船舶轴系横向震动的产生和危害

船舶轴系横向（回转）振动的产生与危害船舶推进轴系在运转时，受到螺旋桨水动力、船体变形、润滑油膜等各种动态因素的影响，舰船推进轴系还可能会遭受到接触性爆炸、水下非接触性爆炸、自身武器发射时的反冲击债和的作用，将不可避免的产生振动。根据世界各国规范要求，对于船舶推进轴系，必须进行振动校核计算，并提供相应的计算报告，以实现控制振动源，减小振动；隔离振源、保护设备和人员；并通过轴系振动研究，明确轴系振动各阶级临界转速，就可以避免共振，减弱系统响应等目的。下面主要研究回转振动。

第二次世界大战后，一些商船，特别是美国“自由论”经常发生螺旋桨锥形大端龟裂折损，甚至出现螺旋桨落入海中的严重事故，由此引起人们的关注。希腊人Panagogulos.E首先在1950年指出了事故的主要原因是：在船艉不均匀伴流场中运转的螺旋桨上作用有按叶频周期变化的流体力，使螺旋桨轴系产生回旋（横向）振动共振。稍后，1952年，因国人Jasper.N.H在不同条件下也得出类似的结论。在Panagogulos和Jasper研究并提出计算螺旋桨回旋（横向）振动固有频率的简化公式之后，在海洋商船轴系设计中多使回旋振动转速远在运转转速范围以外，因而使回旋振动共振引起的螺旋桨事故答题消除，回旋（横向）振动似乎已经不成问题。随着船舶大型化的发展，在一些大功率船舶中，即使没有出现螺旋桨激振力增加，也可能使回旋振动响应大到不可忽略的程度。这时，Panagogulos和Jasper提出的简单公式已不足以解决复杂问题。基于一些研究，各船级社为保证轴系的安全运转，对回旋振动提出了明确要求。目前国内外用来计算推进轴系横向振动的主要方法有：传递矩阵法、有限元法以及一些简化的计算方法。如Panagopulos公式、Jasper公式、Rayleigh公式等。

对于船舶轴系的回旋振动，早期的定义是这样的：由于轴系旋转不平衡，以及推进器在不均匀尾流场中工作产生循环变化的问去力矩引起的周期性的弯曲变形的现象。轴系旋转件的不平衡会产生回旋振动，但是实际上即使轴系旋转件完全平衡，在其匀速旋转的过程中受到扰动之后，旋转依然会发生回旋振动。

推荐轴系由于主机不均匀传递力矩、安装上的不对中、材料的不均匀、加工的不精确，以及自身重量的不平衡，可以产生轴系的扭转振动和横向震动：螺旋桨在船艉不均匀流场中旋转，产生不均匀推理和交变弯曲力矩，构成船艉不发的扰动源，可以引起船体的总振动和局部振动。螺旋桨的激振力可以使船舶推进轴系产生扭转、横向、纵向以及这些振动形式的耦合。此处由于一些船舶中安装有大型齿轮箱，齿轮传动过程中不均匀的传动力矩、安装上的误差、加工的不精确、齿轮形位公差等都可以队推进轴系产生各种激励因素。

轴系上的质量的不平衡离心力，以及作用在螺旋桨上的不均匀流场的流体激振力，将使轴系产生回转（横向）振动。回旋振动实质上是指轴系旋转式轴及圆盘质量的旋转中心与其几何中心不中和，即转轴一方面以某一角速度饶其自身的集合中心线（机动扰度曲线）旋转，同时弯曲的几何中心线又以某一角速度绕支承中心线旋转。前一种旋转相当于自转，后一种回旋相当于公转推进轴系回旋振动的激振力，来自于以下几个当面：（1）旋转质量不平衡离心力，轴系不见（包括中心轴。艉轴、螺旋桨）由于制造工艺造成的质量偏心会造成轴系的不平衡离心力，尤其是螺旋桨行中的磨损或发生重大故障时会产生很大的不平衡离心力。离心力以转轴速度沿轴的转向旋转，所引起的回旋称为一次回转，频率为轴频,l流体激振力频率为叶频及其倍频

（2）作用在螺旋桨上的流体激振力。这类激振力产生的激励与计算方法在何生友和王国强的《螺旋桨激振力》中游详细的分析。它的频率为叶频及其倍频，当轴系的叶片或者或n 倍叶片次固有频率与之相等时，将出现叶片共振，这是产生事故的主要原因（3）当转轴的抗弯曲刚度各向不同，机转轴绕两根主惯性主轴的惯性矩不同时，即使螺旋桨完全平衡，也可能产生频率为轴频两倍的二次激振力。不过，在推进轴系中，转手的抗弯曲刚度一般可视为各向相同。

（4）轴系的扭转振动也会引起回旋振动，这些振动的偶河源是齿轮箱和螺旋桨。

轴系回旋振动是动力装置动力性能计算的一部分，严重的回旋振动引起的现象和事故有：

（1）螺旋桨轴锥形打断书产生过大的弯曲应力，该应力又会因螺旋桨轴端螺帽松动、桨在锥部振跳而加剧。如果考虑到海水腐蚀作用引起的钢的弯曲疲劳极限急剧下降，则桨轴锥形大端将出现龟裂以至折损等重大疲劳破坏事故

（2）尾管轴承早期磨损过热，后轴承尾端有槌击状损坏，并导致轴承衬套得腐蚀，尾管密封装置泄露，达不到产品使用周期的要求

（3）船体特别是尾部的结构局部振动，支承轴承的振动记忆支座的松动

对于上述问题，我们避振措施主要下面几种:

(1)调频

猥琐调频，就是调整系统的固有频率，使严重的共振转速远离工作转速或常用转速。

(2)减少输入系统的激振能量

譬如柴油机和螺旋桨是两个激励源，减少其激励的能量即可以有效的避振。

（3）配置减振器

通常做法是将轴系中的一段切去，换上减振器，于是改变了那段轴的固有频率。所以这种方法亦可以归类到调频范畴中。