熊長煒， 丁度坤， 舒雨鋒， 周 晶， 劉志偉

（1.東莞職業(yè)技術學院智能制造學院， 廣東 東莞 523808；2.東莞職業(yè)技術學院電子信息學院， 廣東 東莞 523808；3.東莞職業(yè)技術學院機器視覺與智能制造協同創(chuàng)新中心， 廣東 東莞 523808）

0 引言

船舶在水上航行時，由于海水流動作用以及船舶動力系統(tǒng)自身的原因會產生不同方式的振動，如果船舶的機械結構振動系統(tǒng)固有頻率與激勵頻率一致時，就會產生共振[1]，共振對機械系統(tǒng)損傷很大，會影響船舶的使用壽命。由于船舶動力源的功率非常大，即使船舶機械系統(tǒng)不處在共振狀態(tài)，但是由于激勵的增大也會引起機械系統(tǒng)的劇烈振動，這會影響船舶的正常行駛和機械系統(tǒng)壽命。船舶在海上行駛時，主要的振動現象有船體結構梁、船體建筑和船尾部的振動；船體板格、船體板架、船桅桿和船體機艙等的振動；動力推進裝置中軸系的振動；船體機架和船上機械設備的振動。這些振動現象影響到船體結構和機械零部件的疲勞損壞、船上機器和設備的正常運行工作以及船上工作人員的正常工作與生活。船舶的軸系是船舶發(fā)動機與螺旋槳推進器的動力傳遞系統(tǒng)，向船體傳遞螺旋槳反向推力，使得船舶向前行駛，是船舶動力裝置系統(tǒng)的重要部件。船舶的軸系主要由螺旋槳的軸、推力軸、中間連接軸以及它們的軸承聯軸器等部分組成[2]，整個軸系的可靠性是由這些機構組件的可靠性決定。

國內外對船舶軸系的振動形式以及振動產生機理的研究有很多，本文在搜集和總結已有船舶軸系振動類型和振動產生機制研究基礎上，再考慮影響軸系的振動因素，為對今后研究降低軸系特別是船舶軸系振動積累寶貴經驗。

1 船舶軸系振動產生的原因

船舶在海上行駛時會因船舶機械機構運動慣性、海水流動、螺旋槳反作用力和海風風力等因素而產生振動。當機械機構振動頻率和激勵頻率相接近時就會激發(fā)共振，振動對運動零部件磨損損耗非常大，影響旋轉零部件的使用壽命。軸系是船舶的動力系統(tǒng)傳送機構，連接船舶柴油發(fā)動機和螺旋槳，海水反作用于螺旋槳推力經過軸系機械系統(tǒng)的傳遞推動船舶向前行駛。但是由于軸系機械加工不精確和振動產生嚴重磨損，造成軸系出現動力傳遞不均勻和安裝不能同心，造成了機械系統(tǒng)不平衡的狀態(tài)，最終使得船舶的軸系產生了徑向振動、扭轉振動和軸向振動及其振動的耦合，這會使船舶尾部引起附加振動，使結構梁產生共振。

船舶在水上航行時，傳遞動力和扭矩是很大的，因此船舶動力系統(tǒng)里面有大型齒輪箱，齒輪傳動的不均勻力和力矩、安裝上的誤差、機械加工的不精確、齒輪形位公差和零件的振動磨損等對船舶的推進軸系產生激勵。另外，船舶齒輪傳動需要精密的加工工藝，這就使船舶的齒輪箱容易對軸系產生各種情況的激勵因素。

2 船舶推進軸系振動形式及危害

2.1 軸系的扭轉振動

當船舶的柴油機不能噴油、燃燒的均勻性和連續(xù)性不好和不能連續(xù)地輸出均勻轉矩的情況下就會出現扭轉振動，其次是傳遞動力齒輪的輪齒嚙合時產生沖擊力和激勵都能夠使齒輪系引起振動。由于不能完全保證船舶推進系統(tǒng)軸系的旋轉部件在安裝上精度較高，或不同心和不均勻材料產生動量不平衡等問題都會使軸系在轉動時出現質量不均勻的情況。螺旋槳遇到海水流動和反作用力時使軸系被不均勻激勵[3]。

2.2 軸系的縱向振動

由于船尾螺旋槳在不均衡工作環(huán)境中產生過大的縱向激勵，從而形成多變的推力，使得軸系在傳遞動力時產生各種各樣有害振動。當軸系的縱向振動固有頻率和扭轉振動頻率相近時，螺旋槳的軸和柴油發(fā)動機的曲軸共同完成軸系的縱扭耦合振動，而且非常顯著。采取聯合動力裝置的齒輪箱會產生較大的軸向激勵，此外柴油發(fā)動機的缸體內氣體激振力，都使得聯動裝置相對減小，船舶軸系的扭轉振動時同樣會激發(fā)縱向振動，而使得齒輪系和螺旋槳的軸產生的耦合力非常大，這將振動激勵明顯增加[4]。

2.3 軸系的橫向振動

1）由于軸系旋轉零部件的制造工藝產生質量誤差，使得旋轉部件的質心偏離其旋轉中心，使軸系處于一個不平衡的離心力工作環(huán)境下。當旋轉零部件磨損和關鍵機構發(fā)生故障時，螺旋槳會產生巨大的不平衡的離心力，不平衡的離心力在轉軸中能夠處于相同旋轉角度和旋轉方向。當轉速在達到最高臨界轉速時就會產生一定程度的共振，共振對軸系的損壞力巨大。為了防止螺旋槳產生空泡，將螺旋槳的轉速降到最低，推進軸的回轉振動頻率高于軸頻。所以船舶不會因為不平衡的離心力而引發(fā)共振。在重力作用下螺旋槳偏心質量會將激振力的頻率轉為軸頻的2 倍，因此偏心重力引起二次共振力的概率較小，如果螺旋槳和軸系發(fā)生脫落，偏心軸振動就會急劇增大從而造成船舶機械系統(tǒng)破損。

2）在各種不同的工作環(huán)境情況下，船舶軸的彎曲和剛度使轉軸圍繞著主軸的不同慣性力矩獲得船尾螺旋槳平衡，可能產生2 倍左右軸頻的二次激振力。運轉過程中抵消了轉軸的抗彎剛度，齒輪箱和螺旋槳軸系的縱向振動與扭轉振動會引起耦合的振動。

2.4 軸系的彎扭耦合振動

由于艦船船尾螺旋槳的旋轉不平衡、軸系類旋轉零部件的不平衡質量、軸承部件的軸向和徑向作用力以及傳動齒輪嚙合力等因素形成激勵，這種激勵造成了軸系彎曲振動和扭轉振動的耦合，致使軸系中的多種不平衡量激增的發(fā)生。

船舶的軸系把發(fā)動機動力傳遞給船尾螺旋槳從而產生海水（液體）對船體的推動力，因此軸向推力是影響以汽輪機發(fā)電機、水輪機和發(fā)動機為動力船舶軸系彎扭耦合振動的一個重要因素。通過簡化船舶軸系來研究軸系耦合振動，對軸系振動的作用也是一種重要的研究方法[5]。

2.5 軸系振動引起的危害

船舶軸系的扭轉振動造成發(fā)動機曲軸、中間軸的磨損和斷裂；運動零部件的連接螺栓剪切切斷；彈性連接元件破裂；傳動齒輪輪齒折斷、齒面磨損和齒面點蝕；凸輪軸斷裂；局部軸段溫度過高發(fā)熱變形等現象。

由于發(fā)動機在整個傳動系統(tǒng)中位置不同，軸系的縱向振動相差較大。當曲柄銷的彎曲應力和拉壓應力過大時，軸系的縱向振動會縮短軸的使用壽命。當齒輪輪齒的負荷過大時，會加劇齒輪齒面磨損程度。船舶軸系的橫向振動造成在螺旋槳軸上產生過大的彎曲應力，引起螺旋槳的螺栓連接失效，加劇了錐部的槳葉振動和跳動。此外，海水中化學物質的侵蝕，螺旋槳槳葉的彎曲強度和疲勞強度下降顯著，造成螺旋槳葉片錐形較大的端頭出現重大的疲勞破壞。船舶的軸系徑向振動和扭轉振動構成了軸系彎扭耦合振動，表現為船尾結構局部振動，振動造成了軸承的磨損，引起了軸襯套腐蝕和軸承密封裝置損壞[6]。

3 國內外軸系振動的研究成果

原睿奇[7]明確雙燃料發(fā)動機的工作特點，在仿真軟件中搭建了燃油和燃氣兩種模式下發(fā)動機的工作過程仿真一維模型。分別計算在全負荷工況下上述兩種模式的缸內壓力變化趨勢，并與生產廠家給定的缸內壓力進行對照比較分析，修正了一維仿真模型并驗證模型的正確性。計算和分析了各種不同工況下的缸內壓力曲線，提出了降低不同工況下缸內壓力測試成本的方法。

采用集總參數法和有限元分析的方法，建立了曲軸有限元分析模型，對軸系的扭轉振動特性進行仿真計算分析。對軸系的固有屬性進行仿真分析計算后，與生產廠家提供的參數數據進行比對結果吻合一致。考慮到往復運動零部件的重力產生激勵力矩的影響，這部分在以往研究中經常被忽略掉，分析了動力推進系統(tǒng)軸系強迫振動。總結出了燃油和燃氣兩種燃燒方式下艦船軸系扭轉振動的變化規(guī)律特性。

旅游業(yè)與電子商務的結合，也使得鄉(xiāng)村旅游經營者節(jié)省了大量人力、物力的開支；通過互聯網的手段，鄉(xiāng)村還能積極拓寬營銷渠道，獲得更大的收益；鄉(xiāng)村非常適宜推廣運營以散客、小團體等為主體的旅游市場，可以提供更加個性化和人性化的旅游服務，非常適合以民宿、風景為主題的鄉(xiāng)村旅游。旅游電子商務產業(yè)憑借自身強大的內部活力，高效運營的市場優(yōu)勢，巨大的行業(yè)帶動能力、扶貧造血能力等特性，在脫貧攻堅工作中日益發(fā)揮著顯著的作用。

對發(fā)動機單缸熄火、逆時針點火、相鄰氣缸點火不均勻等非正常工況和扭轉振動系統(tǒng)參數改變的情況進行了分析，探究發(fā)動機動力傳遞系統(tǒng)軸系的扭轉振動特性。試驗研究發(fā)現，發(fā)動機單缸熄火對軸系扭轉振動的影響較大。

劉扭扭[8]利用耦合有限元/邊界元法和子結構綜合法構建了附連水效應的螺旋槳- 軸系有限元模型及半解析模型，研究艦船軸系縱向振動特征。在100 Hz頻率以內，該系統(tǒng)的振動特征是艦船軸系一階縱向振動和槳傘狀模態(tài)所對應的特征，分析了艦船軸系- 船體基座- 船體耦合振動、聲輻射特性、各種模態(tài)對艦船船體輻射聲功率的貢獻量和作用在螺旋槳上的力譜，計算出了隔振頻率。為了控制好軸系縱向振動的問題，創(chuàng)建了共振轉換器參數優(yōu)化模型、動力反共振隔振器理論模型和軸系子結構綜合半解析模型，分析隔振器的參數對隔振性能的影響規(guī)律數據，研究了降低艦船軸系靜剛度的共振轉換器和推力軸承串聯振動控制方案及動力反共振隔振器與推力軸承并聯的軸系縱向振動控制方案。實驗結論表明，在目標頻率處動力反共振有效地減小了由軸系傳遞至基座的縱向振動，而且對軸系靜剛度和軸的縱向位移影響很微小。

周春良等建立了船舶軸系3D 模型，全面地研究了艦船軸系的振動問題、船舶軸系固有振動特性的因素、軸系的振動響應、裂紋軸非線性動力學和軸系耦合振動。利用有限元分析方法，計算分析了在各種激振力作用下船舶軸系的振動響應特性，研究發(fā)現艦船螺旋槳激勵是對軸系振動影響最重要的因素，影響非常顯著。

Zbigniew Korczewski[9]討論了船舶推進系統(tǒng)振動診斷中的一個關鍵問題，即評估螺旋槳軸系振動所消耗的從主機傳遞到螺旋槳的機械能。提出了一種簡化的計算模型，該模型允許從支座間心跨點的軸撓度幅值來評估產生扭轉振動的總能量。為驗證所建立的模型，在實驗室旋轉機械系統(tǒng)實驗臺上進行了中試試驗。在試驗中，將循環(huán)彎矩施加在一個統(tǒng)一的（圓柱）材料試樣上，在合適的尺度上模擬真實螺旋槳軸的結構和功能特性。

Raphael Pereira Spada 等[10]針對控制轉軸橫向振動進行了方法學分析。首先，通過將傳感器- 執(zhí)行器放置在控制點（軸的圓盤位置）來評價這種控制技術。結果表明，控制策略施加的運動學約束得到了準確的跟蹤，軸的橫向振動明顯減小。第二，將傳感器- 執(zhí)行器對放置在軸的軸承位置，從而遠離控制點（圓盤位置）來評價控制技術，成功地減少了軸在過第一個臨界速度時的橫向振動，以便于控制。

S.Zhao 等[11]采用阻尼吸振器（DVAs）衰減空心軸的多模態(tài)縱向振動。分析軸的動力學行為，為DVAs初始參數設計提供指導，并對DVAs 參數進行優(yōu)化。隨后，考慮到軸的中空特性，設計了DVAs 的具體結構。進一步，進行了實體建模的有限元模擬。借助傳遞矩陣法（TMM）結合子結構綜合法（SSM），建立了包含多個DVAs 的軸系動力學模型。該方法用于耦合系統(tǒng)動力學特性的計算和DVAs 吸收有效性的估計。為了驗證本文提出的TMM理論結果的有效性，利用有限元法（F）對軸振動進行了仿真。理論和仿真結果均表明，這些DVAs 的應用明顯抑制了軸縱向振動的共振峰，驗證了DVAs 吸收性能的有效性。

Tao Yan 等[12]從某超臨界700 MW 機組LP1 軸存在二階不平衡問題出發(fā)，從柔性對稱軸振動特性的數學模型推導出兩種具體的平衡方法，即奇階對稱平衡法和偶階對稱反平衡法，并證明了對稱反平衡法求解二階振動問題的有效性。

Cong Zhang 等[14]基于軸系振動理論和軸系動態(tài)特性試驗系統(tǒng)，設計了一種動態(tài)激勵下推進軸系振動的試驗方案。研究了在中、艉軸承上施加船體變形激勵時推進軸振動的性能?？紤]推進軸試驗模型中間軸承和艉軸承在水平及垂直方向上的水力激勵，模擬船體在船舶軸承上的變形。得到了軸在不同激勵下的振動特性，并討論了耦合效應。還研究了激勵幅值和方向對軸承的影響以及軸轉速對推進振動的影響。結果表明，以提高航行的安全性和可靠性為目標，船體變形尤其是中間支座上的水平船體變形激勵不容忽視，在初步設計時應予以考慮。同時，轉速和諧振頻率需要與船體變形激勵的頻率很好地設計。

Wang Zijia 等[15]考慮柴油機變載荷、結構緊湊的特點，建立了基于軸形特征的軸徑向振動平均值與不對中值的映射模型。然后設計了一種監(jiān)測方案，并基于該模型提出了一種定量的失準檢測方法。試驗結果表明，新方法的檢測精度大于90%，且不受操作條件的影響。同時，利用該方法揭示了靜態(tài)不對中度與軸心平均位置（ACAP）波動的關系，可指導靜態(tài)安裝和不對中原因分析。

R Gustavsson 等[16]為查明高軸振動的原因，進行了擴大調試。結果表明，當電機達到90%的同步轉速時，會出現共振現象，且振動水平隨轉子轉速的增加而增大，即無法對失速保護裝置進行試驗。在5.4～7.4 Hz的激勵頻率范圍內，轉輪被確定為激勵源。當激勵頻率與旋轉系統(tǒng)的特征頻率重合時，會引起不穩(wěn)定問題。不可能消除渦輪機的激振力，而且由于激振力的帶寬，在旋轉和支撐結構中增加質量及剛度，不太可能實現臨界本征模態(tài)頻率的足夠變化。對共振問題產生積極影響的措施是在系統(tǒng)中加入阻尼。采用擴展的數值模擬方法研究了徑向阻尼器安裝在上部支架與混凝土結構之間時對單元的影響。利用所開發(fā)的軟件對帶有非線性水動力導向軸承和非線性阻尼器的立式機械進行了瞬態(tài)仿真。仿真結果表明，徑向阻尼器在5.4～7.4 Hz 范圍內均能減小響應。安裝了徑向阻尼器，可在振動水平允許的情況下完成調試。

Donglin Zou 等[17]基于邊界元法，結合轉子動力學理論，建立了軸系振動激振力的預測模型。通過數值和試驗驗證了模型和程序的正確性。最后，研究了軸系振動引起的軸向激振力。結果表明，當振動幅值較小或振動頻率較低時，尾流渦的非線性效應較弱，激振力與振動幅值呈正比，與振動頻率呈平方關系。這意味著激振力的實部和虛部分別可以等效為常附加質量及附加阻尼。通過對不同螺旋槳的系列計算，提出并驗證了線性狀態(tài)下軸向激振力的簡化估算公式。

Wei Xu 等[18]為減少螺旋槳向船體的振動傳遞，采用集成軸隔振系統(tǒng)對軸承、推進裝置和輔助發(fā)動機進行支撐。為達到船體減振降噪的目標，通過改變耦合系統(tǒng)的振動傳遞路徑來衰減振動能量。基于支座處的位移響應和傳力速率，對比分析了傳統(tǒng)支撐和彈性支撐兩種不同方式的隔振效果。結果表明，整個彈性支承軸系下軸承的位移響應比傳統(tǒng)支承方法小。

Myeong Ho Song 等[19]在實際海試期間進行了一系列BSR 通道試驗，以評價不同發(fā)動機運行方式下的中間軸性能。為了估算軸系的疲勞壽命，計算了瞬態(tài)扭轉振動應力引起的損傷累積。分析結果表明，BSR 減速過程中的扭轉疲勞損傷很小，可以忽略不計，然而加速過程中的分數損傷是一個值得關注的問題。研究確定了快速通過BSR 的最佳主機運行模式，其扭振幅值最小，損傷累積分數最小，從而延長了整個推進軸系的疲勞壽命。

Kenjiro Miyake 等[20]對軸系系統(tǒng)振動和轉子的密封間隙液體流動進行了雙向流固耦合分析，通過試驗得到了充分驗證。對密封間隙液體流動進行了數值分析，求解了沿膜厚的連續(xù)性方程與動量方程。采用了依次修正壓力值和軸的加速度值的方法，抑制和提高耦合分析中的數值穩(wěn)定性，使得在每個時間步長內連續(xù)性方程和轉子運動方程都能得到滿足。經過耦合仿真分析，分析了泄漏流量和渦動幅值的頻率響應特性曲線關系。有關軸系系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析[21]，重點分析了自激振動發(fā)生的轉速引起的振動造成的不穩(wěn)定因素。從耦合分析的結果與試驗的結果一致性來分析，其分析方法是有效的。

Wei Li 等[22]闡述了轉子與定子相互作用而誘導的非定常流動與混流泵軸振動的關系特性，在流量（1.0Qdes）和偏載工況（0.4Qdes和0.2Qdes）條件下（Qdes為設計流量），在混流泵內同步進行PIV（粒子圖像測速）和軸心軌跡試驗，獲取了混流泵葉輪某一位置處轉子- 定子相互作用區(qū)域的相對速度和渦量分布，得到了軸系統(tǒng)的軸心軌跡圖和時域圖。此外，還比較了不同流速條件下的頻譜瀑布圖。結果表明，在偏載工況下，轉子- 定子相互作用流場中出現回流和流動分離現象，表明流動不穩(wěn)定。這些不穩(wěn)定流動引起的轉子- 定子相互作用產生的中頻激振力和高頻激振力是加劇軸在工頻振動的主要因素。部分負荷工況下的轉子- 定子相互作用是軸系振動惡化的主要原因。2X 頻率也在較低的水平上影響軸軌道，而其他頻率對軸振動的影響較小。研究成果可為揭示混流泵在部分負荷工況下運行時的運行特性，減少或防止軸系振動惡化提供參考和理論指導。

Jianfeng Zhong 等[23]提出了一種基于非投影條紋圖和視覺的系統(tǒng)，代替使用轉速編碼器和位移傳感器測量轉軸的IRS 和振動，實現了轉軸IRS 和軸向振動的同時測量。在軸表面粘貼復合條紋圖（CFP），作為IRS 和位移傳感器。每個沿軸向的線條紋強度包含兩個條紋周期密度（FPDs），其中每個FPD 比只對應一個轉角。利用線陣圖像傳感器記錄條紋強度，通過改變FPD 比得到時域轉角，通過定位條紋強度與參考條紋強度互相關的最大峰值得到軸向位移。因此，通過將高速攝像機的采樣幀率相乘，可以從旋轉角度準確、高效地得到紅外焦平面。仿真和試驗結果表明，該系統(tǒng)能夠同時提取IRS 和軸向位移，具有非接觸和有效性的優(yōu)點。提出的系統(tǒng)為同時測量IRS 和軸向振動提供了一種基于視覺的替代方法。

柳貢民等[24]討論了零頻響應的特點，給出了計算滾振參數的公式。許運秀對軸系軸向振動有關的幾個問題進行了研究，為軸向振動的計算提供了參考。王勇帆等[25]研究了軸系對中對軸系振動的影響，研究出了調心滑動軸承，解決了軸系有關對中的問題。研究軸系運動學，設計出了間隙微小軸承結構，提高了剛度。經過多方面的參數優(yōu)化改進，提出了解決軸在高速轉動的情況下產生的振動問題。欒春鳳[26]分析了在啟動動力系統(tǒng)過程中軸系振動問題及其處理過程各環(huán)節(jié)。錢衛(wèi)忠[27]分析了艦船軸系出現的異常振動的原因，闡述了解決振動的方法，并經真實的艦船試驗驗證得出了螺旋槳推進軸系設計方法。牛雨生等[28]創(chuàng)建了雙十字萬向聯軸器的當量簡化模型和聯軸器與船舶軸系結構模型，研究分析了萬向聯軸器的軸線夾角對軸系振動的影響和聯軸器與船舶軸系的耦合特性。研究發(fā)現，在雙十字萬向聯軸器軸線夾角變化范圍內，改變聯軸器軸線夾角對船舶軸系振動影響與改變時間長短有關系，長時間的改變將會造成軸系產生一定程度振動位移。周凌波等從船舶的軸系扭轉振動的定義、產生的危害、分析方法、耦合振動、激振力、動力傳遞和動態(tài)響應速度、試驗測試技術和振動控制技術等角度對國內外研究進行系統(tǒng)研究。黃志偉[29]研究了國內外船舶軸系縱向振動產生原因和控制振動方法，提出了防止縱向振動自動控制技術策略，研究發(fā)現主動控制效果顯著，提出了軸系縱向振動的控制技術未來發(fā)展方向。權崇仁等[30]創(chuàng)建了軸系旋轉運動振動分析模型，對軸系各種應力、轉動振動固有頻率和共振軸頻進行了仿真計算，并將結果與COMPASS 軟件仿真結果進行了對比。兩種仿真結果對比表明，數據吻合程度很高，證明了軸系扭轉振動和有限元分析模型仿真分析計算是有效的；在正常轉速范圍內，該船軸系會遇到葉片次1 階回旋共振（轉速59.7 r/min），應注意回避。李渤仲等在發(fā)動機軸系的振動試驗中發(fā)現，雖然軸系的扭轉頻率和軸向固有頻率沒有可比性，但是顯著的扭轉振動還是能夠引起軸向振動。單曲軸在受扭情況下會產生軸向收縮并引起軸向振動。陳予恕等研究了汽輪機組軸系的彎扭耦合振動問題現狀和未來展望。黃葆華等[31]對普通單軸布置軸系、帶有同步自動離合器的單軸布置軸系和多軸布置軸系的布置方案進行了詳細研究，并對軸系的典型振動故障進行了分析。從軸系振動的故障診斷和理論研究上總結了聯合循環(huán)機組軸系振動的研究進展，認為帶有同步自動離合器的單軸布置軸系和多軸布置中帶有同步自動離合器的汽輪機軸系是重點研究方向。

4 結語

船舶動力設備功率非常大，絕大多數以柴油動力裝置為主，因此船舶的軸系受振動和影響的因素非常大。所以說，在進行以柴油機為動力裝置的船舶軸系振動系統(tǒng)問題研究中，要對船舶軸系系統(tǒng)進行精確計算分析[32]，研究的重點放在螺旋槳流體、齒輪嚙合、船體等方面，只有這樣才能滿足船舶軸系振動研究的需要，更好地控制船舶軸系振動。