船舶推进轴系的扭转振动与控制

• 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【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。

船舶推进轴系多体动力学和扭振特性作为一种运输工具和工程装备，船舶的推进轴系（Propulsion Shafting System）是其重要部件之一。

它负责将主机发出的动力通过螺旋桨传递到水中，从而推进船体。

然而，船舶推进轴系也存在着一些复杂的多体动力学和扭振特性，下面将详细介绍。

首先，船舶推进轴系的多体动力学特性是其一大特点。

它由多个组件组成，包括主机、机械传动系统、支承系统、螺旋桨和水动力等。

这些组件之间通过连接件进行连接，形成了一个整体运动系统。

在船舶行驶时，推进轴系的振动会影响到整个船体的运动，因此必须对其进行研究和优化。

其次，船舶推进轴系的扭振特性也是一个重要的研究方向。

由于在运行过程中受到的载荷和运动状态不断变化，船舶推进轴系会产生扭转和振动。

这种扭振会导致推进轴系的一些部件受到应力的过大或过小，从而影响到其功能和使用寿命。

因此，研究和分析推进轴系的扭振特性以及应力分布是非常重要的。

为了更好地控制和优化船舶推进轴系的多体动力学和扭振特性，需要采用一些有效的技术手段。

首先，对推进轴系进行系统的结构设计和优化，采用合适的材料和加强节点，能够大大降低其产生不必要的振动。

其次，通过合理的支承系统、减振器和动平衡等技术手段，能够有效地减小推进轴系的振动和扭振幅值。

此外，利用先进的数值仿真方法，能够更加准确地预测和优化推进轴系的性能和振动特性。

总之，船舶推进轴系的多体动力学和扭振特性是船舶设计和运行中需要考虑的重要问题。

针对这些问题，需要采用一些有效的技术手段和数值仿真方法，实现对推进轴系振动和扭振特性的控制和优化。

作为船舶推进系统的重要组成部分之一，船舶推进轴系的性能数据也是非常重要的。

下面将列出一些相关的数据并进行分析。

1. 推进轴系的重量和尺寸。

推进轴系的重量和尺寸直接影响推进轴系的动力学和扭振特性以及整个船体的运行效率。

一般来说，大型船舶的推进轴系比小型船舶的推进轴系更为复杂，同时更需要关注推进轴系的重量和尺寸。

一、前言21世纪是人类开发海洋各类资源、利用海洋战略空间的新阶段，海洋在促进经济社会发展、保障国家总体安全等方面的地位更加突出。

在加快建设海洋强国的背景下，推进海洋运载装备高技术发展迫在眉睫；其中，船舶水下辐射噪声直接关系到船舶声学性能、海洋环境保护、绿色船舶发展水平，相应的船舶低噪声推进技术一直是重点需求和难点问题。

提升船舶低噪声推进技术，对海洋运载装备发展起到重要的推动作用。

船舶推进系统在运转过程中不可避免地产生振动，如船舶主机运转产生的激励力、螺旋桨在艉部伴流场中运转产生的脉动力等。

这些激励通过安装基座、轴承及其支承等传递至船体结构，进而诱发船体结构振动，引起水下低频辐射噪声。

例如，在振动声辐射方面，船舶动力与传动装置是直接驱动主轴和螺旋桨的动力来源，运转过程中产生的振动通过基座传递至船体，激发船体产生振动并向水下辐射噪声。

一直以来，船舶水下辐射噪声中由动力与传动装置运转引起的船体振动声辐射不可忽略，对于大型水面船舶而言更显突出。

因此，研究船舶动力与传动装置高性能减振降噪技术方案显得重要而迫切。

已有的船舶动力与传动装置振动控制技术研究，集中在动力装置或传动装置功能性总体制造技术层面，而未就船舶装备中的动力与传动装置振动控制技术发展课题开展系统性探讨。

目前，我国虽然在船舶动力与传动装置振动控制方向的基础与应用研究方面取得了一定进展，但在船舶推进系统振动噪声机理、振动传递路径控制等方面仍处于探索阶段，未能实现完全掌握与全面应用，整体技术水平距离世界先进尚有差距；船舶动力与传动装置振动控制技术发展规划、产业发展研究等也有待深化开展。

针对于此，本文以船舶动力与传动装置引起的振动声辐射控制为重点，阐述相关振动控制技术的理论研究及工程应用背景，系统梳理技术发展与应用现状并凝练技术发展趋势，进而从基础理论、装置产品、科研能力等方面提出发展建议，以期为船舶动力与传动装置振动控制技术发展提供基础性和先导性参考。

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。

船舶振动及其管理方面的探讨船舶振动是指船舶在航行或停泊过程中由于各种原因引起的振动现象。

船舶振动是船舶设计和运营中的一个重要问题，它不仅会对船舶的结构和设备产生一定的影响，还会对船员的工作和生活环境造成一定的影响。

对船舶振动进行管理以保障船舶安全和提高船员的工作生活条件具有重要意义。

船舶振动的原因有很多，主要包括以下几个方面：1. 引擎和推进系统的振动：船舶的主机和推进系统在运行时会产生一定的振动，这是由于主机和推进系统的旋转部件不断进行均衡调速导致的。

这种振动不仅会对船舶的结构产生一定的影响，还会对船员的工作和生活环境造成一定的干扰。

2. 船体的振动：船体的振动是指船舶在航行过程中由于水流、波浪和航向变化等原因引起的振动。

这种振动主要来自于船体与水流和波浪的相互作用，它会对船舶的航行性能和稳定性产生一定的影响。

船体的振动还会对船员的工作和生活环境造成一定的干扰。

针对船舶振动问题，可以采取以下管理措施：1. 船舶设计时考虑振动特性：在船舶设计阶段，应该考虑船舶的振动特性，通过优化船体结构和设备布置等方式减少振动的产生。

在设计船舶的主机和推进系统时，也应该考虑到其振动特性，通过合理设计和均衡调速等方式控制振动的产生。

2. 合理调整船舶运行状态：在船舶运行时，可以通过调整船舶的航向、航速和船载等参数来减小振动的幅度和频率。

在遇到强风浪时，可以适当减速或改变航向来降低振动的产生。

3. 使用振动控制设备：在船舶上安装振动控制设备，例如振动减振器、振动补偿系统等，可以有效地减小船舶振动的幅度和频率。

这些设备通过主动或被动方式对船舶的振动进行控制，提高船舶的舒适性和安全性。

4. 加强船舶维护和检修：船舶在运行过程中，应定期对船体、设备和机械等进行维护和检修，确保其正常运行和振动特性的稳定。

应加强对船员的培训，提高其对船舶振动管理的认识和能力。

船舶推进轴系扭振研究综述摘要：船舶推进轴系振动特性是船舶动力性能的重要方面。

本文从扭振模型、扭振计算方法、关键因素分析及扭振软件开发四个方面综述了船舶推进轴系扭振的研究现状，对轴系扭振研究具有一定的知道意义。

关键词：扭振模型；扭振方法；扭振关键因素；扭振软件引言船舶推进轴系扭振研究是船舶动力性能研究的重要方面，对于船舶的安全性、舒适性及可靠性具有重要意义，历来都是船舶设计者需要重点考虑的问题。

德国的Geiger于1916年发表了利用机械式盖格尔扭振仪测量轴系扭振的文章，从而使扭振的研究进入了实测和实验阶段，在1921年又提出了用于计算扭振固有频率和固有振型的计算方法——霍尔茨法[1]，扭振的研究在20世纪50年代逐渐变得成熟，到了60年代至80年代，随着计算机技术的高速发展，内燃机向着高速率大功率方向发展，扭振变得更加剧烈，事故发生事件层出不穷，促使人们对扭振进行更深一步的研究，主要体现在精密仪器的使用和计算软件精度的提高上，到了20世纪90年代以后，扭振的研究进入了纵深发展期，力学模型的建立更加精确，如Kouji Fujii建立了发动机的曲轴平面模型，利用传递矩阵法求解曲轴的扭转振动及弯曲振动[2]，日本的日立zosen公司等五家公司共同设计出一种新的推进轴系，在稳态性、可靠性等方面都有很大的提升，并降低了成本[3]。

本文重点从扭振模型、扭振计算方法、关键因素分析及扭振软件开发四个方面对船舶内燃机轴系扭振近年来的研究进行分类概述，使读者能够更清晰的了解近年来船舶推进轴系扭振研究的最新成果。

1 扭振的研究结构及数学模型从传统的研究来看，轴系模型一般分为两大类：集总参数模型和分布参数模型。

国内外学者又在此基础上从不同角度建立了不同的轴系模型取得了更好的效果。

涂耿伟等利用模型修正法对缩减后的模型作了进一步的修正，大大提高了模型的精度[4]；艾维等利用Pro/E建立了实船轴系三维仿真模型，通过动力仿真分析了轴系振动特性，达到了良好的效果[5]；张俊红等采用有限元法结合多体动力学方法对某X8170C型柴油机轴系扭振进行了研究，建立了轴系扭振仿真虚拟样机并引入BP神经网络对减振参数进行了优化[6]；肖志建建立了数理模型，利用有限元法对船舶推进轴系扭振问题进行分析，取得了不错的效果[7]；姜雪洁等建立了轴系的动态计算模型，对不同转速下的轴系的动态响应进行了计算[8]。

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。