涡激振动的抑制对于船舶推进轴系系统的安全稳定运行至关重要。然而，轴承轴向位置影响船舶推进轴系涡激振动特性的机制尚未被完全阐明。因此，本研究以船舶推进轴系试验台为研究对象，通过数值分析研究了不同轴承轴向位置对轴系涡激振动特性的影响。此外，研究人员利用可调位置的轴承座组件，在不同的轴向位置布置轴承进行了涡激振动实验，以验证数值结果。结果表明，尽管轴承轴向位置对固有频率和临界转速的影响可以忽略不计，但适当将前艉轴承和中间轴承向船艉端移动，可以有效降低轴系在稳态工况下的涡激振动响应。此外，调整前艉轴承产生的振动抑制效果比调整中间轴承更为显著。这些发现为船舶推进轴系涡激振动的控制和轴承的优化布置提供了有价值的指导。
**轴承轴向位置对船舶推进轴系涡激振动特性的影响：数值与实验研究**
**研究背景与问题提出**
船舶推进轴系作为船舶动力传动系统的关键组成部分，其动态性能直接关系到船舶航行的可靠性与安全性。在运行过程中，由于旋转部件的不平衡以及螺旋桨在非均匀伴流场中工作引起的交变弯矩，船舶推进轴系可能发生周期性弯曲变形，这种现象被称为涡激振动。如果发生涡激共振或在运行工况下存在过大的振动响应，不仅会产生显著的辐射噪声，还会加速轴承、轴段、联轴器等部件的疲劳磨损，可能导致轴段开裂、断裂等严重故障。因此，深入研究船舶推进轴系的涡激振动特性，对于优化其动力学性能和延长使用寿命具有重要意义。
影响船舶推进轴系涡激振动特性的因素众多，包括固有结构特性、支撑边界条件、陀螺效应以及各种激励力。在船用轴系设计领域，分析这些因素共同作用下的涡激振动特性，为避开共振和抑制振动响应提供了重要的理论基础和工程指导，长期是该领域的研究重点。船舶推进轴系是一个复杂的多支撑转子系统，其轴承布置对轴系的固有频率和振动响应具有显著影响。因此，轴承位置参数是影响船舶推进轴系涡激振动特性的关键因素，主要包括轴承的垂直和轴向位置参数。
调整轴承的垂直位置对船舶推进轴系固有频率的影响相对较小，因此近期的研究主要集中在轴承垂直位置对轴系涡激振动响应的影响上。已有研究表明，合理调整轴承垂直位置可以有效降低涡激振动响应。然而，关于轴承轴向位置，现有研究主要关注其对船舶推进轴系固有频率和临界转速的影响，且大多通过数值模拟进行。例如，利用有限元法分析了艉轴承等效支撑位置对轴系涡激振动固有频率的影响，采用不同数值方法确定了不同轴承布置方案下的涡激振动固有频率，以及通过有限元模型研究了推力轴承轴向位置对轴系涡激振动固有频率和临界转速的影响。这些研究为理解轴承轴向位置对船舶推进轴系动力学特性的基础影响提供了有价值的见解。
但值得注意的是，关于轴承轴向位置对船舶推进轴系稳态涡激振动响应影响的系统性研究仍然相对有限，特别是结合数值模拟与实验验证的研究。轴承轴向位置的改变可以改变船舶推进轴系支撑刚度的分布，进而影响其在实际运行工况下的涡激振动响应。这一研究缺口制约了对轴承布置优化的全面理解，也阻碍了通过调整轴承轴向位置来抑制涡激振动的实际应用。
为解决上述研究空白，本研究建立了一个具有可调轴承位置的船舶推进轴系试验台，通过数值分析与实验研究相结合的方法，探究了轴承轴向位置对船舶推进轴系涡激振动特性的影响。研究首先建立了船舶推进轴系的有限元模型以分析其涡激振动特性。基于该模型，进行数值模拟以考察改变不同轴承轴向位置对轴系涡激振动固有频率和稳态响应的影响。数值结果的可靠性通过实验测试得到进一步验证，从而证实了通过调整轴承轴向位置来缓解船舶推进轴系涡激振动的可行性。
**主要技术方法概述**
为开展本研究，研究人员首先以实船轴系系统为蓝本，设计并建造了一个船舶推进轴系试验台。该试验台配备了可手动调整轴承轴向和垂直位置的专用轴承座组件。研究的核心技术方法包括：第一，建立了参数化的轴系有限元模型，该模型采用Timoshenko梁单元模拟轴段，并在轴承等效支撑点处引入了径向刚度系数，同时考虑了陀螺效应；第二，基于该有限元模型进行了模态分析和稳态谐响应分析，以数值计算轴系的涡激振动固有频率和在特定激励下的振动响应；第三，利用上述可调轴承座试验台，在额定转速工况下，通过安装在轴系特定位置的涡流位移传感器采集振动信号，进行实验验证。样本队列来源于按照真实船舶轴系参数搭建的试验台系统。
**研究结果分析**
**振动特性分析**：首先基于试验台参数建立了有限元模型，并进行了振动特性分析。计算结果显示了轴系的Campbell图，其中前向涡激振动固有频率随转速增加而升高，后向涡激振动固有频率随转速增加而降低。轴系额定转速为200 rpm，其各阶临界转速均满足相关设计规范要求。在额定转速下，由于螺旋桨的悬臂效应，艉轴段的涡激振动比中间轴段更为显著。在螺旋桨处施加模拟横向激励的简谐载荷后，确定了轴系在额定转速下的涡激振动响应。分析表明，由于低阶模态的高参与因子，轴系在额定转速下的实际振型与第一阶模态高度吻合。因此，在螺旋桨与艉轴承之间（测点a）以及两个艉轴承之间（测点b）的轴段上选取了两个振动监测点，其频域响应显示最大共振峰均出现在第一阶涡激振动固有频率附近。
**轴承轴向位置对固有频率的影响**：通过改变参数化有限元模型中前艉轴承和第一中间轴承的轴向位置（ΔzS和ΔzI），分析了其影响。结果表明，当前艉轴承和中间轴承向船首方向移动时，一阶前向和后向涡激振动固有频率逐渐降低，而二阶固有频率逐渐升高。在本研究考虑的调节范围内，轴承轴向位置对涡激振动固有频率的影响相对较小。
**轴承轴向位置对稳态响应的影响**：进一步分析了轴承轴向位置对轴系在额定转速下涡激振动响应的影响。结果表明，当前艉轴承向船艉端移动时（ΔzS减小），两个监测点的第一阶涡激振幅均显著降低。其物理机制主要是两个艉轴承间距缩短，引起轴系第一阶涡激振型重构，增强了两个艉轴承之间轴段的有效弯曲刚度，限制了该轴段的横向模态位移，从而降低了振幅。同时，传递到悬臂端的振动能量也受到抑制。当第一中间轴承向船艉端移动时（ΔzI减小），两个监测点的第一阶涡激振幅也逐渐降低，这也归因于轴系第一阶涡激振型的重构，使得轴系船艉端的支撑约束相对变紧。然而，对比发现，中间轴承轴向位置对轴系涡激振动响应的影响弱于前艉轴承，这是因为前艉轴承更靠近螺旋桨，其轴向位置对轴系第一阶涡激振型的影响更为显著。为验证上述参数影响规律的稳健性，还进行了关于恒定结构阻尼系数的灵敏度分析，结果显示影响规律在不同阻尼参数下保持稳定。
**实验验证**：为验证数值结果，利用配备了可调轴承座组件和涡流位移传感器的试验台进行了实验。首先校验了试验台各轴承的负载，数值计算负载与实际测量负载的最大相对误差仅为3.38%，表明轴系在数值分析和实验测试中的负载分布状态高度一致。在额定工况下，采集了不同轴承轴向位置下的涡激振动响应信号。实验频域响应显示三个明显的共振峰，对应轴系涡激振动的前三阶固有频率。计算得出的数值与实验固有频率的相对误差均低于5%，验证了数值模型的准确性。实验结果表明，当前艉轴承向船艉端移动时，两个监测点的最大涡激振幅逐渐减小，变化趋势与数值分析结果一致。当第一中间轴承向船艉端移动时，最大涡激振幅也逐渐减小，但减小的幅度小于调整前艉轴承的情况，这也与数值分析结果相符。
**结论总结**
通过参数化数值模型和实验验证，本研究探讨了轴承轴向位置对船舶推进轴系涡激振动特性的影响，得出主要结论：（1）当前艉轴承和中间轴承向船首方向移动时，一阶涡激振动的固有频率和临界转速降低，二阶涡激振动的固有频率和临界转速升高。（2）在可行的调节范围内，将前艉轴承和中间轴承向船艉端移动可以有效降低稳态涡激振动响应。此外，调整前艉轴承所达到的振动抑制效果比调整中间轴承更为显著。（3）通过使用参数化的轴承座组件进行的实验测试和数据分析，揭示了轴承轴向位置影响轴系涡激振动特性的机制，实验结果与数值分析结果基本一致。
本研究的数据和参数影响规律为船舶推进轴系的动力学设计优化提供了有价值的指导。特别是对于具有多个径向支撑轴承的长轴系系统，在设计阶段可以基于本研究的发现优化轴承轴向位置，以抑制典型工况下的涡激振动响应，从而降低振动和噪声。然而，本研究存在一定的局限性，主要关注结构相对简单的常规轴系，所获得的参数影响规律对具有特殊结构设计轴系的适用性有待进一步验证。此外，轴承轴向位置也影响轴承间的载荷分布。未来的工作将进一步研究通过调整轴承轴向位置实现轴系对中与涡激振动特性耦合优化的有效方法。
