軸承力

螺旋槳槳葉上的水動力通過槳軸軸承傳遞給船體，這種激振力稱為軸承力。軸承力有徑向和軸向之分，其中表面力和軸承力是螺旋槳的主要激振力，尤其表面力是艉部振動的主要根源。軸承力只在不均勻的流場中存在，伴流越不均勻，軸承力就越大。

基本介紹

• 中文名：軸承力
• 外文名：Bearing capacity
• 定義：通過槳軸軸承傳遞給船體的激振力
• 學科：船舶工程
• 分類：徑向和軸向
• 影響：引起船舶的艉部振動

簡介

當螺旋槳周期地出入高伴流區與低伴流區時，改變著進入螺旋槳的流速方向與大小，因而螺旋槳的推力與阻力也將發生周期性變化。每當各葉片轉過一定的相角，螺旋槳就重複一次這種受力情況，故其頻率等於葉片數與螺旋槳軸轉數的乘積。這種水動力變化引起的擾動力從兩個途徑作用到船體上，一是以水動壓力的形式直接作用於螺旋槳附近的船體外板表面上，稱為表面力，這是主要的。另一是推力與阻力變化所引起的力，通過軸承傳到船體，稱為軸承力，是比較小的，一般只占25%左右。

成因

螺旋槳在均勻流場運轉時，葉片的攻角是相同的，葉片升力的兩個分力即形成推力和轉矩的分力是不變的，因此不存在其他軸承力。當螺旋槳在不均勻流場運轉時，各葉片的攻角發生變化，構成升力的兩個分量即推力和轉矩的大小和方向產生變化，因而產生周期性變化的推力和轉矩。同時，產生推力和轉矩的流體力還構成螺旋槳橫向力及對槳軸的彎矩。軸承力在各坐標軸上的名稱見圖1。

圖1

螺旋槳由於自身重心、葉片重心或螺距誤差而引起的靜力、動力不平衡或水動力不平衡也會激起振動。這時激振頻率等於槳軸轉速。

影響因素

在均勻流場中，對各葉片幾何特徵完全相同的螺旋槳，除了恆定的推力、轉矩外，其它分量均等於零，因此不產生軸承力。軸承力只在不均勻的流場中存在，伴流越不均勻，軸承力就越大。

圖2 列表1

因為葉片每轉過一個大小等於兩葉片夾角的轉角時，螺旋槳便重複一次受力情況，所以表面力和軸承力的頻率等於槳軸轉速與葉片數(或葉片數的倍數)的乘積，即葉頻(或倍葉頻)。為了說明表面力、軸承力的大致數值，列表1以便比較（見圖2）。

由此表可以看出，單槳船的軸承力普遍比雙槳船大。推力的最大波動出現在單槳四葉船上，達平均推力的16～23%；彎矩的最大波動出現在單槳五葉船上，垂向彎矩的最大波動為平均扭矩的40~60%，而水平彎矩的波動為15~25%；雙槳船的表面力比單槳船大，最大者出現在雙槳三葉船上，達平均推力的11～16%。

主要影響

內河船常在淺水中航行。沿海船也可能遇到淺灘，此時由於淺水效應，船尾的伴流場將更不均勻，表面力和軸承力都會顯著增大。因此尾部的振動常常感到更為強烈。船舶迴轉或倒車時，由於水流的變化，也將產生較大的尾部振動。

當螺旋槳負荷加重，在船後不均勻流場中工作時，隨著轉速加大，葉片上的空泡往往難以避免。空泡雖對軸承力影響不大，但對螺旋槳表面力影響卻很大。定常空泡(主要指葉梢片空泡)對表面力的影響，可按脈動的空泡層而引起葉片厚度變化這樣一種葉厚效應來處理。對於非定常的變空泡，螺旋槳葉片在不均勻流場中周期地進入高、低伴流區，葉片上的空泡時而產生時而崩潰，且潰滅的時間很短，使脈動壓力力幅變化很大，其幅值可較無空泡時增加數倍或幾十倍，成為船舶振動的主要激勵源。由於非定常部分所誘導的壓力遠大於其它因素誘導的壓力，特別在空泡體積變化最劇烈時所誘導的高幅值壓力波，在水中以聲速向四方傳播，基本上是“同時”到達船體表面各個點，使船體表面脈動壓力趨於同相位，自然造成表面力幅值急劇增加。這時脈動壓力的分市電發生變化，在縱向，峰值向後移動，空泡數目越小，峰值越在盤面之後。這是由於際動片空泡越來越長，並在槳後崩潰所致。在橫向，峰值呈明顯的不對稱，壓力峰偏向槳葉離開高伴流區的一邊，這是由於空泡在離開高伴流區時迅速崩潰所致。

此外，污底能改變伴流的分布，尤其是接近水面部分的船底。當污底集中在螺旋槳正上方位置時，有可能引起嚴重的尾部振動，這也是某些船營運若干年後出現尾部振動日益嚴重的原因之一。

減振措施

(1)增加尾軸直徑，提高軸系的固有頻率。

(2)減小軸承間距，軸系正確定位。

(3)改變葉片數，以改變葉頻臨界轉速。

(4)增加尾部船體的剛度，防止船體撓曲和軸系凸起而降低軸系固有頻率。

(5)採用伴流均勻的尾部線型；經過權衡得失的比較後，如選用偶數槳可以減少軸承力中的橫向力和力矩引起的葉頻臨界速度的危險。