船舶推进轴系纵向振动共振转换器的优化设计

船舶推进轴系纵向振动共振转换器的优化设计

胡泽超;何琳;徐伟;李正民;赵兴乾

【摘要】[目的]在推力轴承上集成共振转换器(RC)可以改变轴系纵向振动的传递路径,衰减传递到基座的响应使轴系的固有频率避开螺旋桨叶频及其倍叶频激励力,从而实现减振、调频的目的.[方法]为此,建立推进轴系纵向振动的力学模型,基于传递矩阵法计算桨轴系统的振动响应,以力传递率为指标,分析RC的主要参数对推进轴系隔振效果的影响,分别采用最大值最小化方法和曲线面积最小的参数修正方法,对RC的主要参数进行优化设计.[结果]研究结果表明:加装RC后,轴系的隔振效果得到了明显的改善,采用曲线面积最小修正的优化设计方法可使RC的减振调频效果更佳.[结论]通过对RC结构参数的合理设计能使减振系统获得优良的隔振效果.

【期刊名称】《中国舰船研究》

【年(卷),期】2019(014)001

【总页数】7页(P107-113)

【关键词】共振转换器;推进轴系;传递矩阵法;纵向振动

【作者】胡泽超;何琳;徐伟;李正民;赵兴乾

【作者单位】海军工程大学振动噪声研究所,湖北武汉430033;船舶振动噪声重点实验室,湖北武汉430033;海军工程大学振动噪声研究所,湖北武汉430033;船舶振动噪声重点实验室,湖北武汉430033;海军工程大学振动噪声研究所,湖北武汉430033;船舶振动噪声重点实验室,湖北武汉430033;海军工程大学振动噪声研究所,湖北武汉430033;船舶振动噪声重点实验室,湖北武汉430033;海军工程大学振动噪声研究所,湖北武汉430033;船舶振动噪声重点实验室,湖北武汉430033

【正文语种】中文

【中图分类】U664.2

0 引言

在不均匀伴流场下，螺旋桨的周期性运转产生的脉动激励力是船舶在中高速航行时的主要噪声源。该纵向激励力通过推力轴承传递至船体，会引起轴系及船体的振动，影响船舶的运行安全，降低船体的声学性能。为了减小纵向激励力向船体的传递，可在轴系上安装减振器。考虑到推力轴承传递大推力、小位移的特性，需要设计一种刚度低、阻力大的隔振装置。液压减振装置利用流体的可压缩性来调整系统的刚度和阻尼，通过合理的设计，可使推进轴系的动态特性满足指标要求。在推力轴承处安装共振转换器（Resonance Changer，RC）不仅能调节推进轴系的纵向固有频率以偏离螺旋桨的脉动激励频率，还能降低船体艉部的纵向振动响应，达到实现隔振的目的。Goodwin［1］认为，RC可等效为一种质量―弹簧―阻尼单元，据此

设计了一种能在特定频段内降低轴系纵向振动的液压减振装置。Dylejko等［2］

和Li等［3］利用传递矩阵法建立了桨―轴―艇体系统的数学模型，分析了RC的主要参数对桨轴系统力传递率的影响。李良伟等［4］和王珺等［5］运用动力谐调

消振理论对RC进行了优化设计，得到了RC的最优固有频率比和阻尼比，但分析模型较为简单，应用范围有限。

本文拟建立桨轴系统纵向振动的力学模型，采用传递矩阵法，计算螺旋桨激励力传递到壳体的振动响应；以力传递率为指标，分析RC的活塞缸直径d0，连接管长

度l1和直径d1及油箱体积V1的变化对桨轴系统隔振效果的影响，分别采用力传递率最大值最小化方法和力传递率与坐标轴围成的面积最小修正法，对RC的主要参数进行优化设计。

1 RC的动力学模型

RC由充满油液的油箱、外接管系和活塞缸组成，装置内的工作流体可以改变轴系的纵向刚度和阻尼［6］。图1为RC的原理模型，其中，P为活塞两侧的压力差，x0和x1为活塞缸两端的位移。

图1 RC结构简图Fig.1 Structure diagram of RC

为了便于推导RC的动力学方程，需作出如下假设［7］：

1）油箱壁是刚性的，流体的压缩全部发生在油箱内；

2）连接管内的流体处于层流状态；

3）管内的流体可视为集中质量；

4）流体的水力有效长度等于连接管的实际长度；

5）不考虑管道中的压缩效应。

根据假设条件，由D'Alembert原理可知，活塞缸内作用于连接管上的压力等于连接管中油受到的惯性力、连接管内的阻尼力以及压缩油箱内的油所需力之和，则RC的动力学方程可描述为

式中：分别为活塞缸与连接管的截面积；B1为油的体积模量；μ1和ρ1分别为油的粘度和密度；0,0和1,1分别为活塞缸两端的速度、加速度。将式（1）两端同

乘A0/A1，得

其中，Mh，Kh和Ch分别为RC的质量、刚度和阻尼，则可将式（2）转换成质量―弹簧―阻尼的数学模型：

式中，F0为活塞受到的外力。

2 桨轴系统纵振数学模型

桨轴系统纵向振动的力学模型如图2所示，模型可分解为5个子系统，每个子系

统均可以用传递矩阵来表示元件左右两端纵向振动的传递关系。图2中，下标p，t，c，b，h分别为螺旋桨、推力盘、联轴器、基座和RC，Mp，Mt，Mb，Mc

分别为螺旋桨、推力盘、基座、联轴器的质量，K0和Kb分别为油膜和基座的刚度，C0为油膜的阻尼，Ls和Lse分别为艉轴的实际长度和有效长度，L为中间轴的长度，从螺旋桨至联轴器分别为1～5号单元，Ti（i=1，2，3，4，5）为其对

应的单元传递矩阵，分别代表j单元左、右端面的位移响应和力响应，下标 j可用b，h，c，t，p替代。

图2 桨轴系统纵向振动力学模型Fig.2 Mechanical model of longitudinal vibration of propeller shafting

2.1 轴系纵振的点传递矩阵

考虑螺旋桨脉动激励力Fp的作用，桨轴系统的纵向传递矩阵应改写为T3×3的形式，式（4）～式（7）为桨轴系统各子系统的传递矩阵：

式中：k=ω c，为轴（尾轴和中间轴的材料属性及截面积均相同）的纵向波数，其中ω为角频率,，为轴的纵向波速，ρ为轴的密度；E和A分别为艉轴和中间轴的

弹性模量和截面积。螺旋桨和联轴器可视为集中质量块。由于艉轴较长，计算时一般需考虑其有效长度，相应的传递矩阵为T2。

集成RC的推力轴承可进一步分解为3个单元：推力盘、油膜和RC。推力盘右端

面至船体的传递矩阵方程可表示为式（8）：

与基座连接的壳体刚度较大，可视为桨轴系统的刚性边界条件将其代入式（8），推导出的关系：