船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究
船舶轴系扭振产生的原因及对策
• 90 •内燃机与配件船舶轴系扭振产生的原因及对策杨帆(台州理工船舶工程设计有限公司，台州318000)摘要：船舶轴系作为船舶推进系统中重要的构成部分，而轴系产生的扭振则是导致船舶推进系统出现各类事故的重要原因之 一。
本文笔者在分析船舶轴系扭振产生的原因的基础上，就如何削减船舶轴系扭振提出了几点措施，希望为提高船舶运行的安全性尽 微薄之力。
关键词：船舶轴系扭振;原因；削减措施0引言在船舶运行过程中，柴油机轴系扭振已经成为威胁船 舶安全运行的动力装置之一，因此要想提高船舶动力装置 的安全性，首先要找到船舶轴系扭振产生的原因，然后采 取有效措施，从而为装置的安全运行提供保障。
1船舶轴系扭振分类及原因扭振主要指的是所有拥有惯性和弹性的物体，因为受 到外力作用而出现振动的现象。
对船舶来说，同样存在着 轴系扭振的现象，船舶柴油机轴系振动形式主要包含横向 振动、纵向振动、扭转振动三种。
而上述三种振动中，扭转 振动产生的危害最大，扭转振动简称为扭振，船舶轴系扭 振的产生在很大程度上跟其主机有关，当船舶的柴油机发 生间歇性燃烧与喷油、输出的扭矩不均匀时便会产生扭 振；齿轮箱的咬合冲击和误差激励会导致齿轮系统发生误 差，出现扭振。
船舶在不断推进过程中会因为轴系上的部 件安装不正确，存在对中偏差或者材料不均匀等均会引起 船舶轴系在行使过程中出现质量不均匀的情况。
除此之 外，在工作状态下，螺旋桨还会受到环境因素的影响，从而 产生不均匀流畅不均匀激励轴系。
在柴油轴系出现扭振 时，通常情况下不会给船舶带来振动的不适感，这也是轴 系扭振容易被忽视的主要原因，若该扭振无法得到重视， 稍有不慎便可以引发重大安全事故。
另外，当发动机处于 主临界速度运转时，自由端的传动齿轮箱常常会产生出较 大的噪声，此时检查齿轮便可以发现有剥落或者腐蚀等情 况，严重时还可能出现断齿事故[1]。
2削减船舶轴系扭振的措施2.1减小激振力矩由于轴系扭振的动力根源为激振 力矩，而若想降低激振力矩，只需要直接减少扭转的幅度 即可，归纳起来，可以采取以下方法：① 将柴油机更换成推进电机。
船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究
船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究【摘要】本文通过一些国内因轴系扭转振动而引起的断轴断桨的事故实例，来分析引起轴系扭转振动的主要原因，分析扭振主要特性，并提取一些减振和防振的基本控制措施。
【关键词】船舶柴油机轴系扭振危害分析措施在现代船舶机械工程中，船舶柴油机轴系扭转振动已经成为一个很普遍的问题，它是引起船舶动力装置故障的一个很常见的原因，国内外因轴系扭转而引起的断轴断桨的事故也屡见不鲜，随着科学水平的提高和航运业的发展，人们越来越重视船舶柴油机组的轴系扭转振动，我国《长江水系钢质船舶建造规范》和《钢质海船入级与建造规范》（简称《钢规》）和也均规定了在设计和制造船舶过程中，必须要向船级社呈报柴油机组的轴系扭转振动测量和计算报告，以此来表明轴系扭转振动的有关测量特性指标均在“规范”的允许范围内。
1 船舶柴油机轴系扭转振动现象简介凡具有弹性与惯性的物体，在外力作用下都能产生振动现象。
它在机械，建筑，电工，土木等工程中非常普遍的存在着。
振动是一种周期性的运动，在许多场合下以谐振的形式出现的，船舶振动按其特点和形式可分为三种，船体振动，机械设备及仪器仪表振动，和轴系振动。
船舶柴油机轴系振动按其形式可分为三种：扭转振动，纵向振动，横向振动。
柴油机扭转振动主要是由气缸内燃气压力周期性变化引起的，它的主要表现是轴系上各质点围绕轴系的旋转方向来回不停的扭摆，各轴段产生不相同的扭角。
纵向振动主要是由螺旋桨周期性的推力所引起的。
横向振动主要是由转抽的不平衡，如螺旋桨的悬重以及伴流不均匀产生的推力不均匀等的力的合成。
船舶由于振动引起的危害不但可以产生噪音，严重影响旅客和船员休息，还会造成仪器和仪表的损害，严重的时候甚至出现船体裂缝断轴断桨等海损事故，直接影响船舶的航行安全。
而在船舶柴油机轴系的三种振动中，产生危害最大的便是扭转振动，因扭转振动而引起的海损事故也最多，因此对扭转振动的研究也最多。
而且当柴油机轴系出现扭转振动时，一般情况下，船上不一定有振动的不适感，因此这种振动也是最容易被忽视的一种振动形式，一旦出现扭转振动被忽视，往往意味着会发生重大的事故。
船舶轴系扭振计算与测量分析简介
船舶轴系扭振计算与测量分析简介高莹莹(青岛齐耀瓦锡兰菱重麟山船用柴油机有限公司技术部)摘要：随着现代船舶计算的发展,船舶轴系扭转振动成为船舶动力装置安全运行的重要因素之一,各船级社规范也对船舶轴系扭振提出了计算和实测的要求，本文结合实例对船轴系用霍尔茨法进行自由振动计算和采用能量法进行共振计算进行了简单介绍,结合实船的扭振测量的结果和理论计算结果进行对比分析.结果表明,采用精确的原始轴系数据和柴油机参数,使得扭振计算的理论结果和实测结果非常吻合,本船的理论计算值符合实船状况,转速禁区设定正确.关键词:当量系统霍尔茨法能量法测量修正随着船舶工业的发展,造船数量和吨位不断增大,造船行业对造船技术的工艺和质量要求越来越高。
高质量、高效率的生产设计离不开现代化的技术支持。
然而船舶柴油机轴系的扭转振动是影响船舶动力装置安全运行的重要动力特性之一。
轴系振动计算不但对深入研究船舶推进轴系的可靠性、安全性、用于动力装置故障诊断等具有重要意义，而且是船舶推进轴系设计、制造、安装和检验比不可少的环节之一，为推进装置可靠安全运行提供了有力保障。
基于此，本文结合一30万吨VLCC船舶的轴系实例对船舶柴油机扭振计算和测量分析做了简要的概述。
1，当量系统的转化根据有关轴系振动理论，船舶柴油机及推进轴系实际就是一个多质量有阻尼强迫振动系统。
实际计算分析中，可以将其转化成为若干用无惯量的轴连接起来的集中质量系统，称之为当量扭振系统。
为了使转化后的当量扭振系统能代表实际的轴系的扭振特性，一般要求：当量扭振系统的固有频率应与实际系统的固有频率基本相等；其振型与实际的振型相似。
如下图Fig.1为一30万吨VLCC油轮轴系的当量扭振系统模型。
该船安装的是瓦锡兰7RT-flex82T电喷柴油机，主机的额定功率31640Kw，额定转速80rpm。
中间轴长9927mm，直径700mm，抗拉强度为590N/mm2;螺旋桨轴长10233mm，艉轴承处直径850mm，抗拉强度为590N/mm2。
船舶轴系扭转振动有限元分析及求解
有限元法的基本思想是“化整为零 ”,即化复杂的不规则的整体为有限个单元的集合 体 ,以一定程度的近似为代价求出扭振系统的数值解 。具体地说 ,借助于有限元法 ,可以把 一个复杂的连续体看成是若干个基本离散单元的集合体 ,对扭振而言 ,有限元法使连续的扭 振问题变成一个有限自由度系统的振动问题 ,从而使得问题可以借助于线性方程组求解 。
一 引 言
船舶柴油机动力装置轴系的扭转振动是影响该动力装置安全运行的重要动力性能之 一 ,也是当前柴油机推进装置的重要故障原因之一 ,世界多数国家的船舶检验机构规定 ,超 过 150马力的内燃机动力装置必须进行扭转振动计算和测量 ,中国船舶标准化技术委员会 专业标准也有类似的规定 。目前 ,扭转振动计算方法有多种 ,计算的内容是进行系统的自由 振动和强迫振动计算 。自由振动计算的方法很多 ,如 Holzer法 、Tolle法 、Tepckux法等 ,以往 以 Holzer表格法应用较多 ;强迫振动计算多采用能量法 、放大系数法 。本文主要在 matlab7. 0环境下采用直接求解法求解自由振动 ,采用振型叠加法求解强迫振动 。matlab是近年来 开始流行的实用性工程数学计算软件 ,它以矩阵为计算基本单元 ,本文利用其强大的矩阵计 算功能进行轴系扭转振动计算 。
k1
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- k1 k1 + k2 - k2 …
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K= … … … … …
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… - kn - 2 kn - 2 + kn - 1 - kn - 1
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- kn - 1
kn - 1
对单支系统 ,矩阵带宽为 3;
毕业论文-船舶轴系扭转振动的研究
毕业论文-船舶轴系扭转振动的研究
摘要
轴系在工作过程中，承受着不断变化的扭矩、推力及弯曲力矩作用，因而船舶轴系在运动过程中可能产生以下三种形式的振动：扭转振动，回旋振动和纵向振动。
本文主要针对扭转振动的计算进行软件系统的开发。
船舶轴系在发动机、螺旋桨等周期性扭矩激励下所产生的周向交变运动及其相应变形即为船舶轴系的扭转振动。
在世界各国的船舶规范中，
都列有共同的条款，凡是船用柴油机（主机或辅机）和气轮机动力装置，均必须通过扭转振动的计算，测试的检验，合格之后方可投入运营。
这是因为船舶轴系的扭转振动常常
是造成严重事故的主要原因之一，而且扭转振动还常常会诱发船体、动力装置的强烈振动和噪声，传动轴系的断裂，发动机零件磨损的加剧等等问题。
随着柴油机功率、转速的不断提高，与其配套的动力装置样式也越来越多，出现严重的扭转振动现象也就逐步增加了，同时，对船舶轴系扭转振动的研究也得到了进一步的发展。
本文分析了我国轴系扭转振动研究的情况及与世界先进水平相比较的差距;简单介绍了扭
转振动的一些理论和计算方法。
并以163000DWT油轮为例编写了扭转振动计算的软件。
用计算数据做校核计算，得出结论。
关键词: 船舶轴系；计算程序；扭转振动校核
I。
船舶轴系振动研究与发展方向
旋振动的固有频率相对降低。目前虽采 用较之前更复杂 的计算 模型 ， 但很多不确定的因素的影响 ， 计算精度也很难得到保证 。
目前 ， 针对船舶轴系横 向振动 的理论研究 已经 日趋成熟 ，
船舶轴系推进系统 中 ，扭 转振动将会激发纵 向振 动 ，并
国外针对柴油机 曲轴纵向振动的研究较早 ，从 ２ ０世纪 ３ ０ 年代左右就开始了，欧洲科学家 Ｐ ｏ ｏ ｌ ｅ在上世纪 ４ ０年代发表 了这一研究领域的论文。 但 是直到 ２ ０世纪 ６ ０年代才开始对船 舶柴 油机推进轴系 的纵 向振动研究１ ４ － ５ １ ，之所以时间延迟这 么
研究船舶轴系振动现象的发生和控制 方法 将尤 为重 要。
装置 ，而 船舶轴系又是船舶动力装置 的核 心部件 ，船舶轴系
对于船舶轴系扭转振动 的研究来说，目前这方面研究已经趋 于成熟＿ ２ 。 】 ，研究的关键工作是对扭转振动 的力学参数要严格测 定，并采用多种方法进行研究，比如传递矩阵法和有限元法等。
２ ． 船舶 轴 系纵 向振 动研 究
能否 正常 的运行将关系到船舶 的安全 。然而 ，船 舶轴 系 由于 安装过程 中的人为、技术、材料 的质量及其 自身 的不平衡 等
且 ，当两者 的转速相差 不大时更加容易激发 产生纵 向振动 『 １ １ 。 对于船舶轴系来说 ，在外界 干扰力影响下 ，其变形和振 动的
但是某些研究领 域尚缺少实验数据支撑 ，说服力 较小 。针对 系统振动响应的研究 ， 还仅仅局 限在 实验室研 究和理论分析 ，
还没有成熟的、系统性的理论进行验证 。
中图 分 类 号 ：Ｕ ６ ６ ４ ． ２ １ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章编号：１ ０ ０ ６ — ７ ９ ７ ３（ ２ ０ １ ５ ）０ ４ － ０ １ １ ６ — ０ ２
船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究
船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究作者：田浩鹏来源：《中国科技纵横》2013年第15期【摘要】本文通过一些国内因轴系扭转振动而引起的断轴断桨的事故实例，来分析引起轴系扭转振动的主要原因，分析扭振主要特性，并提取一些减振和防振的基本控制措施。
【关键词】船舶柴油机轴系扭振危害分析措施在现代船舶机械工程中，船舶柴油机轴系扭转振动已经成为一个很普遍的问题，它是引起船舶动力装置故障的一个很常见的原因，国内外因轴系扭转而引起的断轴断桨的事故也屡见不鲜，随着科学水平的提高和航运业的发展，人们越来越重视船舶柴油机组的轴系扭转振动，我国《长江水系钢质船舶建造规范》和《钢质海船入级与建造规范》（简称《钢规》）和也均规定了在设计和制造船舶过程中，必须要向船级社呈报柴油机组的轴系扭转振动测量和计算报告，以此来表明轴系扭转振动的有关测量特性指标均在“规范”的允许范围内。
1 船舶柴油机轴系扭转振动现象简介凡具有弹性与惯性的物体，在外力作用下都能产生振动现象。
它在机械，建筑，电工，土木等工程中非常普遍的存在着。
振动是一种周期性的运动，在许多场合下以谐振的形式出现的，船舶振动按其特点和形式可分为三种，船体振动，机械设备及仪器仪表振动，和轴系振动。
船舶柴油机轴系振动按其形式可分为三种：扭转振动，纵向振动，横向振动。
柴油机扭转振动主要是由气缸内燃气压力周期性变化引起的，它的主要表现是轴系上各质点围绕轴系的旋转方向来回不停的扭摆，各轴段产生不相同的扭角。
纵向振动主要是由螺旋桨周期性的推力所引起的。
横向振动主要是由转抽的不平衡，如螺旋桨的悬重以及伴流不均匀产生的推力不均匀等的力的合成。
船舶由于振动引起的危害不但可以产生噪音，严重影响旅客和船员休息，还会造成仪器和仪表的损害，严重的时候甚至出现船体裂缝断轴断桨等海损事故，直接影响船舶的航行安全。
而在船舶柴油机轴系的三种振动中，产生危害最大的便是扭转振动，因扭转振动而引起的海损事故也最多，因此对扭转振动的研究也最多。
船舶推进轴系的扭转振动与控制
当量轴段长 6）轴系中有弹性联轴器或气胎离合器时，应把它们的主、从动
部分分为两集中质量 7）轴系中有液力偶合器时为界，分成两个独立的扭振系统 8）被发动机拖动的机械，转动惯量大的也要作一集中质量
二、多质量系统无阻尼简谐振动计算
等，振幅不同，惯量大的振幅小，惯量小 的振幅大，且振动方向永远相反。
振型图
A1
e12 O
A1
单结 A2
e12
e23
单结
A1
A2
双结
取A1=1，A2=-I1/I2， O为结点，振幅为0， 应力最大，双质量 只有一个结点。
A2
三质量系统有两个
自振频率，单结或
双结，即两个结点。
A3 A3
n个质量就有n-1个 振型，n-1个自振 频率。
(
2 n
2)2
4n 2 2
2 n
2
Asin(t )
A
h
h
1
(
2 n
2)2
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2
2 n
[1 ( n
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4
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பைடு நூலகம்
2 n
M I
Ie
Me
Ast
静振幅
放大系数
m A Ast
1
f ( , )
[1 ( )2 ]2 ( )2
n
n
n
讨论：
1)
0
n
m 1
有因
IK
次
eK,K+1
AK
n2
Uk,,k+1=(AK+1-AK)/ eK,K+1
船舶轴系扭转振动校核及案例分析
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0.123
2.539E-07
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中国水运
第 21 卷
根据《钢质内河船舶建造规范》（2016），案例船有 6 缸， 应计算航行工况和离合器脱开工况及在这两种工况下每一缸 熄火工况的扭振计算。通过 COMPASS 软件的计算，得出上 述工况下的曲轴扭转振动应力、中间轴扭转振动应力、螺旋 桨轴扭转振动应力、齿轮啮合处振动扭矩、弹性联轴器振动 扭矩。
3.704E-07
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船舶轴系的振动与控制分析船舶专业毕业设计毕业论文
船舶轴系的振动与控制分析摘要本文主要进行船舶轴系振动的模态分析（固有频率与固有振型），通过MATLAB 平台实现了船舶轴系纵向振动模态计算的通用程序，并且分别应用该通用程序与ANSYS中的模态分析计算了船舶轴系扭转振动与纵向振动（给定轴系）的模态，并对所计算的结果进行了对比与分析。
同时，本文也介绍了船舶轴系强迫振动的计算以及船舶轴系振动的控制分析。
本文以船舶推进轴系的振动为研究对象，查阅了国内外大量文献，首先介绍了船舶推进轴系振动的分类，接着以一种通俗的方式阐述了各种振动的机理。
其次论述了轴系振动计算的几种常用的方法：霍尔兹法、传递矩阵法与有限元法。
接着论证了传递矩阵法的可用性，以及在什么情况下使用该方法可以达到所需的精度要求。
然后通过MATLAB平台实现了船舶轴系振动（包括扭转振动与纵向振动）的通用程序。
紧随其后，使用该程序计算了一个扭转振动与纵向振动的实例，再后来使用ANSYS对同样的例子进行了计算分析，通过比对，证实了通过MATLAB平台实现的通用程序计算的结果是令人满意的。
随后介绍了轴系的强迫振动及计算强迫振动的传递矩阵法，并给出了该方法的一个简单的算例，之后介绍了避振的几种思路。
最后对研究成果和有关问题进行了总结，对研究中的不足作了说明，对今后的工作做出了展望。
关键词：纵向振动，传递矩阵法，有限元法，通用程序，强迫振动Analysis of Vibration and ControlOn Ship ShaftingAbstractThis paper is mainly researching the vibration characteristics on ship shafting (natural frequencies and mode shapes). Through the platform of MATLAB, we get the general program which can calculate the mode of the longitudinal vibration and torsional vibration on ship shafting, and using this general program, an instance is calculated. ANSYS is applied to, too. And then both of the calculated results were compared and analyzed. At the same time, the paper also describes the calculation of the forced oscillation of ship shafting and the analysis of ship shaft vibration control.In this paper, viewing vibration of ship propulsion shafting as the research object, I consulted relevant data at home and abroad. First, I have introduced the classification of ship propulsion shafting vibration, and then described in a easy manner to various vibration mechanism.Next, several commonly used methods to vibration calculations are discussed: the Holzer method, the transfer matrix method and the finite element method.Then the availability of the transfer matrix method is demonstrated, and also is the required precision when we can achieve by the method.After that, through the platform of MATLAB, we get the general program which can calculate the mode of the vibration (including the longitudinal and the torsional vibration) vibration on ship shafting. Then we use the general program to calculate an instance of longitudinal and torsional vibration. And then we use ANSYS to calculate the same example. By comparison, we confirm the results by the general program through MATLAB platform are satisfactory.Then we introduce the forced vibration of ship shafting and the transfer matrix method of the forced vibration, and a simple example is showed, after that we introduce several ideas to avoid vibration.Finally, a summary about the achievement and problems is presented. An explanation of imperfectness in the study and pieces of advisement for the future work is given.Key words: Longitudinal Vibration，Transfer Matrix Method，Finite Element Method，General Program, Forced Vibration目录摘要........................................................................................................................ I ABSTRACT ................................................................................................................. I I 目录 ................................................................................................................ III 一绪论 (1)1.课题研究的目的和意义 (1)2.国内外研究概况 (2)3.本文主要工作 (3)二船舶轴系振动简介 (5)1.纵向振动 (5)2.扭转振动 (6)3.回旋振动 (7)三轴系振动计算方法 (9)1.霍尔兹（Holzer）法 (9)2.传递矩阵法 (11)3.有限元法 (19)四轴系振动通用程序实现 (23)1.船舶轴系的构造 (23)2.轴系振动通用程序实现 (25)3.轴系振动通用程序的应用与检验 (28)五船舶轴系振动的控制 (46)1.船舶轴系的强迫振动 (46)2.船舶轴系强迫振动的传递矩阵法 (46)3.强迫振动算例 (48)4.船舶轴系避振措施 (50)六总结 (52)1.结论 (52)2.设计评价和展望 (52)致谢 (53)附录 (54)参考文献 (62)一绪论1.课题研究的目的和意义声明：本论文中除特殊说明之外出现的所有物理量的单位均为国际制单位，即长度为米，时间为秒，质量为千克等。
船舶轴系扭振计算与测量分析
—
Ｕ ｋ ＝∑ ：
＾＝１ ｈ 十 ２
－
ｋ＋ｌ
Ｏ ／ ｋ ＋ １
Ｕ ＋ｌ 一
．
∞
川
ｎ
％ Ｏ ｌ ｎ ＿ １ 一
Ｕ ｎ － ＝∑∞ ： ％
ｎ＝１
将 上式 列 成表 格 即为表 １ 霍 尔 茨表 格 ， 其 形式 如 下 ：
系用霍 尔茨法进行 自由振动计算和采用能量法进行共振计算进行 了简单介绍 ， 结合 实船 的扭振 测量的结果和理论计算 结果进行对比分析。结果表 明， 根据精确的原始轴 系数据和 柴油机参 数， 扭 振计 算 的理论 结 果和 实测 结果 非常 吻合 ， 本船 的理论 计 算值符 合 实船状 况 ， 转 速 禁 区设 定
该船安装 的是 瓦锡 兰 ７ Ｒ Ｔ—ｆ ｌ ｅ ｘ ８ ２ Ｔ电喷 柴油 机， 主机 的额 定 功 率 ３ １ ６ ４ ０ Ｋ Ｗ， 额定 转速 ８ ０ ｒ ｐ ｍ。
中 间 轴 ９ ９ ２ ７ ｍ ｍ， 直径 ７ ０ ０ ｍ ｍ， 抗 拉 强 度 为
收稿 日期 ： ２ ｏ １ ３— ０ ３— ０ １
２ 自由振 动计 算
对 于多质 量 扭 振振 动 系统 的 自 由振 动 计 算 ， 目前 普遍 采用 的是 霍 尔茨 法 。它 是 一种 逐 次渐 近 法， 通 过 数次渐 近求 得近 似 的固有频 率 。 系统 第 ｋ一１质量 与第 ｋ质 量 间 的轴 段 弹 性 力矩 为 ： Ｕ ㈦ ｋ质量 产 生 的惯 性 力 矩 Ｓ ； 第 ｋ与 第 ｋ＋１质量 间 的轴 段弹 性力矩 ｕ ＋ 。 。
第一作者简介 ： 殷志飞 ， 男， 讲 师
・
２ ８・
２ ０ １ ３ 年第 ２ 期
船检局开展船舶轴系扭振研究
98船检局开展船舶轴系扭振研究了解甚少，基本不能进行扭转振动计算。
那么，船检局又该如何帮船东解决船舶扭振事故分析、解决问题，以及如何帮设计单位提交关于轴系扭转振动计算，成为船检局凭借技术实力为业界解决实际困难的科研攻关。
随后，经交通部科技局批准，船检局上海办事处和交通部上海船舶运输科学研究所正式将《轴系扭转振动研究》作为科研课题，由许运秀任该课题组组长，全面开始了船舶轴系扭转振动研究的计算方法及实船扭转振动测量工作。
将理论依据融入实船故障分析船检局在船舶轴系振动研究过程中，除帮助设计、科研和制造单位解决了大量设计、计算及测试中出现的问题外，还在处理实船重大故障中发挥了至关重要的作用。
“红救6”号大马力拖轮，主机功率为2600匹，由上海船舶设计院设计，东海船厂建造，该船使用98中国船检 CHINA SHIP SURVEY 2021.4从1972年起，特别是在《1973年钢质海船建造规范》后，船检局开始全面投入对规范科研方面的力量，不断提升规范的含金量。
对此，船检局上海办事处研究上报了一批科研项目，这是船检局首批向交通部科技局申报的科研项目，船舶轴系扭转振动研究就是其中之一。
船检局不仅对规范进行了修订，还针对现场船舶扭振事故分析、帮助改进和解决问题。
这也是船检局首次以科研力量帮助船东解决实际问题，对保障船舶安全营运，为船舶提供全生命周期服务，并促使我国轴系设计水平与质量得到全面提高发挥了重要的作用。
开展轴系扭振测试、计算和分析工作20世纪70年代初，船舶使用柴油机作为推进动力后，船检局在日常检验中发现，与船舶轴系扭转振动故障所引发的事故频繁出现。
于是，要求上海办事处专门组织力量开展关于新造船舶柴油机动力装置的轴系扭转振动的测试和计算分析工作。
许运秀，原船舶检验局/中国船级社上海规范所所长、中国船级社科研中心副主任，从事船舶规范/法规研究及其相关科研工作，曾多次担任主要法规、规范的主编及重大科研课题组长，特别是在柴油机、轴系强度、轴系校中、机械和轴系振动等多方面的理论和复杂的技术难题上，具有丰富的工作经验。
船舶复杂轴系扭振计算研究及其应用
船舶复杂轴系扭振计算研究及其应用船舶复杂轴系扭振计算研究及其应用船舶是一种大型复杂的机械结构，它在航行过程中会受到许多不同的力和振动的作用。
其中，轴系扭振是船舶运行中不可避免的问题。
轴系扭振不仅导致了能量的损失，还会给船舶的结构和设备带来损害，甚至威胁到船舶的安全。
因此，对船舶复杂轴系扭振进行研究和计算，具有重要的理论和应用价值。
一、轴系扭振的产生原因轴系扭振是由于主机和驱动设备的功率、转速和转矩等因素的变化所引起的。
这些因素的变化往往是不规则的，并且受到液动力、气动力、悬挂系统和支撑系统等因素的干扰，从而引起了船舶轴系扭振问题的产生。
二、船舶复杂轴系扭振的计算方法为了对船舶复杂轴系扭振进行计算和分析，需要采用一种有效的方法来模拟船舶复杂轴系结构的动态特性。
目前主要的计算方法有有限元方法和刚柔耦合方法。
1、有限元方法有限元方法采用离散法对船舶轴系结构进行离散化，将结构划分为有限个小单元，然后建立它们之间的连接关系。
通过对结构进行受力和运动分析，计算出所需要的振动响应，从而得到结构的扭振刚度矩阵和微分方程，并求解该方程得到轴系的振动特性。
2、刚柔耦合方法刚柔耦合方法是建立在有限元方法基础上的一种模拟方法。
它将轴系划分为刚性部分和柔性部分，根据物理实验结果对这些部分进行优化，在悬浮和支撑装置上设置适当的振动吸收材料，从而改善船舶的振动特性。
三、船舶复杂轴系扭振的应用船舶复杂轴系扭振的应用涉及到船舶设计、制造和运行等方面。
在船舶设计和制造的过程中，需要对船舶复杂轴系的动态特性进行精确的计算和分析，以满足设计要求，并保证船舶的安全运行。
在船舶的实际运行中，轴系扭振问题往往会引起船舶运行的不稳定性和船员的不适感，因此需要对其进行有效的控制。
总之，船舶复杂轴系扭振计算研究及其应用是当前工程领域的一个重要课题，其研究成果可以为船舶行业提供重要的科学依据和技术支撑，以确保船舶在运行中的安全和稳定性。
船舶轴系扭振产生的原因及对策
船舶轴系扭振产生的原因及对策摘要：近年以来，随着中国现代化进程的发展，为适应中国海洋事业的快速发展时期，综合确保船舶航行安全的同时，相关工作人员也对船舶轴系扭振成因进行了深入的研究，以期对船舶轴系的扭振特性及规律进行相应的完善与总结，严格按照有关规定处理船舶轴系扭转振动问题，尽量减少轴系扭转振动造成的船舶安全事故。
关键词：船舶轴系，扭振，原因及对策，探讨1前言一般来说，振动定律可以直接使用正弦波来表示轴向运动。
扭转振动是在扭矩变化的作用下所发生的周期性运动。
扭矩振动主要发生在输出和扭矩吸收不均匀的机械装置中，如柴油机运行的某些设备或装置、电机压力机、电机泵等等。
就柴油发动机而言，包括减速齿轮之间的碰撞、齿面的点蚀及断裂、连接螺栓的断裂、橡胶接头的撕裂、引擎零件的加速磨损等。
在运行过程中发生的严重事故，对此方面的研究始终在持续，力度也不再不断加大，积累了大量的经验和数据。
人们一直在探索和寻找一种相对简单的近似计算方法，包括轴系怠速振动固有频率和临界转速的计算方法。
最后，它算是处理实际问题逐渐形成的方法。
2船舶轴系扭转振动的概述主动推进装置的扭转振动问题非常重要，值得去好好深入地研究。
通常情况下，当气缸关闭之后，后续的操作才更安全。
然而，一些辅助振荡器的相对振幅矢量不会减小。
相反，共振应力增大，甚至接近或超过允许的扭转应力。
此外，每个圆柱的分解振幅矢量的相对值也会受到不同程度的影响。
了解气缸轴承拆卸后产生较大冲击应力的推力控制，对于避免单个气缸的拆卸事故具有重要的意义。
在柴油机的实际运行过程中，在电梯试验以及运行试验中，不仅要进行单缸停油试验，而且在柴油机发生紧急故障时，必须要密封气缸进行运行。
此外，最大燃烧压力、排气温度调节等平衡性差异以及各种故障往往导致燃烧不良现象。
因此，在计算转向轴系的振动时，必须考虑这种情况。
在细致完成相关工作之后，还要向船公司提供船舶运行中的计算结果和注意事项，以确保船舶在正常运行和气缸密封运行中的正确操作和管理。
第三节 轴系的扭转振动分析
轴系的扭转振动
船舶推进轴系是一个既有扭转弹性、又 有回转质量的扭转振动系统。轴系扭转振 动为边旋转边做周向来回振动，不可避免。 规范要求：功率大于 220KW的柴油机推进系 统、额定功率大于 110KW的柴油机发电系统 要进行扭振计算并提交审查及实船测量， 如计算及测试超过规定必须采取避振和减 振措施
五 轴系扭转振动的减振措施
一、船舶轴系扭转振动许用应力和许用扭矩 1转速比r=共振转速/标定转速=nc /ne 2持续运转工况0ｒ1.0 3危险临界转速 1）扭振应力或扭矩超过持续运转的许用值时的共振转 速 2）防止措施： （1）设转速禁区；（2）禁区内不应 持续运转，允许快速超越；（3）转速表用红色标明， 并在操纵台前设示告牌 4常用转速ｒ＝0.8－1.05范围内不允许存在转速禁区。 在ｒ＝0.9－1.03范围内应尽可能不用减小振幅的方 法来消除转速禁区
4封缸运行时的扭振特点 1）封缸运行类型 （1）单缸停油，运动件未拆除 （2）损坏运动件拆除 2）相应扭振特点 （1）运动件未拆除较常见，使扭振振幅和扭振应 力增大，即扭振恶化 （2）运动件拆除对扭振影响最严重，使转动惯量 减小，固有频率、固有振型发生变化，扭振振 幅、应力增大 5现代船用大型柴油机的扭振特点 使轴系扭转振动加剧，中间轴产生过大的扭 振振幅和扭振附加应力
1）由强制振动φ１与有阻尼自由扭振φ２两种 简谐振动合成，经过一定时间后φ２消失， 只剩下强制振动φ１ 2）强制振动φ１是由激振力矩Mt激起的，且其 圆频率与激振力矩圆频率相同，即皆为同一 个ω 3）A１的大小主要取决于扭摆的自振圆频率ωe 与阻尼比n。在无阻尼(n→０）情况下，若 ωe＝ω，则振动振幅A１→∞；在有阻尼情 况下，若ωe＝ω，则A１不会无限大，但也 为最大值，称系统共振
37500DWT油船轴系扭振计算及问题分析
37 500 D W T油船轴系扭振计算及问题分析韩阳泉蔡虎(广船国际技术中心）摘要：本文介绍了37 500 D W T油船轴系扭振计算中发现的问题，以及由扭振引起 的螺旋桨压入计算、校中计算等问题，并寻找解决方案。
关键词：轴系扭振校中螺旋桨DOI：10.3969/j.issn.2095-4506.2016.04.0020前言37 500 DWT化学品/成品油轮是公司为 适应市场需求而研发的一型浅吃水节能型 船舶，入级D N V,采用M A N-B&W5S50ME-B9.2Ti e r I I主机，MCR点为 8900k W x l l7rpm。
为降低油耗，提髙螺旋 桨效率，主机选择降功率、降转速使用，SMCR点是6900kW x99rpxno本船为单轴系，主机带动一根中间轴 和一根螺旋桨轴，驱动螺旋桨，中间轴上 布置一个中间轴承，螺旋桨上布置两个艉 管轴承。
理论上螺旋桨转速越低、直径越大、推进效率越高。
本船SMCR点的转速仅99 rpm，在同类船舶中转速最低；螺旋桨设计 直径6.37m，比我公司所建造的同类船大约 0.8 m，其附连水后的转动惯量达到33,135 kg •m2，比同尺度船大13，135 kg ■m2左 右。
5缸柴油机的自身振动不平衡性比较剧 烈，其振动输出特性也高于我厂常规使用的 6缸柴油机。
本文详细介绍该船扭振计算过程中遇 到的问题，以及受扭振计算结果的影响，螺旋桨压入计算及轴系校中计算的问题，并寻求每个问题的解决方案。
1扭转振动计算在一系列的轴系计算中，扭振计算是作者简介：韩阳泉（1981--),男，工程师，轮机设计。
蔡虎（1986--),男，助理工程师，轮机设计。
关键。
按照轴系扭振计算流程，见图1所 示，进行轴系扭振计算。
如果扭振计算结 果不满足规范要求，可采取以下几种措施 进行调整：⑴增大主机飞轮；⑵增加主机 调频轮；⑶增加轴系的直径；⑷调整各个轴的长度。
以上步骤应逐个尝试直到计算结 果满足要求，如果上面各种措施均不满足要 求，则考虑配置扭振减振器。
第七章船舶推进轴系的扭转振动与控制
轴系振动有：扭转振动、回转振动（横振）、纵向振 动。其中以扭转振动为主，当周期性的交变力矩作 用的频率与自振频率相同时，将产生共振。 我国“船规”规定220kW（300HP）以上的船舶都要 申报扭振计算书。 一、扭振的概述 1、轴系扭振的成因及危害 轴系本身具有扭转振动的基本特性：弹性与惯性 轴系承受不均匀的干扰力矩 当扭转振动所产生的应力超过许用值时，会对轴系产 生极大的破坏作用。
i 1 k 1
k质量振动位移 (k 1)质量位移 (k 1, k )轴段变形
对简谐振动 A sin( n t )
2 n A sin( n t ) 2 max n A
A2 A 3 Ak A n
2 A1 e12 n I 1 A1
A2 e23
2 n
I
i 1 2 n
2
i
Ai
Ak 1 ek 1,k
I
i 1 n 1 i 1
k 1
i
Ai
2 An 1 en 1,n n I i Ai n
2 自由段： U n ,n 1 n I i Ai 0 i 1
高速机一般只考虑
k Ak(1) sin(1t 1 ) Ak( 2) sin( 2 t 2 ) Ak( n1) sin( n1t n1 )
取第一质量作为分离体 S1 U 12 0 1 I1
1 2
e12
0
1 2 1 e12 I 1
n=
n-1- n-1,nEn-1,n n,n+1=n-1,n+ n n=0
船舶轴系振动研究
船舶轴系振动研究船舶轴系振动研究一、引言船舶轴系振动是指船舶轴系统在运行过程中发生的振动现象。
船舶的轴系由主机、轴、轴承、减速器等组成，其运行状态和振动特性对航行安全和机械寿命具有重要影响。
本文将探讨船舶轴系振动的研究现状、影响因素以及振动控制手段，以期为船舶设计和运行提供参考。
二、研究现状1. 轴系振动的定义与分类船舶轴系振动可分为弦振动和扭振动两类。
弦振动是指轴系在弯曲载荷作用下发生的振动，其频率与轴的弹性特性有关。
扭振动则是轴系在扭矩作用下发生的振动，其频率与主机输出转速相关。
2. 振动特性的研究方法为了研究船舶轴系振动特性，常采用模态分析和频域分析等方法。
模态分析通过计算轴系的固有频率和振型，揭示了其特征。
频域分析则通过将时域信号变换到频域，得到频率成分的谱分析图，可以深入了解振动的频率分布特性。
三、影响因素1. 轴系结构与材料轴系的结构参数和材料强度对振动具有重要影响。
合理的轴系设计和材料选择能够减小振动幅度和频率，提高航行平稳性。
2. 主机质量分布和转速控制主机的质量分布和转速控制方式会对轴系振动产生显著影响。
合理设计主机及其配套设备，细致调节主机转速能够减小振动幅值和频率。
3. 轴承刚度和润滑状态轴承的刚度和润滑状态也是造成振动的重要因素。
适宜的轴承刚度和润滑方式可减小振动，并提高轴系的稳定性和寿命。
四、振动控制手段1. 结构优化设计轴系结构的优化设计可以减小振动幅值和频率，提高航行平稳性。
通过调整轴的形状、材料、连接方式和支承方式等，可以改善轴系的振动特性。
2. 动平衡技术动平衡是消除轴系振动的重要措施之一。
通过在轴上加重或减重，使轴系在运行时达到平衡状态，减小振动幅度和频率。
3. 振动控制装置安装振动控制装置可以减小轴系振动。
例如，在轴上安装阻尼器或减振器，能够吸收振动能量和调节振动频率。
五、结论船舶轴系振动对航行安全和机械寿命具有重要影响。
通过研究轴系振动的特性和影响因素，可以采取合理的控制手段，减小振动幅值和频率，提高航行平稳性和机械性能。
船舶推进轴系扭振超标实例分析及改善方案研究
文章 编 号 ： １ ６ ７ ４ —５ ９ ４ ９ （ ２ ０ １ ４ ） ０ １ —０ ０ ３ ９ —０ ４
船 舶 推进 轴 系扭 振超 标 实例 分 析及 改 善 方 案研 究
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王 京 ， 郑英 男 ， 张 涛。
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（ 中海 工业 （ 江 苏） 有 限公 司 ， 江苏 扬州 ２ ２ ５ ２ １ １ ）
ｓ ｉ ｏｎ ｖｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｏｕ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｄｅ ｓ ｉ ｇｎ ｅ ｄ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｌ ｉ ｍｉ ｔ ｓ ． Ｔｈｉ ｓ ｐａ ｐ ｅ ｒ ａ ｎａ ｌ ｙｚ ｅ ｓ ｏ ｎｅ ｃ ａ ｓ ｅ ｏ ｆ ｅ ｘ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｖ ｅ ｓ ｈａ ｆ ｔ ｔ ｏ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎａ ｌ ｖｉ ｂｒ ａ ｔ ｉ ｏｎ，ａ ｎｄ ｓ ｕｇ ｇｅ ｓ ｔ ｓ
ｈ ｎ ｃ ｈｅ ｃ ｋ ｅ ｄ ａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎｓ ｔ ａ ｌ ｌ ａ ｔ ｉ ｏｎ ． Ｄｕｒ ｉ ｎｇ ｔ ｈ ｅ ｐｒ ｏｃ ｅ ｓ ｓ ｏｆ ｂ ｕｉ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ ａ ｓ ｈｉ ｐ，ｔ ｈｅ ｒ ｅ ａ ｒ ｅ ｑｕ ｉ ｔ ｅ ａ ｆ ｅ ｗ ｔ ｈｉ ｎｇｓ ｗ ｈｉ ｃ ｈ ｗｉ ｌ ｌ ｍａ ｋ ｅ ｔ ｈｅ ｓ ｈａ ｆ ｔ ｔ ｏ ｒ —
ｓｏｍ ｅ ｃｏｒ ｒｅ ｅｔ ｍ ｅ ａｓｕｒ ｅｓ．
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轴 系扭振 的机 理 与危 害
船 舶推 进轴 系是 船 舶动力 装 置 的一个 重要 组成 部分 ， 承 担 着将 主 机 功率 传 递至 螺 旋 桨并 推 动 船舶 前 进
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船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究
【摘要】本文通过一些国内因轴系扭转振动而引起的断轴断桨的事故实例，来分析引起轴系扭转振动的主要原因，分析扭振主要特性，并提取一些减振和防振的基本控制措施。
【关键词】船舶柴油机轴系扭振危害分析措施
在现代船舶机械工程中，船舶柴油机轴系扭转振动已经成为一个很普遍的问题，它是引起船舶动力装置故障的一个很常见的原因，国内外因轴系扭转而引起的断轴断桨的事故也屡见不鲜，随着科学水平的提高和航运业的发展，人们越来越重视船舶柴油机组的轴系扭转振动，我国《长江水系钢质船舶建造规范》和《钢质海船入级与建造规范》（简称《钢规》）和也均规定了在设计和制造船舶过程中，必须要向船级社呈报柴油机组的轴系扭转振动测量和计算报告，以此来表明轴系扭转振动的有关测量特性指标均在“规范”的允许范围内。
1 船舶柴油机轴系扭转振动现象简介
凡具有弹性与惯性的物体，在外力作用下都能产生振动现象。
它在机械，建筑，电工，土木等工程中非常普遍的存在着。
振动是一种周期性的运动，在许多场合下以谐振的形式出现的，船舶振动按其特点和形式可分为三种，船体振动，机械设备及仪器仪表振动，和轴系振动。
船舶柴油机轴系振动按其形式可分为三种：扭转振动，纵向振动，横向振动。
柴油机扭转振动主要是由气缸内燃气压力周期性变化引起的，它的主要表现是轴系上各质点围绕轴系的旋转方向来回不停的扭摆，各轴段产生不相同的扭角。
纵向振动主要是由螺旋桨周期性的推力所引起的。
横向振动主要是由转抽的不平衡，如螺旋桨的悬重以及伴流不均匀产生的推力不均匀等的力的合成。
船舶由于振动引起的危害不但可以产生噪音，严重影响旅客和船员休息，还会造成仪器和仪表的损害，严重的时候甚至出现船体裂缝断轴断桨等海损事故，直接影响船舶的航行安全。
而在船舶柴油机轴系的三种振动中，产生危害最大的便是扭转振动，因扭转振动而引起的海损事故也最多，因此对扭转振动的研究也最多。
而且当柴油机轴系出现扭转振动时，一般情况下，船上不一定有振动的不适感，因此这种振动也是最容易被忽视的一种振动形式，一旦出现扭转振动被忽视，往往意味着会发生重大的事故。
更应该注意的是，当发动机运转在主临界速度时，自由端的传动齿轮箱往往容易发生齿击或噪声大的现象，这时检查时会发现齿轮有点蚀或剥落等磨损现象，严重时会有断齿事故。
有时在强共振的情况下，轴系中的某些位置只要数分钟运行就能自行发热，稍有疏忽，就可能造成断轴断桨的海损事故。
2 船舶柴油机因扭振而引起的断轴断桨的事故及分析
（1）广西海运局北海分局所属沿海货轮400吨桂海461、462、463，三条
轮船，航行于北海香港航段。
自1972年投入运行至1974年5月以来，三轮共断桨断轴8次，其中断轴5次，断桨3次。
桂海461轮自1972年1月至1972年3月桨叶折断，修复后又运行到不到1个月于1972年4月中间轴焊缝处裂开扭断，经有关部门检查发现第一次事故是由于主轴浇铸质量不合格造成，第二次是由于焊接工艺不过关引起的。
但是桂462和463轮也连续发生了类似事故，为了查明多次事故的真正原因，上海船监局和上海船舶设计院联合于72年5月在461轮上进行了几种不同工况下的扭转振动测试，测得船舶扭振附加应力均超过船规最大许应值。
该三轮由上海船舶设计院设计，梧州船厂建造，其主要参数如下：
船长：50.79米
船宽：8.40米
吃水：3.40米
主机位日本阪神Z6L27ASH型六缸四冲程中速柴油机，其主要参数如下：
缸径：270毫米
冲程：400毫米
持续功力：650马力
持续转速：400转＼每分
发火顺序：1—4—2—6—3—5（正车）
1—5—3—6—2—4（倒车）
螺旋桨直径：1730毫米
叶片数：3个
尾轴径：150毫米
中间轴径：134毫米
但是据说日本用同样的机器却没有发生事故，可能是我国在将轴系与主机连接时没有进行扭振计算，而改变原来参数，致使发生多次断轴断桨事故，经上海船检局等部门检查测试后，提出的改进措施是：提高系统自振频率，加大中间轴与尾轴轴径，同时将螺旋桨的三叶改为四叶，可避开与主机干扰力矩间歇次数重叠。
另一种方法是降低单结频率增加弹性联轴节或增大飞轮转动惯量等。
（2）我国第一艘万吨远洋货轮“东风”号，其推进装置持续转速为115转/每分，而在常用的90-100转/每分出现强共振经测试发现其曲轴扭振应力超过许用极限值。
我国大型沿海客货“长征”号，在常用转速r=0.9-1.0的速比时，也出现了双结强共振，因而被划分为“禁区”。
此外，在“大庆12”号，“杭州”号和”兰州”号的曲轴后壁的曲柄臂上都出现了裂纹，经过排查分析，被诊断为由扭转振动引起的。
当船舶柴油机组轴系发生强烈扭转共振时，能够使轴系产生裂纹、轴系断裂等严重事故，因此我们在研究柴油机轴系事故的目的是首先要分析出使轴系发生扭转振动的激励源在哪里，以及我们该采取何种措施最大程度上的减小和避免这种现象。
3 柴油机组轴系扭振的主要激励源
扭转振动产生的原因是可以大致分为内部因素和外部因素两个方面，内部因素是系统具有的固有频率；外部因素是作用在柴油机组上的周期性变化激励p
4.1 改变系统的固有频率
改变系统扭振当量系统的固有频率W1，使之远离干扰频率W0.从而避开共振区，以“调频”来达到“避振”的目的。
扭振当量系统的固有频率，主要是由各轴段的刚度和各质量的转动惯量所决定的，改变刚度和惯量均能达到“调频”的目的。
由于轴段刚度和直径的四次方成正比，所以增大轴段的直径可以增加刚度，从而使整个系统的固有频率提高；改变飞轮惯量，可以系统单节、双节和三节的固有频率。
如果在船体结构允许的条件下，可以缩短轴系长度也可以改变轴系刚度，以此来提高系统的固有频率。
达到避振目的。
加装弹性联轴节也可以改变系统的固有频率，采用大柔度的弹性联轴节可以降低系统的固有频率，使共振转速低于常用转速，另外加装了较大阻尼的弹性联轴节，可以使共振力大大减少。
4.2 提高扭振附加许用应力
选择合适高质量的中间轴、螺旋桨轴的材料，通过提高轴段的材料强度来提高轴段的扭振附加应力，从而使轴系长期安全良好的运行。
4.3 降低共振状态时的力矩和振幅
通过增大阻尼或降低干扰力矩，从而降低共振状态时的力矩和振幅，以达到“减振”的目的。
要增大阻尼，一般是在系统中加装具有较大阻尼作用的弹性联轴节和硅油减振器，或者增加大阻尼部件的振幅，从而以达到“减振”的目的。
降低干扰力矩，一般通过改变各缸的发火顺序或改变振形从而减小相对振幅的矢量
和，从而以达到“减振”的目的。
4.4 设置“转速禁区”
在柴油机常用转速范围下，把产生较严重共振现象的临界转速定位“转速禁区”，避免在此转速附近长期运转，达到回避较强扭振减少事故的目的。
在装有减速齿轮箱的轴系中，在常用转速下，扭振产生啮合处的振动扭矩往往超过平均扭矩，因此应该设置“转速禁区”。
在装有弹性联轴节的轴系中，在常用转速下，扭振产生的交变扭矩往往大于弹性联轴节的交变扭矩，但小于最大扭矩情况下，也可以设置“转速禁区”避免扭振事故发生。
5 结语
随着现代化进程的发展，我国航运业的发展也进入了高速发展的快车道，为了保证船舶的安全航行，我们的科研人员和广大船运行业的一线从事者们，更应该认识和掌握扭振的特点和规律，充分认识到扭振的严重后果，我们的船在设计和建造时，要严格执行钢船建造规范中关于扭振问题的规定，对扭振系统进行精确的分析和计算。
这样才能防患于未然，尽量减少或杜绝此类事故的发生。
参考文献：
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