船舶復(fù)雜推進(jìn)軸系耦合振動(dòng)理論及試驗(yàn)研究.pdf

1、船舶推進(jìn)系統(tǒng)作為船舶的心臟，是船舶動(dòng)力裝置最重要組成部分之一，其對(duì)船舶營(yíng)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性、機(jī)動(dòng)性、安全可靠性等起著至關(guān)重要的作用。隨著造船行業(yè)對(duì)造船技術(shù)、造船工藝與質(zhì)量要求的提高以及全球“低碳經(jīng)濟(jì)”的提出，船舶推進(jìn)系統(tǒng)的性能需滿足更高的要求，使得其在結(jié)構(gòu)、功能以及性能上變得更加復(fù)雜，由此造成原有的軸系振動(dòng)計(jì)算方法在某些場(chǎng)合中因誤差過(guò)大而不再適用。同時(shí)，由于國(guó)際規(guī)范的加強(qiáng)，船舶軸系振動(dòng)計(jì)算中還存在大量未解決或值得考慮的問(wèn)題，因此需要對(duì)船舶復(fù)雜軸

2、系的振動(dòng)進(jìn)行更深入的研究。本文圍繞自行設(shè)計(jì)的多機(jī)并車聯(lián)合動(dòng)力裝置綜合試驗(yàn)臺(tái)，針對(duì)目前船舶推進(jìn)裝置的研究熱點(diǎn)，綜合采用數(shù)學(xué)推導(dǎo)、數(shù)值計(jì)算、動(dòng)力學(xué)仿真和試驗(yàn)等手段，進(jìn)行了從梁?jiǎn)卧鸟詈险駝?dòng)到關(guān)鍵零部件的計(jì)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(dòng)研究中存在的不足，從材料力學(xué)和彈性力學(xué)的基本原理入手，分析了耦合振動(dòng)產(chǎn)生的原因；總結(jié)了圓截面梁的軸向-橫向以及扭轉(zhuǎn)-橫向耦合振動(dòng)方程，并推導(dǎo)了圓截面梁的

3、扭轉(zhuǎn)-軸向耦合振動(dòng)方程，分析了其振動(dòng)耦合固有頻率的變化規(guī)律；并根據(jù)三種振動(dòng)形式下的兩兩耦合振動(dòng)方程，導(dǎo)出了圓截面梁的軸向-橫向-扭轉(zhuǎn)耦合振動(dòng)方程。
　　 2)由于船用齒輪箱是造成軸系結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜化的根本條件，因此以齒輪系統(tǒng)為研究對(duì)象，總結(jié)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(dòng)計(jì)算方法下的扭振方程。通過(guò)理論計(jì)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(duì)扭振的影響；通過(guò)斜齒輪的受力分析，

4、解釋了斜齒輪副產(chǎn)生耦合振動(dòng)的原因，推導(dǎo)得出了斜齒輪副嚙合耦合振動(dòng)模型；通過(guò)實(shí)船測(cè)試數(shù)據(jù)與各種理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，認(rèn)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(jìn)軸系扭振計(jì)算比傳統(tǒng)的計(jì)算方法更精確，與實(shí)測(cè)結(jié)果更一致。
　　 3)聯(lián)軸器的使用使得軸系的性能更加復(fù)雜，因此以目前船舶推進(jìn)軸系中應(yīng)用較多的十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器為研究對(duì)象，通過(guò)坐標(biāo)變換的方法，推導(dǎo)了主動(dòng)軸、從動(dòng)軸和夾角之間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得到了十字軸的運(yùn)動(dòng)方程；利用第一類拉格朗

5、日方程推導(dǎo)出最基本的萬(wàn)向聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的基本的非線性方程，通過(guò)仿真分析了夾角對(duì)萬(wàn)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(nèi)變化時(shí)，可忽略因?yàn)閵A角變化引起的扭矩波動(dòng)的結(jié)論；在其運(yùn)動(dòng)學(xué)的的基礎(chǔ)上，利用拉格朗日方程推導(dǎo)出了考慮十字軸的萬(wàn)向聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)方程，發(fā)現(xiàn)分析得出無(wú)論主動(dòng)軸、中間軸和從動(dòng)軸之間的夾角如何變化，該系統(tǒng)均是穩(wěn)定的。同時(shí)，隨著中間軸和從動(dòng)軸之間的夾角依次逐漸增大，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間依次相應(yīng)延長(zhǎng)，但振幅依次不斷降低，同

6、時(shí)與最大峰值處對(duì)應(yīng)的頻率依次減小。
　　 4)以所建立的試驗(yàn)臺(tái)為原型，利用所開發(fā)的復(fù)雜軸系的扭振計(jì)算軟件，計(jì)算分析了三缸柴油機(jī)帶測(cè)功機(jī)工作、四缸柴油機(jī)帶測(cè)功機(jī)工作以及雙機(jī)并車帶測(cè)功機(jī)工作時(shí)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率。同時(shí)，考慮了雙機(jī)并車時(shí)柴油機(jī)相位差對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響，建立了系統(tǒng)的三維模型，并利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件，綜合考慮了齒輪系統(tǒng)以及耦合振動(dòng)的影響，分析了不同轉(zhuǎn)速下中間軸的角速度變化情況。
　　 5)設(shè)計(jì)并建立了多機(jī)并車聯(lián)合動(dòng)