第一章 绪 论

1. 1船舶轴系的组成与布置

船舶轴系的基本任务是将发动机的功率传给螺旋桨，同时又将螺旋桨旋转产生的轴向推进力通过轴系传给船体，推进船舶前进。

船舶轴系的主要部件有:螺旋桨轴，中间轴，推力轴以及它们的轴承。 螺旋桨轴位于轴系最后端，其后端装有螺旋桨，前端穿过尾轴管轴承与中间轴相连接。螺旋桨轴工作条件比其他轴段恶劣，大型船舶螺旋桨重达几十吨，使螺旋桨轴受到较大悬臂梁负荷，产生较大的弯曲力，同时螺旋桨轴还承受螺旋桨运转时不均匀动载荷和艇部振动造成的附加应力。为了保证螺旋桨轴可靠的工作，就必须选择合理的结构和材料，使它具备足够的的强度、刚度、抗腐性以及尽可能轻的质量。双轴船的螺旋桨轴很长，为了加工和拆装方便，可一分为二，前者称尾轴，后者称螺旋桨轴。螺旋桨轴支承有水润滑和油润滑两种。水润滑轴系摩擦材料一般以铁梨木为多，它和青铜套组成的摩擦副，摩擦系数低(约为0.003-0.007)，轴承耐磨，寿命长。轴与轴承接触的轴径部分镶有青铜套，其余部分凡与海水接触的轴段应有橡胶或玻璃钢包覆层，以避免海水对轴腐蚀。铜轴套材料一般用锡锌青铜。

中间轴置于推力轴与螺旋桨轴之间。它是一个锻造整体，两端带有整段法兰，轴段长短和数量是由船体长度和机舱位置而定。某些舰船，为于减轻重量，采用空心轴。每根中间轴通常只设置一个中间轴承，它的安装位置一般不在轴段的中央，而偏在一端，以利于安装。中间轴承的结构型式主要有滑动式和滚动式两种，前者使用较为广泛。

船舶轴系的组成，布置的共性和特殊性概括起来，主要有以下几点:

(1)由于机舱到船尾有一定距离，特别是机舱位于中部的船舶，一般轴系都很长。为了加工制造、运输、拆装的方便，往往把他们分成许多段，并用法兰联轴器加以连接。每一轴段，按用途可分为推力轴、中间轴、螺旋桨轴等。

(2)螺旋桨推力是通过推力轴和推力轴承传给船体的。

(3)当主机为中高速柴油机时，其后面往往还带有传动设备，如齿轮箱，弹性联轴器，离合器等。而对于低速机的直接传动装置，发动机飞轮直接和中间轴(或推力轴)相连，轴系比较简单。一些尾机型单机单浆的船舶轴系可能只有一根螺旋桨轴，

1

或者是一根中间轴，一根螺旋桨轴，轴系长度比较短。

(4)轴线的位置是依发动机或减速齿轮箱的输出法兰中到螺旋桨中心连接的直线而定。理想的布置是轴线和船基线平行。

(5)一般轴系，主机和螺旋桨都布置在一直线上，但有些小型高速艇，导弹艇，机舱很小，轴系直线布置有困难，把轴线拆成两段，中间以V型传动齿轮箱连接。

1.2船舶轴系的激振力矩

激振力矩是船舶轴系（包括发动机轴系）扭转振动的能量来源，主要有： (1)内燃机工作时，由气缸内气压压力产生工作作用在曲轴销上的交变切向应力与径向力。这是轴系振动的主要激振源之一。

(2)内燃机运动部件(如活塞，连杆，曲轴等)的重力和运动时产生的惯性力所引起的激振力矩。

(3)接受功率部件接受功率不均匀引起的激振力矩。如螺旋桨在径向和轴向下都很均匀的三维半流场中运转时所受到的交变纵向(轴向)和横向推力矩

(4)船舶轴系部件运转时产生的激振力矩。如由于静力或功力不平衡的旋转部件产生的离心惯性力矩;变速传动系中齿轮产生的周期性敲击等。

(5)另外，船舶总体振动和局部振动作为支承激励也可能激起轴系振动。 扭振激振力矩大多是复杂的，并呈周期性变化的。由数学分析可知，任何复杂的周期性函数都可以分解成一系列简谐函数所组成的傅立叶级数形式。这样就可以分别考虑各次简谐性激振力矩对轴系产生的激振作用。

1.3轴系扭转振动的简化模型

从振动力学的角度来看，船舶轴系可以视为具有多个集中质量的弹性系统。柴油机气缸燃烧压力发生周期性变化，柴油机输出转矩包含两个成分：平均转矩和波动转矩。后者成为弹性系统的扰动源，引起轴系的扭转振动。在共振转速下工作时，扭转振动的振幅将大大增加，产生较大的扭振附加应力。规范推荐的轴径计算公式虽然考虑了扭振因素，但轴的扭振附加应力必须在许用范围之内，否则，就应采取减振或避振措施。同样，船舶轴系可视为多支承连续梁。在轴承之间跨距内会产生一定的挠度。由于螺旋桨和轴段机械加工的误差、材料密度不均匀以及安装缺陷等因素，使它们的中心实际上不在回转中心线上，轴回转时会产生离心力。同时，由于螺旋桨的悬臂作

2

用，会产生陀螺效应，轴在这种情况下长期运行，不仅严重敲击轴承导致过早损坏，而且还会引起船体振动和轴的折断。为此，必须校核回旋振动的固有频率，使之远离运转转速范围；否则，就要在轴系设计中采取措施加以改进，尤其对高速船舶的轴系，更要注意。

常规的推进轴系扭振计算中，大多采用集中参数模型。此类模型有三种基本元件组成：刚性匀质圆盘元件，无惯性阻尼元件及无惯量扭转弹簧元件。现在，也常用集总参数元件与分布参数元件相结合的模型。

在柴油机轴系扭转振动中的具体方法是：

（1）柴油机每一气缸的运动部件（包括单位曲柄，连杆，活塞组件）简化为一个匀质圆盘元件，该元件放在曲轴轴线的气缸中心位置。对于多列式柴油机，则将同一排上各缸的运动部件合并为一个圆盘元件，各缸元件之间的连接弹簧元件刚度等于单位曲柄刚度。

（2）传动齿轮，链轮，飞轮，推力盘，螺旋桨，发电机转子，干摩擦片离合器都作为绝对刚度简化为匀质圆盘元件，该元件放在各部件中心或几何中心位置。

（3）中间轴，尾轴和螺旋桨轴的转动惯量按需要适当等分后简化为若干匀质圆盘元件，通常是等距离的排列在周中心线上，各元件之间的连接弹簧刚度等于它们之间轴段的刚度。对于尾机型短轴系，一根轴的转动惯量简化为两个圆盘元件，分别放在两端法兰端面位置即可。对于中机型长轴系，一根轴的转动惯量适当细分为两个以

上的圆盘元件，这有助于绘制更精确的振型曲线。

现在，也常将中间轴，尾轴和螺旋桨轴按自然分段为等截面匀质轴段元件，这样可使简化模型更接近实际系统，同时又不使计算分析过于复杂。

（4） 柴油机的附件分支，如凸轮轴，水泵，滑油泵等，在计算分析曲轴轴系振动性能时，一般可不予考虑。显然，如果它们牵涉到该附件分支的扭振性能时，则应计入模型中。这时将泵的转子简化为均质圆盘元件，每个凸轮及其传动的运动件用一圆盘元件代替，各盘之间的连接弹簧刚度等于相应轴段的扭转刚度。

（5）弹性联轴器，弹性扭振减振器的主动与从动部件简化为均质圆盘元件，它们之间的连接弹簧刚度等于连轴器弹性元件刚度。如弹性元件的转动惯量不可忽视，则一分为二分别计入主、从动圆盘元件内。

（6）硅油减振器简化为均质圆盘元件，其转动惯量等于壳体转动惯量与二分之

3

一惯性轮转动惯量之和。

（7）忽略轴承对系统扭振的约束。

（8）一般不考虑齿轮啮合刚度和油膜刚度。

（9）皮带，液力偶合器均可视为扭转刚度极小的传动件，它们所联系的部分可视为扭振特性相互独力的两个系统。

（10）在自由振动计算中，如系统无大的阻尼元件，一般可不计入阻尼的影响。在振动相应计算中，柴油机阻尼，螺旋桨阻尼，减振器阻尼，发电机阻尼等多采用等效线性粘性阻尼器模型。有些文献称作用在惯性元件上的阻尼为质量阻尼，作用在轴段上的阻尼为轴段阻尼，以示区别。

1.4船舶轴系扭转振动的危害

(1)推力轴、中间轴、螺旋桨轴、尾轴以及凸轮轴的折断; (2)减速齿轮间撞击、齿面点蚀及断裂; (3)联轴器连轴螺栓切断、橡胶联轴器的撕裂; (4)发动机零部件磨损加快;

(5)柴油机—发动机组输出不允许的电压波动;

(6)出现扭转—纵向藕合振动;产生继发性激励，从而激励起柴油机机架、齿轮箱、双层底及船体的振动，并使噪声加剧。

4