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1、船舶軸系扭振計(jì)算和測試實(shí)例分析陳錫恩高級工程師中國船級社武漢規(guī)范研究所[430022]摘要船級社規(guī)范對軸系扭振提出了計(jì)算和實(shí)測的要求。本文對若干軸系固有頻率的實(shí)測值與計(jì)算值不一致的船舶進(jìn)行了分析,并給出了對影響其相應(yīng)計(jì)算精度的減振器、曲軸、聯(lián)軸節(jié)剛度等扭振參數(shù)進(jìn)行了修正的實(shí)例;通過實(shí)測,對無阻尼自由振動計(jì)算的振型精度亦進(jìn)行了分析,按振型推算系統(tǒng)響應(yīng)超規(guī)范要求的船舶,可根據(jù)實(shí)測振幅來調(diào)整阻尼參數(shù)并用解析計(jì)算法來評價(jià)軸系扭振特性。結(jié)果表明,精確測定出系統(tǒng)的固有頻率和振幅,從而核定軸系的扭振參數(shù),是提高扭振計(jì)算精度的關(guān)鍵所在。關(guān)鍵詞扭振固
2、有頻率剛度慣量振型阻尼解析計(jì)算法中圖分類號U664.2166.53Hz,遠(yuǎn)高于實(shí)測頻率。由于此工況僅由“主機(jī)0引言+飛輪+離合器的主動部件”組成,質(zhì)量彈性系統(tǒng)較船舶軸系動力設(shè)計(jì)階段,當(dāng)部件選型和結(jié)構(gòu)尺為簡單,單結(jié)點(diǎn)頻率精度取決于主機(jī)的扭振參數(shù)。寸初步確定以后應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的扭振固有頻率計(jì)算,單位曲柄由主軸頸、曲柄臂、曲柄梢三部分組成,但使其遠(yuǎn)離干擾力矩的頻率,在軸系工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)在扭矩作用下的變形計(jì)算十分復(fù)雜,用經(jīng)驗(yàn)公式估避免出現(xiàn)柴油機(jī)主諧次的臨界轉(zhuǎn)速,否則應(yīng)采取避算出的曲柄剛度應(yīng)進(jìn)行直接或間接實(shí)測修正。計(jì)算振措施,使運(yùn)動部件的響應(yīng)符合
3、規(guī)范要求。固有頻率高于實(shí)測值,顯然曲柄剛度取值偏大,經(jīng)與目前廣泛采用霍爾茨(Holzer)表算法來計(jì)算軸系扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率、固有振型。由于這種算法是建立在相對簡化了的力學(xué)模型基礎(chǔ)上,與實(shí)際系統(tǒng)存在一定的差別,加之一些難以確定的(曲軸剛度等)或不確定的(非線性剛度的減振器,聯(lián)軸節(jié)等)因素影響,使得實(shí)測與計(jì)算固有頻率的相對誤差大于5%的事例不時(shí)出現(xiàn)。由于不滿足規(guī)范相關(guān)的要求,測試方無法出具測試報(bào)告,驗(yàn)船師無法及時(shí)簽發(fā)檢驗(yàn)報(bào)告和證書,影響了船舶的正常航行。1根據(jù)實(shí)測的固有頻率來修正頻率計(jì)算時(shí)圖1的參數(shù)1.1修正曲軸剛度調(diào)整單結(jié)點(diǎn)頻率某輪
4、軸系為雙機(jī)并車帶調(diào)距槳系統(tǒng),系統(tǒng)和運(yùn)行工況較為復(fù)雜。在主機(jī)自由端布點(diǎn)測試,所測各工況的固有頻率與計(jì)算值的相對誤差均在10%以上。系統(tǒng)簡化的質(zhì)量彈性系統(tǒng)見圖1。該輪進(jìn)行了單機(jī)離合器脫開工況的測試,6次的轉(zhuǎn)速-振幅曲線見圖2。由圖2可知,在597r/min時(shí)清晰測得單結(jié)6次最大幅值,單機(jī)離合器脫開工況單結(jié)固有頻率為9.95×6=59.7Hz,扭振計(jì)算書該工況單結(jié)頻率為圖2·22·《船舶工程》2002年第1期表1曲柄剛度(54MNm/rad)曲柄剛度(49MNm/rad)實(shí)測共振轉(zhuǎn)速實(shí)測共振頻率工況振型(r/min)(Hz)計(jì)算共振頻率相
5、對誤差計(jì)算共振頻率相對誤差(Hz)(%)(Hz)(%)單機(jī)離合器脫開單結(jié)59759.766.5-10.362.7-4.9單機(jī)零螺距肆結(jié)60260.266.6-9.662.8-4.1雙機(jī)零螺距伍結(jié)58858.866.6-11.662.8-6.3單機(jī)滿螺距肆結(jié)59459.466.6-10.862.8-5.4雙機(jī)滿螺距伍結(jié)59559.566.6-10.662.8-5.3計(jì)算方商議將單位曲柄剛度由54修正到49MNm/橡膠高彈性聯(lián)軸軸節(jié)由于材料自然特性的影rad(降低9%),計(jì)算結(jié)果見表1。響,實(shí)際的動態(tài)剛度值往往與計(jì)算時(shí)選取值有較大另外,
6、由圖1所示的系統(tǒng)的單機(jī)離合器脫開工的偏差,通常計(jì)算值選取偏低。脫排單結(jié)、航行雙結(jié)況的單結(jié)頻率相當(dāng)于單機(jī)帶槳工況的肆結(jié)點(diǎn)頻率,的結(jié)點(diǎn)均在聯(lián)軸節(jié)內(nèi),調(diào)整結(jié)點(diǎn)處的剛度對該結(jié)點(diǎn)也相當(dāng)于雙機(jī)并車帶槳工況的伍結(jié)點(diǎn)頻率,當(dāng)修正頻率會有較大的影響,經(jīng)與聯(lián)軸節(jié)制造商(亦是計(jì)算5曲柄剛度使單機(jī)離合器脫開工況的固有頻率計(jì)算值方)商議,將聯(lián)軸節(jié)剛度由2.52×10Nm/rad修正5與實(shí)測值一致時(shí),其他各工況固有頻率的計(jì)算值與到4×10Nm/rad(提高58%),脫排單結(jié)計(jì)算頻率實(shí)測值的相對誤差也就能基本滿足規(guī)范要求。為23.08Hz(相對誤差3.4%),航
7、行雙結(jié)計(jì)算頻率1.2修正聯(lián)軸節(jié)剛度調(diào)整各工況的單、雙結(jié)點(diǎn)頻率某大型工作船簡化的質(zhì)量彈性系統(tǒng)見圖3。圖3在主機(jī)自由端布點(diǎn)測試,脫排工況單結(jié)點(diǎn)、航行工況雙結(jié)點(diǎn)實(shí)測共振頻率與計(jì)算共振頻率出現(xiàn)較大圖4誤差,見表2。表2脫排脫排航行航行單結(jié)雙結(jié)雙結(jié)叁結(jié)計(jì)算共振頻率(Hz)14.3358.6519.4558.65實(shí)測共振頻率(Hz)23.8659.2024.3361.73相對誤差(%)66.50.925.15.2圖3所示的系統(tǒng)脫排工況(I1-I4)雙結(jié)頻率相當(dāng)于主機(jī)系統(tǒng)(I1-I3)單結(jié)頻率,脫排工況雙結(jié)頻率計(jì)算值與實(shí)測值相吻合(相對誤差<5%
8、),表明計(jì)算時(shí)主機(jī)的扭振參數(shù)選取較準(zhǔn)確,航行叁結(jié)頻率計(jì)算值與實(shí)測值較吻合也證實(shí)上述的判斷。因?yàn)橐话恪爸鳈C(jī)+高彈+齒輪箱+槳”系統(tǒng)的叁結(jié)點(diǎn)頻率相當(dāng)圖5于主機(jī)系統(tǒng)單結(jié)點(diǎn)頻率。《船舶工程》2002年第1期·23·為23.33Hz(相對誤差4
