波浪中船舶軸系的試驗(yàn)裝置與方法研究

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.