特種船用動力傳動系統(tǒng)動力學(xué)特性研究.pdf

1、船舶動力傳動系統(tǒng)是實現(xiàn)船舶發(fā)動機(jī)與推進(jìn)器的能量傳遞、同時又將螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸向推力通過軸系傳給船體從而推動船舶前進(jìn)的系統(tǒng)，是船舶動力裝置系統(tǒng)中必不可少的重要組成部分。作為軍事用途的特種水下船舶推進(jìn)軸系在航行過程中則會遇到更為復(fù)雜的水文環(huán)境和受力狀況。還可能會遭受到接觸性爆炸、水下非接觸性爆炸、自身武器發(fā)射時的反沖力等沖擊載荷的作用，將不可避免產(chǎn)生振動。破壞性的振動會影響機(jī)械的壽命以及工作可靠性，甚至可以直接引起運動部件或者整機(jī)的嚴(yán)重?fù)p

2、壞。振動引起的噪聲源會使船舶的隱蔽性下降，在戰(zhàn)時常常構(gòu)成敵人預(yù)警器材的搜索對象，導(dǎo)致敵人武器的攻擊。因此，對其軸系的動力學(xué)特性的分析研究就顯得尤為重要。但此前國內(nèi)缺乏對水下船舶整體動力傳動系統(tǒng)的動力學(xué)特性所做的研究。
　　本研究主要基于某軍用水下船舶動力傳動裝置為模型的實際算例，對其傳動軸系及重要部件進(jìn)行了相關(guān)動力學(xué)特性研究和分析。針對系統(tǒng)各部分裝置的結(jié)構(gòu)特點，精選當(dāng)前最典型、最有效的動力學(xué)方法，摘選了系統(tǒng)中動力學(xué)特性比較典型，對

3、系統(tǒng)影響突出的幾個主要部位:主傳動軸、高壓掃氣泵、主柴油機(jī)曲軸、船用齒輪箱的相關(guān)特性進(jìn)行研究。結(jié)合具體算例進(jìn)行了理論運算和仿真分析，主要研究工作如下：
　　(1)水下船舶的主傳動軸結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，是一個多質(zhì)量的彈性振動系統(tǒng)。包含從活塞連桿曲軸機(jī)構(gòu)，前后傳動齒輪裝置，后面的離合器、主電機(jī)、螺旋槳之間的多種附件。其振動特性對船體的隱蔽性、噪聲、動力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性都起著重要的影響。是研究動力傳動系統(tǒng)動力學(xué)特性的基礎(chǔ)。本文對于主傳

4、動軸系根據(jù)其具體結(jié)構(gòu)，應(yīng)用傳遞矩陣法，建立集中質(zhì)量模型，求解其固有頻率和振型。由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的離散等效化原則，得到質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)軸剛度的集中等效公式?；陔x散等效的集中質(zhì)量模型，探討混合支承的傳遞方法，在計算中對混合支承迸行特殊的處理，求出了多跨子帶有混合支承軸系的總傳遞矩陣。并利用MATLAB軟件對頻率方程進(jìn)行求解，得到各階臨界角速度和臨界轉(zhuǎn)速，并據(jù)此求得轉(zhuǎn)子各階振型。
　　(2)掃氣泵作為水下船舶主柴油機(jī)重要的輔助機(jī)構(gòu)，在實際

5、工作中是故障率較高的裝置之一。表現(xiàn)為高轉(zhuǎn)速、大噪聲、強(qiáng)振動工況。本文為提高研究的通用性，將該系統(tǒng)動力學(xué)建模簡化為滾動軸承—偏置轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，充分考慮圓盤偏置量、陀螺力矩以及非線性滾動軸承力的影響因素，進(jìn)行動力學(xué)建模及非線性響應(yīng)分析。依據(jù)第二類拉格朗日方程建立了更加完整的滾動軸承-偏置單盤轉(zhuǎn)子8自由度動力學(xué)方程，并利用數(shù)值方法對其求解，通過對所建模型的動態(tài)特性分析，得到了轉(zhuǎn)速、圓盤偏心距、軸承游隙、滾動體接觸剛度、圓盤偏置量和阻尼對系統(tǒng)非線性

6、響應(yīng)的影響。
　　(3)對于主柴油機(jī)曲軸扭轉(zhuǎn)振動特性的研究主要考慮了活塞、連桿具有變慣量的因素對柴油機(jī)軸系系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動影響進(jìn)行了研究，計算中考慮了活塞與氣缸間的非線性干摩擦和非線性彈性恢復(fù)力對軸系扭轉(zhuǎn)振動的影響，得出了若干結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，利用拉格朗日方程建立了柴油機(jī)軸系彎扭耦合非線性動力學(xué)模型，分別應(yīng)用解析方法和數(shù)值積分方法對軸系的非線性動力學(xué)特性進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明:質(zhì)量偏心、變轉(zhuǎn)動慣量和活塞與氣缸間的非線性干摩擦對軸系的非

7、線性振動行為都有不同程度的影響。所得結(jié)論為改善系統(tǒng)動力學(xué)特性，保證柴油機(jī)安全穩(wěn)定運行提供了理論依據(jù)。
　　(4)船用齒輪箱動力學(xué)特性有限元分析。大型船用斜齒輪輪齒的幾何模型復(fù)雜，其力學(xué)分析非常困難。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在齒輪研究中廣泛應(yīng)用有限元方法來計算應(yīng)力和應(yīng)變。本文采用Abaqus有限元軟件首先建立齒輪箱傳動系統(tǒng)的有限元分析模型，將各軸承支撐剛度以彈簧剛度來模擬，將齒輪之間進(jìn)行綁定(tie)約束，從而將非線性接觸模態(tài)求解，簡