(shí)推力軸承與集成減振系統(tǒng)滿足兩自由度動(dòng)力學(xué)方程

考慮阻尼時(shí)，式（9）剛度矩陣為復(fù)剛度矩陣；已經(jīng)知道螺旋槳交變推力為諧波激勵(lì)，具有葉頻及倍葉頻的特點(diǎn)；故設(shè)F2=F20ejωt，xi=xi0ejωt(i=th2，iνi)，角標(biāo)0代表諧波矢量幅值，代入式（9），可得

圖5 兩種推力軸承支撐條件下縱向位移導(dǎo)納

因此，集成減振系統(tǒng)力傳遞率表達(dá)式可用下式表示

與傳統(tǒng)剛性支撐形式相比，集成減振系統(tǒng)力傳遞率表達(dá)式中混入了減振系統(tǒng)的固有特性，這與3.1節(jié)中計(jì)算的耦合系統(tǒng)縱振特性表現(xiàn)一致。對式（11）取20倍log可轉(zhuǎn)化為dB，并設(shè)螺旋槳交變推力Fp為單位力，與傳統(tǒng)剛性支撐形式進(jìn)行對比。

從圖6中可以看出：對推力軸承采用集成減振系統(tǒng)，能夠有效衰減推力軸承低頻振動(dòng)；現(xiàn)有參數(shù)下減振頻段約從14 Hz開始，針對7葉漿，能夠?qū)崿F(xiàn)軸系≮120 r/min一倍葉頻以及≮60 r/min二倍葉頻激勵(lì)衰減；同時(shí)與傳統(tǒng)剛性支撐形式對比，20 Hz～50 Hz內(nèi)振動(dòng)衰減量≮20 dB，減振效果顯著。

3 試驗(yàn)

為驗(yàn)證減振效果，如圖7所示，試驗(yàn)室搭建船舶推進(jìn)單元1:1臺(tái)架模型，主要由加載設(shè)備、推進(jìn)軸系、推力軸承Ⅰ及基座、集成減振系統(tǒng)原理樣機(jī)組成，其中加載設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)150±15 kN、2.5 Hz～30 Hz動(dòng)態(tài)加載；推進(jìn)軸系實(shí)現(xiàn)推力傳遞，由兩個(gè)水潤滑軸承支撐；推力軸承Ⅰ為船用米歇爾式推力軸承，采用剛性支撐形式。

圖6 兩種推力軸承支撐條件下縱向力傳遞曲線

集成減振系統(tǒng)原理樣機(jī)包括主動(dòng)力設(shè)備、推力軸承Ⅱ、中間筏架及若干氣囊減振器，其中主動(dòng)力設(shè)備為動(dòng)力源，輸出扭矩；推力軸承Ⅱ剛性安裝于筏架上，是自主研發(fā)的具有徑向補(bǔ)償能力的可浮動(dòng)推力軸承，保證極端工況下軸系對中安全。該試驗(yàn)臺(tái)架可實(shí)現(xiàn)兩型推力軸承的自由切換，模擬螺旋槳交變推力兩種不同傳遞路徑。故測試時(shí)采用推力軸承Ⅰ基座處作為測點(diǎn)，分別測試推力軸承Ⅰ、推力軸承Ⅱ單獨(dú)承載時(shí)測點(diǎn)響應(yīng)的相對數(shù)值，從側(cè)面驗(yàn)證集成減振系統(tǒng)原理樣機(jī)的減振能力。

從圖8中可以看出，單頻15 Hz工況加載條件下，推力軸承Ⅰ基座處的測點(diǎn)在兩種工況下特征線譜數(shù)值有較大差別，推力軸承Ⅰ承載時(shí)為106.1 dB，推力軸承Ⅱ承載時(shí)為91.6 dB，側(cè)面驗(yàn)證了集成減振系統(tǒng)的衰減能力約為14.4 dB，減振效果顯著。

此外，還開展了原理樣機(jī)受靜態(tài)推力下的縱向位移測試，確保能夠在有效衰減推力軸承低頻振動(dòng)的同時(shí)系統(tǒng)縱向靜態(tài)位移滿足軸系運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)中以推力軸承Ⅱ單獨(dú)承載，螺旋槳交變推力經(jīng)推力軸承Ⅱ傳遞至中間筏體，加載設(shè)備輸出靜態(tài)力從1 t至10 t，測試結(jié)果如圖9所示。

從圖9中可以看出，10 t推力下系統(tǒng)縱向位移較小，約0.4 mm，且系統(tǒng)位移特性基本與加載力呈現(xiàn)正相關(guān)的線性關(guān)系，理論計(jì)算結(jié)果大于試驗(yàn)測試結(jié)果約0.56 mm，主要是由于理論模型沒有考慮組成結(jié)構(gòu)部件摩擦力的影響。

圖7 試驗(yàn)室臺(tái)架模型示意圖

圖8 2 kN、15 Hz加載條件下推力軸承Ⅰ基座縱向響應(yīng)

圖9 減振系統(tǒng)縱向位移

4 結(jié) 語

以船舶推力軸承集成減振系統(tǒng)為背景，運(yùn)用傳遞矩陣法建立軸系與減振系統(tǒng)縱向耦合模型，結(jié)合試驗(yàn)室臺(tái)架軸系參數(shù)，分析推力軸承非剛性支撐后軸系縱向特性，并開展試驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下：

（1）對推力軸承采用集成減振系統(tǒng)支撐，受10 t推力作用下，系統(tǒng)縱向位移約0.4 mm，滿足軸系運(yùn)行安全性。

（2）集成減振系統(tǒng)能夠有效衰減低頻段推力軸承振動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)果表明原理樣機(jī)對特征線譜具有14.4 dB的衰減量。

[1]何琳，徐偉，田靜.艦船隔振裝置技術(shù)及其最新進(jìn)展[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，2013，2（38）：128-136.

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Research on Longitudinal Damping Capability of a New Type Integrated Isolation System for Marine Thrust Bearings

HE Jiang-yang1，2,HE Lin1，2,XU Wei1，2
(1.Institute of Noise and Vibration,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China;2.National Key Laboratory on Ship Vibration&Noise,Wuhan 430033,China)

With the integrated vibration isolation system(IVIS)of thrust bearings in ships as the engineering background,the IVIS and the longitudinal shafting system coupled model are established by using the transfer matrix method.The dynamic characteristics of the shafting with elastic support of thrust bearing are studied.The analysis is focused on the damping capability of the IVIS for blade frequency and multiple blade frequency of the propeller.And the corresponding test is done on a test rig.The results show that IVIS can effectively attenuate the low frequency vibration of the thrust bearing and the vibration can be reduced by 14.4 dB under 15 Hz excitation.Meanwhile,longitudinal displacement of the IVIS can meet the operation safety requirement of shafting,which is nearly 0.4 mm with the action of the thrust of 100 kN.

vibration and wave;integrated vibration isolation system;thrust bearing;longitudinal damping capability.

TB53

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.04.021

1006-1355(2017)04-0105-05

2017-01-19

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51303209）

何江洋(1987－)，男，博士生，河南省新鄉(xiāng)市人，研究方向?yàn)榕灤瑒?dòng)力裝置振動(dòng)與噪聲控制。

徐偉(1980－），男，副研究員，博士。

E-mail:hjywuhan@sina.com。