学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

船舶复杂推进轴系耦合振动理论及试验研究

作　者: 徐翔
导　师: 周瑞平; 赵新泽
学　校: 武汉理工大学
专　业: 轮机工程
关键词: 复杂推进轴系耦合振动万向联轴器齿轮系统双机并车
分类号: U664.21
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
下　载: 311次
引　用: 1次
阅　读: 论文下载

内容摘要

船舶推进系统作为船舶的心脏,是船舶动力装置最重要组成部分之一,其对船舶营运的经济性、机动性、安全可靠性等起着至关重要的作用。随着造船行业对造船技术、造船工艺与质量要求的提高以及全球“低碳经济”的提出,船舶推进系统的性能需满足更高的要求,使得其在结构、功能以及性能上变得更加复杂,由此造成原有的轴系振动计算方法在某些场合中因误差过大而不再适用。同时,由于国际规范的加强,船舶轴系振动计算中还存在大量未解决或值得考虑的问题,因此需要对船舶复杂轴系的振动进行更深入的研究。本文围绕自行设计的多机并车联合动力装置综合试验台,针对目前船舶推进装置的研究热点,综合采用数学推导、数值计算、动力学仿真和试验等手段,进行了从梁单元的耦合振动到关键零部件的计算分析直至系统的整体研究分析。论文的主要工作如下：1)分析了目前耦合振动研究中存在的不足,从材料力学和弹性力学的基本原理入手,分析了耦合振动产生的原因；总结了圆截面梁的轴向-横向以及扭转-横向耦合振动方程,并推导了圆截面梁的扭转-轴向耦合振动方程,分析了其振动耦合固有频率的变化规律；并根据三种振动形式下的两两耦合振动方程,导出了圆截面梁的轴向-横向-扭转耦合振动方程。2)由于船用齿轮箱是造成轴系结构和功能复杂化的根本条件,因此以齿轮系统为研究对象,总结了目前求解齿轮啮合刚度和啮合阻尼的常用方法,建立了船用齿轮箱考虑齿轮啮合传动计算方法下的扭振方程。通过理论计算和建模仿真分析了系统的固有频率以及齿轮啮合误差对扭振的影响；通过斜齿轮的受力分析,解释了斜齿轮副产生耦合振动的原因,推导得出了斜齿轮副啮合耦合振动模型；通过实船测试数据与各种理论计算结果的对比,认为在忽略齿轮啮合误差的情况下,考虑齿轮啮合刚度的推进轴系扭振计算比传统的计算方法更精确,与实测结果更一致。3)联轴器的使用使得轴系的性能更加复杂,因此以目前船舶推进轴系中应用较多的十字轴万向联轴器为研究对象,通过坐标变换的方法,推导了主动轴、从动轴和夹角之间的运动规律,得到了十字轴的运动方程；利用第一类拉格朗日方程推导出最基本的万向联轴器的扭转振动的基本的非线性方程,通过仿真分析了夹角对万向联轴器系统的固有频率的影响,得到夹角在小范围内变化时,可忽略因为夹角变化引起的扭矩波动的结论；在其运动学的的基础上,利用拉格朗日方程推导出了考虑十字轴的万向联轴器的扭转振动方程,发现分析得出无论主动轴、中间轴和从动轴之间的夹角如何变化,该系统均是稳定的。同时,随着中间轴和从动轴之间的夹角依次逐渐增大,系统达到稳定的时间依次相应延长,但振幅依次不断降低,同时与最大峰值处对应的频率依次减小。4)以所建立的试验台为原型,利用所开发的复杂轴系的扭振计算软件,计算分析了三缸柴油机带测功机工作、四缸柴油机带测功机工作以及双机并车带测功机工作时系统扭转振动的固有频率。同时,考虑了双机并车时柴油机相位差对振动响应的影响,建立了系统的三维模型,并利用动力学仿真软件,综合考虑了齿轮系统以及耦合振动的影响,分析了不同转速下中间轴的角速度变化情况。5)设计并建立了多机并车联合动力装置综合试验台,对其硬件组成和监控系统进行了简要说明；概述了三种不同工况下的测试方案,通过测试数据验证了前述相关理论的正确性。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第1章绪论  12-34
  1.1 目的和意义  12-17
  1.2 轴系振动研究综述  17-26
    1.2.1 研究模型  17-18
    1.2.2 计算方法  18-20
    1.2.3 推进轴系振动研究  20-26
  1.3 振动理论综述  26-30
    1.3.1 线性振动  26
    1.3.2 非线性振动  26-30
  1.4 课题来源及本文的主要工作  30-34
    1.4.1 问题提出与课题来源  30-32
    1.4.2 主要工作与章节安排  32-34
第2章耦合振动机理研究  34-71
  2.1 概述  34
  2.2 耦合问题  34-43
    2.2.1 一般解耦方法  34-37
    2.2.2 存在问题  37-43
  2.3 梁单元的耦合振动  43
  2.4 轴向-横向耦合振动  43-52
    2.4.1 耦合方程  43-46
    2.4.2 方程分析  46-48
    2.4.3 数值仿真及分析  48-52
  2.5 扭转-轴向耦合振动  52-62
    2.5.1 耦合方程  53-55
    2.5.2 方程分析  55-58
    2.5.3 数值仿真及分析  58-62
  2.6 扭转-横向耦合振动  62-69
    2.6.1 耦合方程  62-64
    2.6.2 方程分析  64-66
    2.6.3 数值仿真及分析  66-69
  2.7 轴向-横向-扭转耦合振动  69-70
  2.8 本章小结  70-71
第3章齿轮系统的振动研究  71-102
  3.1 概述  71-72
  3.2 通用扭振计算方法及问题  72-74
  3.3 齿轮动力系统  74-81
    3.3.1 基本扭转模型  75-76
    3.3.2 啮合刚度的计算  76-81
  3.4 船用齿轮箱的扭转振动分析  81-89
    3.4.1 系统集总参数模型  81-82
    3.4.2 系统数学模型  82-84
    3.4.3 固有频率计算  84-85
    3.4.4 仿真分析  85-89
  3.5 船用齿轮箱的耦合振动分析  89-97
    3.5.1 斜齿受力分析  89-90
    3.5.2 斜齿传动动力学模型  90-91
    3.5.3 斜齿传动耦合振动方程  91-95
    3.5.4 耦合振动计算及仿真  95-97
  3.6 实船测试及分析  97-101
    3.6.1 理论计算  97-99
    3.6.2 测试分析  99-101
  3.7 本章小结  101-102
第4章万向联轴器的振动研究  102-124
  4.1 引言  102
  4.2 运动学分析  102-107
  4.3 振动分析  107-120
    4.3.1 基本扭转振动分析  107-111
    4.3.2 考虑十字轴的扭转振动分析  111-117
    4.3.3 耦合振动分析  117-120
  4.4 实船测试及分析  120-122
  4.5 本章小结  122-124
第5章复杂轴系整体计算及建模仿真  124-146
  5.1 引言  124
  5.2 系统耦合振动理论分析  124-127
  5.3 自由振动计算  127-130
  5.4 响应计算  130-134
  5.5 系统动力学仿真  134-145
    5.5.1 柴油机模型  134-137
    5.5.2 刚性系统模型  137-142
    5.5.3 刚柔混合模型  142-144
    5.5.4 含万向联轴器的模型  144-145
  5.6 本章小结  145-146
第6章复杂轴系振动试验研究  146-161
  6.1 概述  146
  6.2 试验台的设计  146-150
    6.2.1 硬件组成  146-148
    6.2.2 监控系统  148-150
    6.2.3 特点  150
  6.3 试验介绍  150-152
    6.3.1 测试系统组成  150-151
    6.3.2 试验方案  151-152
  6.4 结果分析  152-160
    6.4.1 固有频率的分析  152-159
    6.4.2 双机并车响应分析  159
    6.4.3 齿轮激励分析  159-160
  6.5 本章小结  160-161
第7章结论与展望  161-163
  7.1 结论  161-162
  7.2 展望  162-163
参考文献  163-171
致谢  171-172
攻读博士学位期间发表的学术论文和从事科研工作  172-173

船舶复杂推进轴系耦合振动理论及试验研究

内容摘要

全文目录

相似论文