船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究

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。更应该注意的是，当发动机运转在主临界速度时，自由端的传动齿轮箱往往容易发生齿击或噪声大的现象，这时检查时会发现齿轮有点蚀或剥落等磨损现象，严重时会有断齿事故。有时在强共振的情况下，轴系中的某些位置只要数分钟运行就能自行发热，稍有疏忽，就可能造成断轴断桨的海损事故。

2 船舶柴油机因扭振而引起的断轴断桨的事故及分析

（1）广西海运局北海分局所属沿海货轮400吨桂海461、462、463，三条轮船，航行于北海香港航段。自1972年投入运行至1974年5月以来，三轮共断桨断轴8次，其中断轴5次，断桨3次。桂海461轮自1972年1月至1972年3月桨叶折断，修复后又运行到不到1个月于1972年4月中间轴焊缝处裂开扭断，经有关部门检查发现第一次事故是由于主轴浇铸质量不合格造成，第二次是由于焊接工艺不过关引起的。但是桂462和463轮也连续发生了类似事故，为了查明多次事故的真正原因，上海船监局和上海船舶设计院联合于72年5月在461轮上进行了几种不同工况下的扭转振动测试，测得船舶扭振附加应力均超过船规最大许应值。

该三轮由上海船舶设计院设计，梧州船厂建造，其主要参数如下：

船长：50.79米

船宽：8.40米

吃水：3.40米

主机位日本阪神Z6L27ASH型六缸四冲程中速柴油机，其主要参数如下：

缸径：270毫米

冲程：400毫米

持续功力：650马力

持续转速：400转＼每分

发火顺序：1—4—2—6—3—5（正车）

1—5—3—6—2—4（倒车）

螺旋桨直径：1730毫米

叶片数：3个

尾轴径：150毫米

中间轴径：134毫米

但是据说日本用同样的机器却没有发生事故，可能是我国在将轴系与主机连接时没有进行扭振计算，而改变原来参数，致使发生多次断轴断桨事故，经上海船检局等部门检查测试后，提出的改进措施是：提高系统自振频率，加大中间轴与尾轴轴径，同时将螺旋桨的三叶改为四叶，可避开与主机干扰力矩间歇次数重叠。另一种方法是降低单结频率增加弹性联轴节或增大飞轮转动惯量等。

（2）我国第一艘万吨远洋货轮“东风”号，其推进装置持续转速为115转/每分，而在常用的90-100转/每分出现强共振经测试发现其曲轴扭振应力超过许用极限值。我国大型沿海客货“长征”号，在常用转速r=0.9-1.0的速比时，也出现了双结强共振，因而被划分为“禁区”。此外，在“大庆12”号，“杭州”号和”兰州”号的曲轴后壁的曲柄臂上都出现了裂纹，经过排查分析，被诊断为由扭转振动引起的。

当船舶柴油机组轴系发生强烈扭转共振时，能够使轴系产生裂纹、轴系断裂等严重事故，因此我们在研究柴油机轴系事故的目的是首先要分析出使轴系发生扭转振动的激励源在哪里，以及我们该采取何种措施最大程度上的减小和避免这种现象。

3 柴油机组轴系扭振的主要激励源

扭转振动产生的原因是可以大致分为内部因素和外部因素两个方面，内部因素是系统具有的固有频率；外部因素是作用在柴油机组上的周期性变化激励p

4.1 改变系统的固有频率

改变系统扭振当量系统的固有频率W1，使之远离干扰频率W0.从而避开共振区，以“调频”来达到“避振”的目的。

扭振当量系统的固有频率，主要是由各轴段的刚度和各质量的转动惯量所决定的，改变刚度和惯量均能达到“调频”的目的。由于轴段刚度和直径的四次方成正比，所以增大轴段的直径可以增加刚度，从而使整个系统的固有频率提高；改变飞轮惯量，可以系统单节、双节和三节的固有频率。如果在船体结构允许的条件下，可以缩短轴系长度也可以改变轴系刚度，以此来提高系统的固有频率。达到避振目的。

加装弹性联轴节也可以改变系统的固有频率，采用大柔度的弹性联轴节可以降低系统的固有频率，使共振转速低于常用转速，另外加装了较大阻尼的弹性联轴节，可以使共振力大大减少。

4.2 提高扭振附加许用应力

选择合适高质量的中间轴、螺旋桨轴的材料，通过提高轴段的材料强度来提高轴段的扭振附加应力，从而使轴系长期安全良好的运行。

4.3 降低共振状态时的力矩和振幅

通过增大阻尼或降低干扰力矩，从而降低共振状态时的力矩和振幅，以达到“减振”的目的。要增大阻尼，一般是在系统中加装具有较大阻尼作用的弹性联轴节和硅油减振器，或者增加大阻尼部件的振幅，从而以达到“减振”的目的。降低干扰力矩，一般通过改变各缸的发火顺序或改变振形从而减小相对振幅的矢量和，从而以达到“减振”的目的。

4.4 设置“转速禁区”

在柴油机常用转速范围下，把产生较严重共振现象的临界转速定位“转速禁区”，避免在此转速附近长期运转，达到回避较强扭振减少事故的目的。在装有减速齿轮箱的轴系中，在常用转速下，扭振产生啮合处的振动扭矩往往超过平均扭矩，因此应该设置“转速禁区”。

在装有弹性联轴节的轴系中，在常用转速下，扭振产生的交变扭矩往往大于弹性联轴节的交变扭矩，但小于最大扭矩情况下，也可以设置“转速禁区”避免扭振事故发生。

5 结语

随着现代化进程的发展，我国航运业的发展也进入了高速发展的快车道，为了保证船舶的安全航行，我们的科研人员和广大船运行业的一线从事者们，更应该认识和掌握扭振的特点和规律，充分认识到扭振的严重后果，我们的船在设计和建造时，要严格执行钢船建造规范中关于扭振问题的规定，对扭振系统进行精确的分析和计算。这样才能防患于未然，尽量减少或杜绝此类事故的发生。

参考文献：

[1]许运秀等.船舶柴油机扭转振动[M].北京：人民教育出版社，1982：34-36.

[2]中华人民共和国船舶检验局.长江水系钢船建造规范1978[M].北京：人民交通出版社1978：105-106.

[3]中国船级社.钢质海船入级规范2009[M]北京：人民交通出版社，2009：27-28.

[4]李渤仲.内燃机轴系振动[M].国防工业出版社，1984：45-46.