船舶復雜推進軸系耦合振動理論及試驗研究.pdf

1、船舶推進系統(tǒng)作為船舶的心臟，是船舶動力裝置最重要組成部分之一，其對船舶營運的經(jīng)濟性、機動性、安全可靠性等起著至關重要的作用。隨著造船行業(yè)對造船技術、造船工藝與質量要求的提高以及全球“低碳經(jīng)濟”的提出，船舶推進系統(tǒng)的性能需滿足更高的要求，使得其在結構、功能以及性能上變得更加復雜，由此造成原有的軸系振動計算方法在某些場合中因誤差過大而不再適用。同時，由于國際規(guī)范的加強，船舶軸系振動計算中還存在大量未解決或值得考慮的問題，因此需要對船舶復雜軸

2、系的振動進行更深入的研究。本文圍繞自行設計的多機并車聯(lián)合動力裝置綜合試驗臺，針對目前船舶推進裝置的研究熱點，綜合采用數(shù)學推導、數(shù)值計算、動力學仿真和試驗等手段，進行了從梁單元的耦合振動到關鍵零部件的計算分析直至系統(tǒng)的整體研究分析。論文的主要工作如下：
　　 1)分析了目前耦合振動研究中存在的不足，從材料力學和彈性力學的基本原理入手，分析了耦合振動產生的原因；總結了圓截面梁的軸向-橫向以及扭轉-橫向耦合振動方程，并推導了圓截面梁的

3、扭轉-軸向耦合振動方程，分析了其振動耦合固有頻率的變化規(guī)律；并根據(jù)三種振動形式下的兩兩耦合振動方程，導出了圓截面梁的軸向-橫向-扭轉耦合振動方程。
　　 2)由于船用齒輪箱是造成軸系結構和功能復雜化的根本條件，因此以齒輪系統(tǒng)為研究對象，總結了目前求解齒輪嚙合剛度和嚙合阻尼的常用方法，建立了船用齒輪箱考慮齒輪嚙合傳動計算方法下的扭振方程。通過理論計算和建模仿真分析了系統(tǒng)的固有頻率以及齒輪嚙合誤差對扭振的影響；通過斜齒輪的受力分析，

4、解釋了斜齒輪副產生耦合振動的原因，推導得出了斜齒輪副嚙合耦合振動模型；通過實船測試數(shù)據(jù)與各種理論計算結果的對比，認為在忽略齒輪嚙合誤差的情況下，考慮齒輪嚙合剛度的推進軸系扭振計算比傳統(tǒng)的計算方法更精確，與實測結果更一致。
　　 3)聯(lián)軸器的使用使得軸系的性能更加復雜，因此以目前船舶推進軸系中應用較多的十字軸萬向聯(lián)軸器為研究對象，通過坐標變換的方法，推導了主動軸、從動軸和夾角之間的運動規(guī)律，得到了十字軸的運動方程；利用第一類拉格朗

5、日方程推導出最基本的萬向聯(lián)軸器的扭轉振動的基本的非線性方程，通過仿真分析了夾角對萬向聯(lián)軸器系統(tǒng)的固有頻率的影響，得到夾角在小范圍內變化時，可忽略因為夾角變化引起的扭矩波動的結論；在其運動學的的基礎上，利用拉格朗日方程推導出了考慮十字軸的萬向聯(lián)軸器的扭轉振動方程，發(fā)現(xiàn)分析得出無論主動軸、中間軸和從動軸之間的夾角如何變化，該系統(tǒng)均是穩(wěn)定的。同時，隨著中間軸和從動軸之間的夾角依次逐漸增大，系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間依次相應延長，但振幅依次不斷降低，同

6、時與最大峰值處對應的頻率依次減小。
　　 4)以所建立的試驗臺為原型，利用所開發(fā)的復雜軸系的扭振計算軟件，計算分析了三缸柴油機帶測功機工作、四缸柴油機帶測功機工作以及雙機并車帶測功機工作時系統(tǒng)扭轉振動的固有頻率。同時，考慮了雙機并車時柴油機相位差對振動響應的影響，建立了系統(tǒng)的三維模型，并利用動力學仿真軟件，綜合考慮了齒輪系統(tǒng)以及耦合振動的影響，分析了不同轉速下中間軸的角速度變化情況。
　　 5)設計并建立了多機并車聯(lián)合動