陳偉奇， 伍 銳， 劉 恒

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 a.航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.航運(yùn)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

0 引 言

螺旋槳作為船上重要的推進(jìn)裝置，在船舶運(yùn)行過程中具有很重要的作用。研究螺旋槳的固有頻率是研究螺旋槳唱音和共振問題的基礎(chǔ)。螺旋槳出現(xiàn)唱音和共振問題雖然不會(huì)對(duì)船舶的性能造成影響，但會(huì)嚴(yán)重影響船上人員生活的舒適性和船舶的隱蔽性，這一點(diǎn)對(duì)于軍船而言尤為明顯；同時(shí)，該問題會(huì)對(duì)螺旋槳及其軸系造成極大的損傷，使其使用壽命大幅縮短。為使螺旋槳具有良好的可靠性和適航性，必須保證其在工作轉(zhuǎn)速內(nèi)不發(fā)生共振，從而確保螺旋槳在工作狀態(tài)下的振動(dòng)足夠小。因此，對(duì)螺旋槳的固有頻率進(jìn)行分析具有重要意義。

目前已有很多學(xué)者對(duì)螺旋槳固有頻率問題進(jìn)行研究。謝志勇等在空氣和充水模態(tài)下分別采用有限元仿真和試驗(yàn)敲擊的方法對(duì)雙層柱殼的固有頻率進(jìn)行了分析，采用簡單模型驗(yàn)證了通過有限元分析和試驗(yàn)敲擊尋找固有頻率的可行性。李其漢等采用錘擊法對(duì)對(duì)稱安裝的2片螺旋槳葉片進(jìn)行敲擊，分析了葉片在不同槳葉連接狀態(tài)下的固有頻率，得出了不同連接方式對(duì)葉片固有頻率的影響。李小軍等采用仿真的方法對(duì)螺旋槳在水中和空氣中的固有模態(tài)進(jìn)行對(duì)比，分析了不同介質(zhì)對(duì)螺旋槳固有頻率的影響。黃政等采用有限元模態(tài)算法和試驗(yàn)方法對(duì)銅槳與碳纖維槳的固有模態(tài)進(jìn)行了分析對(duì)比，結(jié)果表明，碳纖維槳的各階固有頻率均小于銅槳。王冠等采用模型試驗(yàn)的方法對(duì)3種材質(zhì)的螺旋槳的固有模態(tài)進(jìn)行了對(duì)比，分析了不同材質(zhì)對(duì)螺旋槳固有頻率的影響。杜鵬等采用有限元仿真的方法對(duì)在不同位置附加支撐對(duì)螺旋槳固有頻率的影響進(jìn)行了探索，并對(duì)螺旋槳單葉片支撐方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文通過對(duì)DTMB4381槳在水中的固有頻率進(jìn)行測試，探究螺旋槳直徑、螺旋槳安裝位置、敲擊工具和敲擊位置對(duì)槳葉固有頻率的影響，進(jìn)一步了解螺旋槳固有頻率的測量方法，為研究螺旋槳唱音和共振問題提供試驗(yàn)支撐。

1 研究對(duì)象

此次試驗(yàn)選用DTMB4381槳作為研究對(duì)象，并采用3個(gè)不同直徑的螺旋槳模型探究螺旋槳的直徑對(duì)其固有頻率的影響。螺旋槳基本參數(shù)見表1，槳模照片見圖1。

表1 螺旋槳基本參數(shù)

a) L槳

b) M槳

c) S槳

2 試驗(yàn)方法和工況

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用錘擊法，該方法屬于寬頻帶激勵(lì)，可在1次敲擊中獲取一定頻帶內(nèi)的多個(gè)固有頻率，優(yōu)點(diǎn)是需使用的設(shè)備少，試驗(yàn)過程簡單。具體方法為：根據(jù)設(shè)計(jì)好的試驗(yàn)工況，由經(jīng)驗(yàn)豐富的操作員對(duì)已貼好傳感器的槳葉的指定位置進(jìn)行敲擊。每次敲擊都需確保在傳感器量程范圍內(nèi)，且無二次碰撞。試驗(yàn)選用貼合在螺旋槳待敲擊葉片0.6

R

(

R

為螺旋槳直徑)處的JC-2型加速度傳感器獲取激勵(lì)響應(yīng)，通過B&K2692A放大器和NI(National Instruments)采集系統(tǒng)之后，使用快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行分析，得到頻域信號(hào)，并從頻譜圖中獲取該工況下采用錘擊法激發(fā)出的固有頻率。錘擊法試驗(yàn)測量系統(tǒng)見圖2；加速度傳感器安裝情況見圖3。

圖2 錘擊法試驗(yàn)測量系統(tǒng)

a) L槳

b) M槳

c) S槳

2.2 試驗(yàn)工況

開展此次試驗(yàn)的目的是對(duì)螺旋槳直徑、螺旋槳安裝位置、敲擊工具和敲擊位置對(duì)槳葉固有頻率的影響進(jìn)行探索。由此，需設(shè)計(jì)多種工況下的對(duì)比試驗(yàn)。為更貼合實(shí)際情況，將采用剛頭對(duì)安裝在軸上的M槳的葉中進(jìn)行敲擊作為主工況，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)諸多對(duì)照工況。具體敲擊試驗(yàn)工況見表2，螺旋槳安裝位置見圖4，各工況下的試驗(yàn)均在螺旋槳完全浸沒于水中時(shí)進(jìn)行。

表2 敲擊試驗(yàn)工況

a) 螺旋槳安裝在軸上

b) 螺旋槳放置于箱底

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)各工況下的敲擊數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理之后得到的頻譜圖見圖5。錘擊法雖然能在1次敲擊中獲取一定頻帶內(nèi)的多個(gè)固有頻率，但一旦發(fā)生共振，能量會(huì)大幅度集中到某個(gè)或某幾個(gè)固有頻率上，從而導(dǎo)致其余固有頻率難以被激發(fā)。因此，此次試驗(yàn)選定每組數(shù)據(jù)中幅值最高的固有頻率作為主頻，達(dá)到主頻幅值1%的頻率視為已被激發(fā)的固有頻率。在排除50 Hz的電頻干擾之后，對(duì)所有被激發(fā)的固有頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表3。

g) 工況7

表3 不同工況下的螺旋槳固有頻率測量結(jié)果 單位：Hz

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 螺旋槳直徑對(duì)槳葉固有頻率的影響

對(duì)工況1(M槳，直徑250 mm)、工況2(L槳，直徑300 mm)和工況3(S槳，直徑180 mm)下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知：不同縮尺比的槳模的固有頻率存在很大差異，槳模的尺寸越小，其固有頻率越大。對(duì)3種螺旋槳的固有頻率進(jìn)行對(duì)比分析之后發(fā)現(xiàn)：M槳的固有頻率與L槳的固有頻率存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，二者的比值約為6∶5；M槳的固有頻率與S槳的固有頻率也存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，二者的比值約為18∶25。以上規(guī)律說明，螺旋槳的固有頻率與其縮尺比呈反比關(guān)系。對(duì)L槳和S槳的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知，二者的固有頻率比值約為3∶5，與上述規(guī)律吻合。

3.2.2 螺旋槳安裝位置對(duì)槳葉固有頻率的影響

對(duì)工況1(槳模安裝在軸上)和工況4(槳模放置于塑料箱底)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知：當(dāng)螺旋槳處于不同安裝位置時(shí)，與其接觸的物體會(huì)對(duì)螺旋槳產(chǎn)生微小影響，當(dāng)對(duì)螺旋槳進(jìn)行敲擊時(shí)，這種影響可視為螺旋槳產(chǎn)生了微小形變，由此導(dǎo)致螺旋槳的固有頻率發(fā)生了變化。由工況1和工況4下的螺旋槳固有頻率可知，在這2種工況下激發(fā)出的固有頻率中，2組數(shù)據(jù)的吻合程度較好，但放置于水箱底部的螺旋槳的固有頻率測試結(jié)果均略高于安裝在軸上的螺旋槳的固有頻率測試結(jié)果。

3.2.3 敲擊工具對(duì)槳葉固有頻率的影響

對(duì)工況1(剛頭敲擊)和工況5(軟頭敲擊)下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知：根據(jù)這2種工況下激發(fā)出的固有頻率，改變敲擊工具對(duì)已被激發(fā)的固有頻率的測量結(jié)果無影響。但是，對(duì)比剛頭與軟頭的頻譜圖之后發(fā)現(xiàn)，剛頭敲擊與軟頭敲擊在激發(fā)不同頻段固有頻率時(shí)的能力略有不同，這種差異在2 000 Hz以上頻段尤為明顯，在該頻段內(nèi)，剛頭敲擊激發(fā)固有頻率的能力強(qiáng)于軟頭敲擊。

3.2.4 敲擊位置對(duì)槳葉固有頻率的影響

對(duì)工況1(敲擊葉中)、工況6(敲擊葉梢)和工況7(敲擊槳轂)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知：不同敲擊位置的槳葉最大的區(qū)別在于其受到螺旋槳其他葉片或槳轂連接的其他物體的影響程度不同。當(dāng)敲擊槳轂時(shí)，由于敲擊位置特殊，固有頻率很容易受到其他葉片(甚至是軸)的影響；當(dāng)敲擊葉梢時(shí)，基本上可排除其他葉片和槳轂的影響。根據(jù)工況1、工況6和工況7等3種工況下激發(fā)出的固有頻率，敲擊位置對(duì)槳葉固有頻率測量結(jié)果的影響較大:敲擊葉梢時(shí)的能量最集中，最易激發(fā)共振；敲擊槳轂時(shí)受到其他葉片和軸的影響更大，能量最發(fā)散。

4 結(jié) 語

本文通過敲擊螺旋槳獲取其固有頻率，并對(duì)螺旋槳直徑、螺旋槳安裝位置、敲擊工具和敲擊位置對(duì)槳葉固有頻率的影響進(jìn)行分析，主要得到以下結(jié)論：

1) 螺旋槳的直徑越大，固有頻率就越小，其固有頻率與縮尺比呈反比。

2) 螺旋槳的安裝位置不同會(huì)對(duì)螺旋槳固有頻率測量結(jié)果產(chǎn)生微小影響，螺旋槳放置于箱底時(shí)的固有頻率測量結(jié)果略高于螺旋槳安裝在軸上時(shí)的測量結(jié)果。

3) 使用不同的敲擊工具不影響螺旋槳被激發(fā)出的固有頻率的測量結(jié)果，但不同敲擊工具激發(fā)固有頻率的能力不同，剛頭敲擊在2 000 Hz以上頻段激發(fā)固有頻率的能力優(yōu)于軟頭敲擊。

4) 改變敲擊位置，螺旋槳固有頻率測量結(jié)果會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。敲擊葉梢時(shí)的能量最集中，最易激發(fā)共振，但能被統(tǒng)計(jì)的固有頻率最少；敲擊槳轂時(shí)的能量最發(fā)散，同時(shí)固有頻率更易受到軸或其他葉片的干擾。

綜上所述，為保證后續(xù)螺旋槳唱音和噪聲色譜圖研究順利開展，在測量螺旋槳固有頻率時(shí)，建議螺旋槳安裝位置采用與噪聲測量試驗(yàn)相同的軸上安裝位置，敲擊工具采用激發(fā)中高頻固有頻率能力更強(qiáng)的剛頭工具，敲擊位置選取葉梢,以該工況下測得的固有頻率為主要觀察對(duì)象，同時(shí)采用敲擊葉中所測固有頻率作為輔助加以分析。