船舶推进轴系纵向振动模拟装置的振动测试与分析

船舶推进轴系纵向振动模拟装置的振动测试与分析

王家盛刘耀宗

（国防科学技术大学机电工程研究所，湖南长沙 410073）

摘要：说明了开展船舶减振降噪技术研究的重要意义；基于实验室搭建的模拟船舶推进轴系纵向振动的实验装置，对由螺旋桨推力引起的轴系纵向振动特性进行了测试；介绍了阶比分析的相关概念，并采用常规谱分析和阶比分析的方法对测得的振动信号进行了分析；研究了在螺旋桨激励下轴系纵向振动的特性，为开展船舶推进轴系纵振减振技术的研究提供了依据。关键词：轴系；纵向振动；振动测试；阶比分析

Test and Analysis of Axial Vibration Hypostatic Test Rig of The

Ship’s Propelling Shafting

Wang Jia sheng Liu Yao zong

(Institute of Mechanical Engineering, National University of

Defense Technology, Hunan Changsha 410073)

Abstract: Describe the importance to carry out the researches of the vibration and noise reduction technology of ships; Based on the hypostatic test rig to simulate axial vibration of the ship’s propelling shafting which is built in the laboratory, test the axial vibration of the shafting caused by the thrust of the screw propeller; Introduce the related concepts of order analysis, and use the methods of conventional spectrum analysis and order analysis to analyze the measured vibration signals. Study the characteristics of the axial vibration of the shafting promoted by the screw propeller, which provides the basis for researches of the axial vibration reduction technology of the ship’s propelling shafting.

Keywords: Shafting; Axial Vibration; Vibration Testing; Order Analysis

引言

随着舰船的高速化、大型化，由于轴系转动部件的不平衡及螺旋桨在不均匀流场中工作所产生的脉动推力引起的纵向振动日趋剧烈[1]，振动通过支承传递到外壳上，由此而产生的声辐射严重影响了舰艇的隐声性能。因此，研究船舶尤其是潜艇轴系纵向振动的减振降噪技术最近成为国内外声隐身学界的热点。

理论研究已经表明，当螺旋桨产生的脉动推力引起壳体纵向共振时，将产生很强的声辐射[2]。该声辐射与三个因素有关，一是螺旋桨的激振力，二是壳体的纵振特性，三是轴系的振动传递特性。研究轴系减振降噪问题就是要在第三个因素上采取措施，对其开展实验研究就

需要具备前两方面的条件，基于这两方面考虑，实验室搭建了一台模拟船舶推进轴系振动特性的实验装置，用于模拟船舶推进轴系在螺旋桨水动力作用下的振动传递特性，为船舶轴系减振降噪技术的研究提供实验平台。

1 船舶推进轴系模拟实验装置

该装置由驱动电机、弹性联轴节、推力轴承、尾轴承（密封轴承）、螺旋桨、各支承基座、弹性壳体模拟装置、滑车和导轨，其他配套装置（如整套装置基座、弹性止推装置、润滑系统、螺旋桨工作水槽、进排水管、配电装置等），以及部分备件（止推弹簧、尾轴、配重块）组成。此外，配套建设实验环境和测试系统。实验装置的总体布置如图1所示。

图1 实验装置总体布置图

本实验装置是按照船舶纵向振动的动力学原理来构造的。弹性联轴器、推力轴承、联轴器、尾轴和螺旋桨组成推进轴系，用调速电机驱动推进轴系，带动螺旋桨在水箱中旋转，产生轴向静推力和脉动推力。静推力经推进轴传递到推力轴承，并通过弹性止推装置顶在基座上并达到平衡，因而整个装置在轴向不会产生很大的位移。艉轴承、推力轴承、电机和几个大质量圆柱形刚体安装在直线导轨的滑块上，用薄圆柱壳连接起来构成“艇壳”，可沿导轨纵向滑动。整个系统能在螺旋桨脉动推力的作用下在平衡位置附近做轴向振动，模拟了船舶纵向振动的原理。测速和测力装置可测量轴系的转速和推力，在各质量块上测量纵向振动。该装置为研究轴系减振技术提供了实验平台。

2 振动测试系统

数据采集/振动分析仪选用的是丹麦B&K公司的Pulse3560C便携式多分析仪，该分析仪通过内置的高速数据处理芯片实现信号的实时采集和分析，通过高速以太网与笔记本电脑通信，利用笔记本电脑实现采集信号和分析结果的实时显示，以及该分析仪的传感器类型、采样频率、抗混迭滤波频带、分析类型等各项功能的配置。该分析仪配置灵活、设置和操作方

便、实时性好，用户可以根据自己的需要对测量信号进行频谱、阶比谱、功率谱、频率相应等各种实时分析。本实验装置中，主要使用了频谱分析和阶比谱分析的功能。测试系统的原理框图如图2所示。

图2 实验装置测试系统的结构框图

振动测试是通过测量纵向振动的加速度来进行的，选用的加速度传感器为压电式加速度计B&K 4507B，该传感器直接集成了电荷放大器，具有体积小、重量轻、测量频率范围宽（0.3～6000Hz）、灵敏度高（96.7mV/g, g代表一个重力加速度）、抗干扰能力强等优点，可测量的振动加速度范围从0.4μg～70g，能够适合大多数振动测量的需要。

3 阶比分析

在回转机械的振动和噪声信号测试中，匀速情况下一般采用等时间间隔采样并进行常规谱分析。但在转速变化过程中，由转速变化引起的振动信号是非平稳信号，若采用等时间间隔采样的常规谱分析，将使得频谱图上随转速变化的频率分量变得模糊，即产生“频率模糊”现象[3]。

阶比分析是利用等回转角采样序列分析信号与转速间对应关系的数据处理方法[4]。阶比谱分析与常规谱分析的主要区别在于信号的采集方式不同。阶比谱分析采用的是变时间间隔的等回转角采样[5]，即在机器的旋转轴回转时，每隔等角度Δθ采样一次，这种采样方式可以保证不论转轴的转速如何变化，在每一回转周期内，都能得到固定的采样点数。

在阶比谱图中，阶(E) 定义为每转的波动次数，即

E=波动次数/每转（阶）

E与频率f的关系为

f n E

=×

式中，n为回转轴转速，单位：转/分(rpm)。

4 纵向振动信号测量与分析

基于前面介绍的振动测试系统，对实验装置的纵向振动情况进行测量。分别在图1所示的质量块1、调速电机和推力轴承处的支架顶端放置3个加速度计B&K 4507B，用配套的信号线将加速度计转换的电压信号输入B&K Pulse3560C便携式多分析仪进行处理。测量时将电