舰船推进轴系的螺旋桨激励力传递特性

俞强，王磊，刘伟

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

舰船推进轴系的螺旋桨激励力传递特性

俞强，王磊，刘伟

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

螺旋桨激励力会通过轴系向各轴承基座传递，并激发船体结构产生振动声辐射问题。为掌握螺旋桨不同方向激励力通过轴系的传递规律，利用船舶推进轴系试验台，在轴系固有特性计算与测试的基础上，测试分析螺旋桨水平、垂向与纵向激励力通过轴系向3个轴承基座的传递特性。结果表明：单方向激励力作用下，轴系会产生不同方向的耦合振动，并在基座处产生3个方向的振动，其中轴系振动固有频率有明显体现；不同方向的激励力传递路径不同，水平激励在艉轴后轴承基座处产生较大水平振动，垂向激励在艉轴后轴承和推力轴承基座处产生较大垂向振动，纵向激励在推力轴承基座处产生较大纵向振动，螺旋桨激励力通过轴系向艉轴前轴承基座的传递相对较弱；与垂向激励相比，水平激励会在3个轴承基座处产生更大的振动响应。

轴系；螺旋桨；振动；激励力；轴承基座；传递特性

0 引 言

螺旋桨是舰船艉部主要噪声源之一，其旋转时与海水作用会产生振动，这种振动一方面直接向水中辐射噪声，另一方面螺旋桨激励力通过轴系传递到基座与船体，引起船体结构振动，产生辐射噪声。因此，研究螺旋桨激励力通过轴系向船体的传递特性具有重要意义。

在潜艇艉部振动控制这一工程实际问题的牵引下，自上世纪40年代，美国开展了轴系振动与螺旋桨激励艇体振动的研究［1-3］，并于上世纪80年代进行了主动与半主动控制技术研究［4-6］，研制的轴系振动控制装置已应用于实艇。英国的研究基本同步于美国，起步于上世纪40年代并于60年代开展了轴系纵振共振调整器（RC）的研究［7］。近年来，澳大利亚新南威尔士大学与西澳大利亚大学的Pan和Dylejko，Merz等［8-12］在螺旋桨激励船体振动理论分析与控制装置研制方面开展了卓有成效的研究工作。国内在螺旋桨激励轴系与船体振动方面的研究起步较晚，但进展较快，其中曾革委等［13-24］对舰船艉部纵向激励力传递特性、振动响应、桨—轴—艇系统振动控制等进行了研究，并提出了主、被动控制措施。上述研究关注的重点是桨—轴系统的纵向振动对艉部声辐射的影响，但对螺旋桨纵向、横向激励力沿轴系向基座的传递规律这一问题缺乏直接性的研究，而该问题也是开展舰船轴系与船体基座声学设计需突破的难点之一。

本文的研究将基于本单位推进技术实验室轴系试验台架，通过在螺旋桨部位施加激励，测试其在各轴承基座处产生的振动响应信号，同时进行轴系固有特性计算与测试以剔除基座振动的影响，分析螺旋桨激励力沿轴系的传递规律。

1 试验研究方法

本研究采用的推进轴系试验台架总长约17 m，由电机驱动，设置有弹性联轴器、中间轴承、推力轴承、艉轴轴承和轴段等，是一种通用的船舶轴系试验台架，具有一定的普遍性。轴系试验台架布置图如图1所示。

图1 试验台架布置简图Fig.1 Layout of the test rig

为排除轴系旋转时的轴承摩擦振动和电动机、辅机运行产生的振动干扰，试验采用静态锤击法，即在轴系静止状态下，在螺旋桨部位采用锤击方式模拟宽带激励，轴承基座上布置振动传感器，以获取轴承基座的三向振动。考虑到电动机采用了减振器和弹性联轴器等隔振措施，中间轴承基座与推力轴承基座在一个公共基座上，故在电动机基座和中间轴承基座处不设置振动测点，在艉轴后轴承、艉轴前轴承和推力轴承3个基座上分别设置9个单向振动传感器，分别拾取基座在螺旋桨模拟激励力作用下的振动响应信号。同时，结合台架轴系固有频率与振型计算、测试结果，分析螺旋桨激励沿轴系向船体基座的传递规律。

2 轴系固有振动特性识别

设备基座上测量得到的振动信号是轴系—基座系统振动特性的体现，与轴系参数、基座参数密切相关，为剔除基座参数对轴系传递特性的影响，关注轴系自身的传递特性问题，有必要对轴系固有振动特性进行分析，以识别振动测量信号，排除基座振动特性对所研究问题的影响。

2.1 轴系固有频率理论计算

根据试验台架轴系参数，采用有限元方法建立计算模型，将轴系简化为具有环形截面的阶梯连续梁系统。每一梁段分配独立的几何特性和材料参数，用惯性元件（包含质量和转动惯量）或者嵌入式弹性联接（如联轴器）等元件模拟梁段之间的联接关系。对于螺旋桨，将其简化为具有质量和转动惯量的刚性元件，忽略桨叶的弹性作用。用线性刚度、阻尼特性描述轴承的支承特征，由弹簧质量系统建模，并将轴承支承载荷分别等效至各接触点。轴系在弹性联轴器处断开，只保留弹性联轴器的从动端，并将其简化为具有质量和转动惯量的刚性元件。通过以上步骤，将轴系简化为如图2所示的计算模型。其中螺旋桨、弹性联轴器和电动机采用集中质量单元处理，轴承与轴系用弹簧单元连接，轴段用梁单元处理，建立的有限元模型如图3所示。

图2 轴系计算模型Fig.2 Calculation model of the shafting

图3 轴系计算有限元模型Fig.3 FE model of the shafting

考虑到低频振动是轴系振动关心的重点，取100 Hz以下计算结果，水平和垂向前5阶、纵向前2阶计算频率如表1所示。

表1 轴系振动固有频率计算值Tab.1 Natural frequencies calculated values of shafting vibrations

2.2 轴系固有频率与振型测试

为验证计算结果的准确性，对试验台架的轴系进行固有频率和振型测量。测试采用传感器在固定位置拾振，通过移动锤击法获取模态参数。拾振位置根据模态计算结果进行选择，避免靠近振型节点。根据理论计算结果，轴系水平和垂向模态参数测量在螺旋桨、艉轴和推力中间轴3个位置同时进行拾振，从螺旋桨到中间轴不同轴段部位（共16处）分别进行水平和垂向锤击，获取频响函数，然后使用时域最小二乘复指数法进行模态参数辨识。受现场条件测点和锤击点的限制，轴系纵向仅测量固有频率，不测量纵向振型，纵向锤击点设置在推力轴后法兰处，拾振点位置不变。

对比轴系振动固有频率测试与理论计算结果，发现其前5阶（100 Hz以内）的最大误差约为5%，具体如表2所示。

表2 轴系振动固有频率测量值及差值Tab.2 Natural frequencies measured values of shafting vibrations and the D-values comparing to calculated values

轴系水平和垂向振型对比如图4和图5所示。从图中可以看出，理论计算振型与实测结果基本相同，轴系水平和垂向振动振型相似，1，2阶振动以艉轴振动为主。

图4 轴系水平振动前5阶振型Fig.4 First five orders lateral vibration modes in horizontal direction

图5 轴系垂向振动前5阶振型Fig.5 First five orders lateral vibration modes in vertical direction

通过理论计算与试验测试，获得了试验台架轴系固有振动频率和振型，可为传递特性分析奠定基础。

3 螺旋桨激励力传递特性测试分析

在轴系试验台架螺旋桨部位沿水平、垂向、纵向3个方向分别施加冲击激励，同时测量3个轴承基座的振动响应，研究螺旋桨部位3个不同方向激励力通过轴系向基座的传递特性。

3.1 水平激励力传递测试分析

在螺旋桨部位施加水平激励，艉轴前轴承基座、艉轴后轴承基座和推力轴承基座处3个方向的传递特性如图6所示（图中，g/N表示重力加速度每牛顿）。从图中可以看出，螺旋桨水平激励条件下轴系的传递特性有以下特点：

1）所有轴承部位都产生3个方向的振动，其中水平和纵向振动较为强烈，垂向振动相对较弱。

2）基座水平振动在10～60 Hz范围，艉轴后轴承基座位置在轴系水平固有频率16.6，51.7 Hz附近振动较大，在60～100 Hz范围，3个基座的振动相当。

图6 水平激励下振动传递Fig.6 Vibration transmissibility at horizontal impulse excitation

3）基座垂向振动中，推力轴承和艉轴前轴承基座部位的振动高于艉轴后轴承基座。

4）总体上看，基座振动最大峰值点出现在约95 Hz处，该峰值点在3个基座的3个方向振动上都有体现，说明该峰值频率是基座固有频率的可能性较小，应是轴系固有频率，该频率与轴系第8阶水平振动固有频率（94.8 Hz）接近。

5）水平激励力在基座处产生的纵向和垂向振动峰值频率体现了轴系水平固有振动频率，如16.6，51.7 Hz比较明显，说明轴系振动以水平弯曲振动特征为主。

3.2 垂向激励力传递测试

在螺旋桨部位进行垂向激励，艉轴前轴承基座、艉轴后轴承基座和推力轴承基座处3个方向的传递特性如图7所示。从图中可以看出，螺旋桨垂向激励条件下沿轴系的传递特性有以下特点：

1）所有轴承部位都产生3个方向的振动。

2）基座垂向振动中，艉轴后轴承与推力轴承基座的振动较大，艉轴前轴承的较小。

图7 垂向激励下振动传递Fig.7 Vibration transmissibility at vertical impulse excitation

3）总体上看，基座振动最大峰值点出现在约89 Hz处，与轴系第5阶垂向固有振动频率接近。

4）垂向激励力在基座处产生的水平和垂向振动峰值频率与轴系垂向固有振动频率较为接近。

3.3 纵向激励力传递测试

在螺旋桨部位进行纵向激励，艉轴前轴承基座、艉轴后轴承基座和推力轴承基座处3个方向的传递特性如图8所示。可以看出，螺旋桨部位纵向激励条件下轴系的传递特性有以下特点：

图8 纵向激励下振动传递Fig.8 Vibration transmissibility at longitudinal impulse excitation

1）所有轴承部位都产生3个方向的振动。

2）基座振动中，纵向振动高于水平振动和垂向振动，其中推力轴承基座纵向振动最大。

3）3个基座的水平振动与垂向振动相似。

4）纵向振动中，基座振动峰值点出现在39，87 Hz附近，与轴系第1，2阶纵向固有振动频率接近。

5）在水平振动和垂向振动中，基座振动峰值点出现在39，63，87和90 Hz附近，与轴系纵向和垂向固有振动频率接近，说明纵向激励会激发轴系弯曲振动。

4 结 论

本文针对螺旋桨激励力通过轴系向船体基座的传递问题，利用船舶推进轴系试验台架，测试了不同方向螺旋桨激励力沿轴系传递后在各基座产生的三向振动响应，结合轴系固有特性计算与测试结果，分析了螺旋桨激励力的传递特性。研究表明：

1）单方向的激励力会在基座处产生3个方向的振动。单向激励条件下，基座处振动响应会明显体现出与激励力相同方向的轴系振动固有频率，并占据主导地位，同时还会体现其他方向的轴系振动固有频率，说明在单向激励作用下，轴系会产生不同方向的耦合振动。

2）水平激励、垂向激励和纵向激励会在基座各自相应方向上产生较为强烈的振动，但各基座的振动响应有所区别。水平激励在艉轴后轴承基座处产生较大水平振动，垂向激励在艉轴后轴承和推力轴承基座处产生较大垂向振动，纵向激励在推力轴承基座处产生较大纵向振动，说明不同方向激励的传递路径有所不同，同时也表明螺旋桨部位激励通过轴系传递到艉轴前轴承基座相对较弱。

3）水平激励相对于垂向激励会在3个轴承基座处产生更大的振动响应。

本文的研究以大尺度舰船推进轴系模拟试验台架为对象进行，但考虑到不同推进轴系在配置与结构尺寸上会有所差异，因此，研究结果在具体的数值上会因推进轴系的不同而变化，但并不影响结论的适用性。此外，本文的研究是在轴系静态条件下进行，未考虑轴系运转时轴承润滑膜的刚度与阻尼效应，后续将针对该问题开展研究。

［1］ RIGBY C P.Longitudinal vibrations of marine propel⁃ler shafting［J］.Transactions of the Institute of Marine Engineers，1948，60：67-78.

［2］ KANE J R，McGOLDRICK R T.Longitudinal vibra⁃ tions of marine propulsion-shafting systems［J］.Trans⁃actions of the Society of Naval Architects and Marine Engineers，1949，57：193-252.

［3］ CHERTOCK G.Forces on a submarine hull induced by the propeller［J］.Journal of Ship Research，1965，9（2）：122-130.

［4］ LEWIS D W，ALLAIRE P E.Control of oscillating transmitted forces in axial thrust bearings with a sec⁃ondarymagneticbearing［J］.ASLE Transactions，1987，30（1）：1-10.

［5］ LEWIS D W，ALLAIREP E，THOMAS P W.Active magnetic control of oscillatory axial shaft vibrations in ship shaft transmission system spart 1：system natural frequencies and laboratory scale model［J］.Tribology Transactions，1989，32（2）：170-178.

［6］ LEWIS D W，ALLAIRE P E，THOMAS P W.Active magnetic control of oscillatory axial shaft vibrations in ship shaft transmission systems part 2：control analysis and response of experimental system［J］.Tribology Transactions，1989，32（2）：179-188.

［7］ GOODWIN A J H.The design of a resonance changer to overcome excessive axial vibration of propeller shaft⁃ing［J］.Transactions of the Institute of Marine Engi⁃neers，1960，72：37-63.

［8］ PAN J，FARAG N，LIN T，et al.Propeller induced structural vibration through the thrust bearing［C］//Pro⁃ceedings of Acoustics 2002.Adelaide，Australia：AAS，2002：390-399.

［9］ DYLEJKO P G，KESSISSOGLOU N J，TSO Y，et al. Optimisation of a resonance changer to minimize the vi⁃bration transmission in marine vessels［J］.Journal of Sound and Vibration，2007，300（1/2）：101-116.

［10］ DYLEJKO P G.Optimum resonance changer for sub⁃merged vessel signature reduction［D］.Sydney，Aus⁃tralia：The University of New South Wales，2008.

［11］ MERZ S，KESSISSOGLOU N J，KINNS R，et al.Re⁃duction of the sound power radiated by a submarine using passive and active vibration control［C］//Pro⁃ceedings of Acoustics 2009.Adelaide，Australia：AAS，2009.

［12］ MERZ S，KINNS R，KESSISSOGLOU N J.Structur⁃al andacoustic responses of a submarine hull due to propellerforces［J］.Journal of Sound and Vibration，2009，325（1/2）：266-286.

［13］ 曾革委.螺旋桨轴系艇体半主动控制仿真［C］// 2005年船舶结构力学学术会议论文集.舟山：中国造船工程学会，2005.

［14］ 陈志刚，吴崇健，付爱华.WPA法在舰船轴系纵向振动分析中的应用［C］//2005年船舶结构力学学术会议论文集.舟山：中国造船工程学会，2005.

［15］ 谢基榕，吴有生，沈顺根.船舶轴系子系统力传递特性研究［J］.中国造船，2011，52（1）：80-89. XIE Jirong，WU Yousheng，SHEN Shungen.Trans⁃mission characterofpropellerexcitation through shaft-line system to hull［J］.Shipbuilding of China，2011，52（1）：80-89.

［16］ 祁立波，刘艳敏，刘恺.船舶主推进轴系力传递特性研究［C］//第十四届船舶水下噪声学术讨论会论文集.重庆：中国船舶科学研究中心，2013.

［17］ 张金国，姚世卫，王隽.法兰盘式推力轴承推进轴系振动传递特性分析研究［J］.噪声与振动控制，2008，28（2）：23-25，36. ZHANG Jinguo，YAO Shiwei，WANG Jun.Research on vibration transfer characteristics of flanged thrust bearing［J］.Noise and Vibration Control，2008，28（2）：23-25，36.

［18］ 曹贻鹏.推进轴系引起的艇体结构振动与辐射噪声控制研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.

［19］ 冯国平，谌勇，黄修长，等.舰艇艉部纵向激励传递特性分析［J］.噪声与振动控制，2009，29（6）：132-135. FENG Guoping，CHEN Yong，HUANG Xiuchang，et al.Study on transmission paths in submarine stern excited longitudinally［J］.Noise and Vibration Con⁃trol，2009，29（6）：132-135.

［20］ 谌勇，张志谊，华宏星.电磁式船舶轴系纵向振动主动控制装置：CN 102072276 A［P］.2011-02-25.

［21］ 李良伟，赵耀，陆坡，等.减小船舶轴系纵向振动的动力减振器参数优化［J］.中国造船，2010，51（2）：139-148. LI Liangwei，ZHAO Yao，LU Po，et al.Optimization of dynamic absorber parameters for reducing axial vi⁃bration of ship shafting［J］.Shipbuilding of China，2010，51（2）：139-148.

［22］ 刘耀宗，王宁，孟浩，等.基于动力吸振器的潜艇推进轴系轴向减振研究［J］.振动与冲击，2009，28（5）：184-187. LIU Yaozong，WANG Ning，MENG Hao，et al.De⁃sign of dynamic vibration absorbers to reduce axial vi⁃bration of propelling shafts of submarines［J］.Journal of Vibration and Shock，2009，28（5）：184-187.

［23］ 王家盛.基于原理模型的潜艇推进轴系纵向减振技术实验研究［D］.长沙：国防科学技术大学，2009.

［24］ 王光荣.潜艇纵向振动计算及振动特性［J］.海军工程大学学报，2005，17（2）：59-62. WANG Guangrong.Longitudinal vibration calculation and vibration characteristics of submarine［J］.Journal of Naval University of Engineering，2005，17（2）：59-62.

［责任编辑：喻菁］

Transmission characteristics of propeller excitation for naval marine propulsion shafting

YU Qiang，WANG Lei，LIU Wei
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The propeller excitation transferred through shafting to the bearing bases will induce structural vibration of the ship.To obtain the transmission laws of the propeller excitation in different directions,the transmission characteristics of the propeller excitation in the horizontal direction,vertical direction,and longitudinal direction through shafting to bearing bases are studied based on the shafting natural vibration calculation and the measurement from a general marine propulsion shafting test rig.The research results show that the exciting force applied at the propeller in any direction could induce shafting coupled vibra⁃tion in different directions and structural vibrations in three directions at the bearing bases;the transmis⁃sion paths differ in directions,with the exciting force in the horizontal direction arousing greater vibration at the aft stern bearing base horizontally,the exciting force in the vertical direction arousing greater vibra⁃tion at the aft stern bearing base and the thrust bearing base vertically,and the exciting force in the longitu⁃dinal direction arousing greater vibration at the thrust bearing base longitudinally.Moreover,the transmis⁃sion of propeller exciting force to the forward stern bearing base is relatively weak,and the excitation in the horizontal direction induces greater vibratory response compared to that in the vertical direction.

shafting；propeller；vibration；exciting force；bearing base；transmission characteristic

U664.3

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.06.012

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151110.1026.026.html期刊网址：www.ship-research.com

俞强，王磊，刘伟.舰船推进轴系的螺旋桨激励力传递特性［J］.中国舰船研究，2015，10（6）：81-86，94. YU Qiang，WANG Lei，LIU Wei.Transmission characteristics of propeller excitation for naval marine propulsion shafting［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（6）：81-86，94.

2015-04-21 < class="emphasis_bold"> 网络出版时间：

时间：2015-11-10 10:26

国家部委基金资助项目

俞强（通信作者），男，1969年生，硕士，高级工程师。研究方向：舰船推进系统研究与设计王磊，男，1985年生，硕士，工程师。研究方向：舰船推进系统研究与设计。E-mail：wanglei626@126.com