关键词：船舶轴系；回旋运动；船舶噪声
前言：近几年来，我国的船舶海洋工程有了突飞猛进的进步与发展，因而关于船舶轴系回旋运动的研究也更加深入，希望能够通过改善船舶轴系回旋运动的方式，尽量减少船体轴系的横向弯曲结构共振，减少船舶噪声的产生，从而有效地提升现代化船舶工程的生产效率，减少因轴系回旋运动而引发的螺旋桨脱落问题。
一、回旋运动对船舶噪声的影响研究意义
在上个世纪的第二次世界大战当中，当时生产的一部分船舶工程或是船只，像是美国的“自由轮”，都出现了很大程度上的螺旋桨折损问题，船舶轴系还会出现锥形的大端龟裂，特别严重的话，还会将螺旋桨直接掉落在大海当中，引发非常严重的安全事故。有人在当时指出，造成螺旋桨脱落问题的原因是因为船舶轴系发生了横向的弯曲振动，甚至是引发共振，随后人们尝试着计算得出了轴系横向振动的固有频率公式，进而推导得出了轴系旋转所引起的回旋效应值，从而更加深入地了解了船舶轴系振动的特征规律。
我国学者在轴系回旋运动的研究中，又进一步探索出了更加细致的计算内容，伴随着我国船舶工程设计水平的不断提升，由于轴系回旋运动所引起的船舶工程安全事故已经大幅度减少了，因而人们将关注的重点放在了对船舶噪声影响研究上面，尤其是在低频率的辐射噪声上面，可以说在不同的强线谱频率干扰以及螺旋桨的干扰上面，都会在某种程度上引发轴系的横向弯曲回旋共振，针对这种回旋共振对船舶噪声的影响研究，能够更好地提升船舶工程性能，减少船舶噪声对船舶工程生产设计的影响[1]。
二、船舶轴系回旋运动的横向弯曲振动研究
在实际的船舶工程设计中，船舶的轴系推进结构主要是由传动轴以及螺旋桨构成的，一般来说，在船舶轴系传动轴的自由端上面，主要负责同螺旋桨之间的连接，而在自由端的另一方面，通常会停止在推力的轴承上面。实际上，在船舶工程的船体结构设计上，船体自身是有很多个轴承来负责支撑结构的，但是在轴承安装的时候，又必须要求传动轴是一条直线，而在真正的轴承运转中，运行轴系又不可能是直线，这条线是拥有挠度，这是一条曲线，曲线的挠度轴可以按照一定的角度值来围绕着轴系的几何中心进行自转，此时已经弯曲了的中心线也要按照相同角速度旋转值来围绕着船体结构轴系的支撑中心进行旋转，我们就把这种轴系的旋转运动看作是船舶轴系的回旋运动，这时候的回旋角速度值为ωm，而自转的角速度则用ω代表，挠度曲线设计图如图1所示。
图1轴承运转挠度曲线
在高速度运转的船舶轴系回旋运动当中，通常情况下，回旋运动的自转角速度值都要比回旋旋转运动的角速度值大一些。然而在船舶工程项目的推进轴系当中，一般回旋旋转的角速度值都要比轴系的自转角速度值大一些，这主要是由船舶工程推进轴系运动的性质来决定的，可以将回旋运动自转角速度以及回旋角速度之间的速度关系表示为：mpJd(δnΦm-δmΦw)ωn4-mpJp(δnΦm-δmΦw)ωωn3-(δnmp+ΦmJd)ωn2+ΦmJωωn+1=0。在这一公式当中,mp代表螺旋桨质量，Jp代表船舶轴系螺旋桨的极转动惯量，Jd代表螺旋桨的径向转动惯量，其中Φw和δn表示当螺旋桨受到单位力量作用力的影响时，会在轴系的几何中心位置Op处出现的转角和挠度，同时Φm、δm指的是当螺旋桨受到力矩作用影时，在轴系的几何中心Op位置上，也有一个相似的转角和挠度[2]。
事实上，此方程可以看作是ωn的四次方程，也就是说，每个ω都会对应着四个解。二个解是正值，二个解是负值，通过用正号和负号的方式，来代表ωn同ω的不同方向，是同向的或是相反方向的，如果是相同方向的话，就是正回旋，如果是相反方向的话就是逆回旋，因此用两个不同的正值、负值来代表船舶结构中轴系和螺旋桨系统运动所出现的二阶正回旋以及二阶逆回旋。
三、实例探索
当船舶工程中的轴系在进行回旋运动的时候，一定会在轴系的中心轴线垂直结构面上面出现激励作用力，这种激励作用力的动力频率将会和船舶轴承的横向弯曲共振频率非常相接近，进而引发船体轴系共振，随后船舶工程的轴系振动就会通过轴承和支座激励作用力的方式，形成船舶船体结构的辐射噪声，影响着船舶工程正常的运行工作[3]。
在对船舶工程进行噪声检测设计时，主要是要检测比较明显的低频噪声线谱，因为噪声线谱上面所主要对应的频率可以同船舶工程生产当中，自身设备的干扰频率，螺旋桨轴承频率、轴叶频率相区分开来，再针对船舶工程当中的轴系系统进行振动分析和轴系回旋运动的角速度核算计算，然而在计算的过程中，我们发现，船舶轴系的横向完全振动的固有频率值曲线和噪声线谱上的频率是非常相似的，在计算以后，船舶工程的航行运转中，船舶轴系的传动轴转速频率和回旋角的转速频率基本上和线谱中的频率大致相同。如图2所示，为船舶轴系运动的回旋角频率计算值以及噪声线谱的频率曲线，频率单位为Hz,用fn表示，而ω表示转速，单位是r/min，因此，我们可以将逆回旋运动当中的负号先去掉，然后将它和正向的回旋运动放到一个象限当中先进行比较，其中第一个图主要表示的是回旋运动的自转以及回旋旋转角速度之间的关系，实线代表第二阶正回旋，虚线则代表第二阶的逆回旋。在第二个图中，是第一阶的轴系回旋运动自转和回旋角速度旋转的关系曲线，同样，其中的实线表示第一阶的正回旋，虚线表示第一阶的逆回旋运动。
图2
从图2中我们可以看出，在图像中的圆圈可以表示在实际测量过程中轴系在不同转动速度转态下的线谱频率数值，从图像中可以明显看出由计算所获得的转速对应频率值同回旋运动的频率值大致相同，实际测量的船舶螺旋桨在低转速状态下的旋转线谱频率同当第一阶的回旋逆转频率值非常相接近，而在非常高的高转速状态下的旋转对应频率和船舶轴系的第二阶正回旋运动的频率是基本上保持一致的。
结论：综上所述，通过本文对船舶工程轴系回旋运动的研究，我们应该知道回旋运动是一种固有的运动现象，而且当回旋运动过程中船舶轴系的角频率同横向弯曲的振动频率一致的时候，就会使船体发生非常明显的共振，进而出现窄频船舶噪声，在今后的船舶工程设计中，为了尽量减少船舶噪声问题的出现，必须要对回旋运动的回旋角频率以及轴系的固有频率展开核算。
参考文献：
[1]王建，陈建伟，闫方才，刘正林.基于ANSYS的轴承磨损对船舶长轴系回旋振动的影响分析[J].交通科技，2016，(01):167-170.
[2]张辉，封海宝.陀螺效应对船舶推进轴系回旋振动的影响[J].船舶工程，2014，36(S1):74-76.
[3]祁亮，周瑞平，崔金环.中间轴承对船舶轴系回旋振动特性的影响[J].造船技术，2011，(04):35-38+45.