计入船舶工况和变形影响的轴线校中分析外文翻译资料

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计入船舶工况和变形影响的轴线校中分析

Lech Murawski

摘要：正确的轴线校中是推进系统设计过程中最重要的动作之一。通常，动力传动系统模型与船体隔离。 因此，确定边界条件的正确性是在船舶轴线校中计算中最重要、最困难的问题之一。本文分析了轴颈轴承油膜，船体和轴承架的刚度和阻尼特性，还分析了在不同的载荷条件和常规的海浪下的船体变形。将得到的数据与实船数据进行比较和验证。

关键词：轴线校中；船体刚度；船体变形；油膜刚度和阻尼；轴承特征；轴线校中测量方法

1.引言

轴线校中包括确定主机驱动轴的位置、中间轴承轴的位置和尾管轴承轴的位置。推进系统轴承通常在垂直平面内相互移动，需要进行轴线校中，在水平面上很少需要进行轴线校中（仅在特殊船舶或海军船）。

轴线校中的主要目标是使轴线和曲轴轴承承受适当的负载^[1]。首先，在所有推进器的使用条件下，尾管和中间轴承的反作用力不必太高或太小。在低静态轴承反作用的情况下，应考虑横向振动（动态反应）可能造成的影响。如果静态反应类似于动态反应，加载方向可能是可变的。冲击载荷可能是轴承快速损坏的原因。

所有轴承应负载均匀。Sommerfeld数（参见式（1））是表征轴承负荷的良好参数。轴承负荷低是危险的，尤其对于中间轴承来说（船体变形可能是导致轴承负荷相对较小的原因）。所以，中间轴承的Sommerfeld数有时比其他轴承大30-50%是合理的。

(1)

式中：S——Sommerfeld数；

R——轴承单位负荷；

——润滑油绝对粘度；

——圆周速度；

d——轴颈的直径；

c——轴承松弛。

艉管轴承的载荷分布是应该考虑的另一个重要问题。艉管轴承是最重的轴承，因为它比较长。 更重要的是，装载是非对称的（螺旋桨重量），所以只检查轴承部分是危险的，应该检查轴承负荷分布，例如通过比较两个轴承边缘上的反应（两个反应应该正的，即使是动态分量）。检查轴颈线与管轴之间的相对偏移是一种替代方法。 在这种方法中，轴线的变形以及船体必须确定。

曲轴剪切力的载荷和来自轴线的弯矩必须是适当的。全世界的船用主机生产商都有确定曲轴加载允许面积的方法。最近由Wartsila领导开展了关于改变计算要求的方法的讨论。命题是旧的要求应该修改为：在发动机主轴承中给出来自轴线装载的反应。在这种情况下曲轴的型号必须更详细。 用螺旋桨推力计算包括由推力轴承偏心引起的力矩。根据新方法，由最大螺旋桨推力为船尾提供低载荷或零载荷计算1号主轴承（驱动端）的校中条件（即不考虑船体变形）。主机主轴承的热升高不足以避免1号主轴承的大量负载下降。这是可以接受的，因为牵扯相关的船体弯曲，直到全推力可用，才会使主负荷的静载荷转移。这个说法适用于典型的推进系统：螺旋桨直接由相对较短的轴线驱动（最多两个中间轴承）和低速主机。

最后，应该检查给定的最终轴线校中的弯曲应力。通常（对于大多数典型的船舶动力推进系统），这些准静态应力对于所有的服务条件要求并不高。相对较大的轴线直径由扭转振动要求确定。

有限元法是用于轴线校中计算的最流行的方法。轴线由线性梁元件建模。根据船用发动机的世界生产，将曲轴模型简化：在线排列中有较少的梁（在模型中没有曲柄的几何形状）。螺旋桨和轴的重量，作用于螺旋桨上的流体动力和来自推进系统的其他力是通过静态，节点力和力矩建模。主发动机体的热膨胀模型为主轴承的垂直运动。 这个运动的值由发动机厂商规定。

对所有典型船舶推进系统的工作条件进行计算。工作在标况条件下的动力传动系统（带标准推进速度和“热”主发动机的流体动力）是最重要的变体。同时要注意检查具有“热”和“冷”主机的非工作推进系统的参数，对于断开的动力传输系统（在安装期间）也需要计算，轴颈（SAG和GAP）的位移也必须确定。

轴线校中和横向振动分析对于适当的边界条件的确定特别敏感[2]。如今，仍然难以找出所有轴线基础特性的实际数据。点式，轴向轴承的理想刚性型号的轴线是常见的。第2节中，在介绍轴线校中分析之前，将显示确定边界条件的方法。

2.轴承基础刚度

船体梁通常比轴线更有弹性，因此，确定轴承安装位置的刚度特性是非常重要的。船体的刚度（与主机体一起分析）是推进系统边界条件的主要组成部分。静态和动态分析的计算方法相似。因此，静态和动态刚度特性均可确定。动态特性在侧向（旋转）振动分析中是必不可少的。

本文介绍了艉管轴承，中间轴承和发动机主轴承的典型基础的刚度计算。对于动态强制振动分析，应用了模态叠加法，因此必须确定固有频率和模态。在这种计算中加入的水必须被考虑在内。在典型的船舶动力传动系统中，激励的主频率范围不超过15-20Hz。计算应限于此频率范围。

运用Patran-Nastran商业软件（有限元法）进行计算。已经分析了不同型号的不同船型。从作者的经验来看，对船体船尾部分进行建模足以分析轴承基础刚度。轴承基础的刚度特性主要取决于本地船体（双层底）结构; 甚至不需要使用漏斗对上层建筑进行建模。集装箱船（2000 TEU，188米长度）的典型FEM模型如图1所示。该模型包含19,000度的自由度。励磁力发生在船尾管轴承，尾翼碰撞舱壁（k16）和中间轴承（k20）的船尾（k8）和船首（k11）边缘。轴承基础的动态特性，垂直刚度特性如图2所示。

图1 带有发电室的集装箱型号2000 TEU船尾部分模型。

图2 集装箱船船体的垂直动态刚度

动力传动系统的有限元模型由几个具有刚度和阻尼特性的独立FEM元件支持，这些元件是建模轴承。在这种情况下，忽略船体的连续性。一个轴承运动的力作用在另一个轴承由双层底的连续性引起。在某些情况下，考虑替代刚度可能是重要的。耦合刚度计算参考方程（2）。k_ij表示作用在轴承“j”上的力与由该力引起的“i”承载位移之比。

， （2）

式中：——耦合刚度；

——轴承“j”上的负荷；

——轴承“i”在轴承“j”作用下的位移。

确定所有轴承的刚度耦合后，可以计算出替代刚度。作为施加替代刚度（独立边界条件）的结果，在同一轴线和曲轴偏转可以使用完整的船体模型。替代刚度可以通过下列等式确定：

， （3）

式中：——轴承“i”上的替代刚度；

——摘要轴承“i”偏转；

——轴承数量。

对于替代刚度计算，必须知道静态和动态轴承负荷的分布。因此，轴线校中和横向振动计算应作为迭代过程执行。对上述集装箱船的替代刚度进行分析，艉管轴承基座后端耦合的垂直刚度特性的示例如图3所示。所有类型的垂直刚度见表1，确定了7.92Hz - 第一螺旋桨谐波频率（95rpm，5叶片）的动态刚度。纵向 - 横向耦合非常弱，不必考虑。

图3 艉管轴承后端的垂直连接刚度

表1

垂直集装箱船船体刚度列表

可惜不同类型船舶具有不同的推进系统必须单独计算。刚度值仅适用于相对较小修改的同型船舶。

3. 中间轴承架刚度

中间轴承架是动力传动系统基础的另一个灵活部件，也应分析其刚度。中间轴承架重而僵硬，最低轴承的固有频率通常在100Hz以上。从来自船舶推进系统的主振动力调谐（最高可达20Hz）是非常好的。因此，只能执行静态计算。负荷力的方向和分布应根据油膜压力分布来确定（见第4节）。

对典型中间轴承架应用Patran-Nastran程序进行刚度分析计算。基于假设压力负载标称主发动机转速的油膜计算（图7）。水平和垂直变形被定义为轴承（轴）的平均位移。忽略白色金属和钢材特性之间的差异。

对几种不同的轴承尺寸（从直径430到620mm的轴）进行分析。轴承框架静态变形举例如图4。所提出的FEM模型包含近50,000个元素和20万个自由度。分析的轴承框架的静态刚度在表2中列出。

图4 直径520 / 540mm型中间轴承架变形

表2

中间轴承架的静态刚度

4. 轴颈轴承油膜特性

通常，油膜的静刚度大于船体刚度。油膜的刚度和阻尼特性计算仍然是重要的。纵向分布特性（特别是对于艉管轴承）决定了轴线的支撑点。此外，只有油膜在动力传动系统中具有很强的非线性特性。除了加水属性，只有油膜已得到显著的阻尼特性。不考虑它们可能会导致严重的误差^[3]。与第2节类似，对静态特性以及动态特性进行了分析。

动力传动系统的主轴颈轴承相对较宽，转速较慢。在轴线校中分析期间，应检查油膜压力的适当分布，特别是在轴颈旋转缓慢期间，轴的支撑可能是点状的，局部油压过高。特别是对于艉管轴承^[4]（不是螺旋桨力的中心负载），应考虑轴承轴和管的相对变形。特别是对于艉管轴承^[4]（不是螺旋桨力的中心负载），应考虑轴承轴和管的相对变形。在现有的文献中，没有可靠的主轴颈轴承油膜特性数据^【5】。没有可以推广的计算机程序用于确定油膜的刚度和阻尼。

由作者提出基于有限差分法的专业软件，以确定轴颈轴承的非线性润滑油刚度和阻尼特性。此算法应用了雷诺兹和斯蒂芬的原理^[6]，确定了油膜的压力分布为准静态轴承的工作参数^[7]。动态特性的计算确立在静态平衡位置小的运动的基础上。对轴承轴颈和管的相对变形进行分析，了解船体和轴线弯曲线以及静态和动态轴承反应的分布。因此，轴线校中和横向振动计算应作为迭代过程执行。确定轴承特性的算法是基于有限轴承的长度理论。所以，必须解决雷诺兹理论的全二维偏微分方程。

分析集装箱船尾管润滑油膜的尾管。刚度和阻尼特性用来确定轴线校中和旋转功能。最优的尾管轴承的升程设计为距离动力传动系统轴线 1.75mm。这种校中在其开发期间已经在几艘船上得到了验证。油膜在设计的轴线校中中在最小的主发动机转速-30rpm，开挖转速50rpm，标称转速-95rpm下的压力分布如图5-7所示。图纸的假设如下：0m——轴承尾部，0°——轴承顶点。

图5 在最小速度30RPM下船尾管轴承的压力分布

图6 在最小速度50RPM下船尾管轴承的压力分布

润滑油油膜沿艉管轴承的垂直刚度分布的轴线转数函数如图8所示，轴线校中与垂直刚度（轴承的相对垂直位移）依赖关系也显示在图8和图9中。计算第一螺旋桨叶片（五叶螺旋桨）谐波激发频率为7.9Hz的动态特性。

在典型的船舶推进系统中，中间轴承一般有一个或两个。它们的载荷在纵向是对称的并且不是非常高。油膜压力分

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