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      波浪中船舶軸系的試驗(yàn)裝置與方法研究

      2018-02-20 09:15:46董詩晨董良雄
      關(guān)鍵詞:試驗(yàn)臺(tái)

      董詩晨 董良雄

      摘要:針對在實(shí)驗(yàn)室難以模擬航行中船舶的問題,本文設(shè)計(jì)了一種波浪力作用下的船舶軸系試驗(yàn)臺(tái)。在試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)中對模擬軸系采用了彈性支撐,并利用輔軸和水箱傳遞波浪激勵(lì)力,具備了波浪中船舶軸系的受力和運(yùn)動(dòng)特征,解決了實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)船航行環(huán)境中船舶航行性能的一致性問題。

      關(guān)鍵詞:船舶軸系;試驗(yàn)臺(tái);波浪載荷

      船舶軸系是船舶動(dòng)力裝置中的重要組成部分,承擔(dān)著將主機(jī)發(fā)出的功率傳遞給螺旋槳,并將螺旋槳產(chǎn)生的推力傳遞給船體,實(shí)現(xiàn)推船航行的作用。船舶軸系是從主機(jī)輸出端法蘭起至尾軸為止,連接主機(jī)和螺旋槳,尾軸穿過船體由尾軸承支撐,尾軸承則與船體相連。正常工作時(shí)軸系應(yīng)保持良好的對中狀態(tài),但船舶在波浪中航行時(shí),船體會(huì)隨波浪發(fā)生變形,從而影響軸系的運(yùn)轉(zhuǎn)。

      一、現(xiàn)有船舶軸系試驗(yàn)臺(tái)

      軸系試驗(yàn)臺(tái)一般由模擬軸系、載荷施加裝置兩部分組成。模擬軸系是對實(shí)船的軸系進(jìn)行比例縮小。載荷施加裝置是對實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行的模擬,現(xiàn)有方法一般采用重錘施加沖擊載荷,或是采用偏心輪施加偏心載荷,能有效模擬船舶軸系受到的外力作用[1]。但由于波浪誘發(fā)的船體變形和船舶運(yùn)動(dòng)并不是直接作用在軸系上,而是作用在與船體相連的尾軸承上,常規(guī)的載荷施加裝置無法完成。目前一般是通過船模的分段模型來得到波浪力對船舶軸系的影響機(jī)理,但價(jià)格昂貴且較難實(shí)現(xiàn)。

      二、波浪力作用下的模型試驗(yàn)臺(tái)

      1.基于“波浪在上部”的載荷施加裝置

      波浪誘發(fā)的船體變形作用是通過軸系支承傳遞的,因此可在軸系支承上加裝一根輔軸模擬船體結(jié)構(gòu),輔軸位于尾軸的上方,使輔軸與軸系構(gòu)成一個(gè)彈性體結(jié)構(gòu),進(jìn)而傳遞波浪誘發(fā)的船體變形。

      此外,輔軸結(jié)構(gòu)又為波浪載荷的布置提供了方便,可在輔軸上部安裝水箱結(jié)構(gòu),通過水箱的造波機(jī)構(gòu)產(chǎn)生多種類型的波浪,從而將波浪力施加到輔軸上,模擬波浪對船體的激勵(lì)效應(yīng)并傳遞給軸系[2]。

      2.基于“噴水沖擊”的波浪發(fā)生裝置

      船體在波浪中的受力規(guī)律與水箱底部受到的波浪力相同,因此可利用水箱中波浪來模擬船體受力。水箱設(shè)計(jì)思路如下:水箱的上部安裝有造波機(jī)構(gòu),造波機(jī)構(gòu)由固定在造波軸上的若干塊造波底板組成,造波底板上安裝造波板并通過螺栓與之活動(dòng)連接。改變造波板的水平角度,水泵噴成的水沖到造波板上就可以制造多種波浪。此外,水箱內(nèi)部的隔板可以上下調(diào)整,隔板兩側(cè)加裝落水槽和吸水口便于造波時(shí)水的流動(dòng);水箱的頂部裝有蓋板,蓋板上裝有透氣窗,透氣窗開度可調(diào)整改變箱內(nèi)氣流,水箱的底部安裝弧形部,這些措施都能使造波效果更好。

      3.基于“軟連接”的總體結(jié)構(gòu)

      為了增加振動(dòng)傳遞效果,水箱兩側(cè)安裝導(dǎo)向塊,在水箱的兩邊與導(dǎo)向槽對應(yīng)位置安裝導(dǎo)向條,使導(dǎo)向塊沿著導(dǎo)向條做上下運(yùn)動(dòng),從而控制水箱做上下運(yùn)動(dòng)。水箱的下表面通過連接件與輔軸連接。連接件分為上、下連接塊并通過螺栓活動(dòng)連接,上連接塊連接氣體彈簧并具有一個(gè)活動(dòng)頭部,活動(dòng)頭部安裝在水箱下定位法蘭上的導(dǎo)向孔中并具有一定間隙,水箱受力后的變形通過該間隙來緩沖,連接件起到了軟連接的作用,裝置總體連接效果如圖1、圖2所示。

      三、試驗(yàn)效用分析

      在圖1與圖2中,各部分說明如下:1.轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu);2.剛性尾軸承;3.尾軸;4.機(jī)座;5.彈性尾軸承;6.弧形部; 7.輔軸;8.連接件;9.水箱;10.隔板;11.落水槽;12.導(dǎo)向條;13.導(dǎo)向塊;14.導(dǎo)向槽;15.造波機(jī)構(gòu);16.出水口;17.水泵;18.吸水口;81.下連接塊;82.上連接塊;83.氣體彈簧;84.定位銷;85.活動(dòng)頭部;86.定位法蘭;87.導(dǎo)向孔。

      船舶航行時(shí)由波浪激起的振動(dòng)分為兩類:一是由船體與波浪之間的砰擊引起的瞬態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng),二是小而短的波浪誘發(fā)的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)[3],可作為兩種典型工況進(jìn)行軸系試驗(yàn),具體步驟如下:

      1.將造浪板安裝到造浪板軸上,水箱存水并調(diào)節(jié)造浪板角度及隔板的高度,開啟水泵,使水泵出水口的水流沖擊造浪板產(chǎn)生波浪,波浪力傳遞給輔軸并使輔軸產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)變形。

      2.進(jìn)一步改變尾軸的轉(zhuǎn)速,水泵與造浪板的高度差,以及造浪板的各種位置變化并檢測軸系振動(dòng)形態(tài),使尾軸上能監(jiān)測出二類典型振動(dòng),獲取造波機(jī)構(gòu)參數(shù)。

      3.根據(jù)造波參數(shù)范圍設(shè)置造浪板角度,調(diào)節(jié)隔板高度與水泵出水量,模擬實(shí)際海面上的隨機(jī)波浪,測量并計(jì)算波浪中船舶軸系性能參數(shù),流程如圖3所示。※

      參考文獻(xiàn):

      [1] 董良雄,楊意,高軍凱,等.基于船舶艉軸-油膜-艉部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的碰撞載荷響應(yīng)研究[J].中國艦船研究,2017(1):122-127.

      [2] 董詩晨,一種波浪力作用下的船舶軸系試驗(yàn)裝置:CN201611020813.2[P]. 2017-01-11.

      [3] 汪雪良,顧學(xué)康,胡嘉駿.船體梁剛度對波激振動(dòng)影響的比較研究[J].中國艦船研究,2016(5):55-62.

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