設(shè)計(jì)船舶軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的研究畢業(yè)論文

I畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))船舶軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的研究摘 要軸系在工作過(guò)程中，承受著不斷變化的扭矩、推力及彎曲力矩作用，因而船舶軸系在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能產(chǎn)生以下三種形式的振動(dòng)：扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，回旋振動(dòng)和縱向振動(dòng)。本文主要針對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的計(jì)算進(jìn)行軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。船舶軸系在發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳等周期性扭矩激勵(lì)下所產(chǎn)生的周向交變運(yùn)動(dòng)及其相應(yīng)變形即為船舶軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。在世界各國(guó)的船舶規(guī)范中，都列有共同的條款，凡是船用柴油機(jī)（主機(jī)或輔機(jī)）和氣輪機(jī)動(dòng)力裝置，均必須通過(guò)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的計(jì)算，測(cè)試的檢驗(yàn)，合格之后方可投入運(yùn)營(yíng)。 這是因?yàn)榇拜S系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)常常是造成嚴(yán)重事故的主要原因之一，而且扭轉(zhuǎn)振動(dòng)還常常會(huì)誘發(fā)船體、動(dòng)力裝置的強(qiáng)烈振動(dòng)和噪聲，傳動(dòng)軸系的斷裂，發(fā)動(dòng)機(jī)零件磨損的加劇等等問(wèn)題。隨著柴油機(jī)功率、轉(zhuǎn)速的不斷提高，與其配套的動(dòng)力裝置樣式也越來(lái)越多，出現(xiàn)嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)現(xiàn)象也就逐步增加了，同時(shí)，對(duì)船舶軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的研究也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。本文分析了我國(guó)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)研究的情況及與世界先進(jìn)水平相比較的差距;簡(jiǎn)單介紹了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的一些理論和計(jì)算方法。并以 163000DWT 油輪為例編寫了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算的軟件。用計(jì)算數(shù)據(jù)做校核計(jì)算，得出結(jié)論。關(guān)鍵詞: 船舶軸系；計(jì)算程序；扭轉(zhuǎn)振動(dòng)校核IIAbstractIn the course of shaft to withstand the changing torque, thrust and bending moment of force, and thus shafting in motion that may arise during the following three forms of vibration: vibration, whirling vibration and vertical vibration. In this paper, the calculation of torsional vibration for software system development. Ship shaft in the engine, propeller and other periodic torque generated by excitation of weeks corresponding to the alternating movement and deformation of the ship is the shaft torsional vibration.Ship in the world specification, the terms are listed together, all marine diesel engines (main or auxiliary) gas turbine power plant, are required by the calculation of torsional vibration, test test, after passing can be put into operation. This is because the ship shaft torsional vibration is often one of the main causes of serious accidents, but also often induce torsional vibration of hull, power plant strong vibration and noise, drive shafts fracture, wear and tear of engine parts and so increase problem.With the engine power, increasing speed, power plant and its supporting style more and more severe torsional vibration will gradually increase, while the torsional vibration of the ships research has also been further developed .This article analyzes the study of torsional vibration conditions and compared with the world advanced level in the gap; brief introduction to some of the torsional vibration theory and calculation methods. And oil tankers as an example prepared by 163000DWT torsional vibration calculation software. Calculation method used to do calculations, draw conclusions. Keywords: ship shaft; computer program; Check torsional vibration目 錄 第一章 緒 論 .11. 1 船舶軸系的組成與布置 .11.2 船舶軸系的激振力矩 .21.3 軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的簡(jiǎn)化模型 .21.4 船舶軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的危害 .4第二章 軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的當(dāng)量計(jì)算 .52.1 軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型建立 .52.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算 .52.2.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 .52.2.1.1 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 .62.2.2 扭振剛度計(jì)算 .72.2.2.1 軸段彈性參數(shù)的表示 .72.3 實(shí)際軸段的剛度 .7第三章 自由振動(dòng)計(jì)算 .93.1 自由振動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程式 .93.2 Holzer 法 .103.2.1 Holzer 遞推式與頻率方程式 .103.2.2 計(jì)算步驟 .113.2.3 計(jì)算頻率的選取 .123.2.4 計(jì)算精度 .123.3 傳遞矩陣法 .133.3.1 基本概念 .133.3.2 狀態(tài)矢量 .133.3.3 元件的傳遞矩陣 .133.3.4 計(jì)算步驟 .143.3.5 扭振許用應(yīng)力 .17第四章 軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算 .19I4.1 用能量法求強(qiáng)迫振動(dòng)的近似解 .194.2 系統(tǒng)中阻尼、阻尼功及能量平衡式 .234.3 放大系數(shù)法求解共振振幅 .254.4 非共振計(jì)算 .274.5 臨界轉(zhuǎn)速的確定 .28第五章 推進(jìn)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的控制方案 .305.1 調(diào)頻避振 .305.1.1 選擇合適的飛輪慣量 .305.1.2 改變系統(tǒng)柔度 .315.1.3 選定適當(dāng)?shù)穆菪龢獞T量 .325.2 平衡外干擾，減少輸入系統(tǒng)能量的降幅減振 .325.3 增加系統(tǒng)阻尼的降幅減振 .335.4 配置減振器 .33第六章 程序編制說(shuō)明及結(jié)果分析 .346.1 本程序以 163000DWT 油輪為例編程， .346.2 系統(tǒng)的建立和編程計(jì)算過(guò)程 .346.3 結(jié)果分析 .44結(jié) 論 .45致 謝 .46參考文獻(xiàn) .470第一章 緒 論1. 1 船舶軸系的組成與布置船舶軸系的基本任務(wù)是將發(fā)動(dòng)機(jī)的功率傳給螺旋槳，同時(shí)又將螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸向推進(jìn)力通過(guò)軸系傳給船體，推進(jìn)船舶前進(jìn)。船舶軸系的主要部件有:螺旋槳軸，中間軸，推力軸以及它們的軸承。螺旋槳軸位于軸系最后端，其后端裝有螺旋槳，前端穿過(guò)尾軸管軸承與中間軸相連接。螺旋槳軸工作條件比其他軸段惡劣，大型船舶螺旋槳重達(dá)幾十噸，使螺旋槳軸受到較大懸臂梁負(fù)荷，產(chǎn)生較大的彎曲力，同時(shí)螺旋槳軸還承受螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不均勻動(dòng)載荷和艇部振動(dòng)造成的附加應(yīng)力。為了保證螺旋槳軸可靠的工作，就必須選擇合理的結(jié)構(gòu)和材料，使它具備足夠的的強(qiáng)度、剛度、抗腐性以及盡可能輕的質(zhì)量。雙軸船的螺旋槳軸很長(zhǎng)，為了加工和拆裝方便，可一分為二，前者稱尾軸，后者稱螺旋槳軸。螺旋槳軸支承有水潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑兩種。水潤(rùn)滑軸系摩擦材料一般以鐵梨木為多，它和青銅套組成的摩擦副，摩擦系數(shù)低(約為 0.003-0.007)，軸承耐磨，壽命長(zhǎng)。軸與軸承接觸的軸徑部分鑲有青銅套，其余部分凡與海水接觸的軸段應(yīng)有橡膠或玻璃鋼包覆層，以避免海水對(duì)軸腐蝕。銅軸套材料一般用錫鋅青銅。中間軸置于推力軸與螺旋槳軸之間。它是一個(gè)鍛造整體，兩端帶有整段法蘭，軸段長(zhǎng)短和數(shù)量是由船體長(zhǎng)度和機(jī)艙位置而定。某些艦船，為于減輕重量，采用空心軸。每根中間軸通常只設(shè)置一個(gè)中間軸承，它的安裝位置一般不在軸段的中央，而偏在一端，以利于安裝。中間軸承的結(jié)構(gòu)型式主要有滑動(dòng)式和滾動(dòng)式兩種，前者使用較為廣泛。船舶軸系的組成，布置的共性和特殊性概括起來(lái)，主要有以下幾點(diǎn):(1)由于機(jī)艙到船尾有一定距離，特別是機(jī)艙位于中部的船舶，一般軸系都很長(zhǎng)。為了加工制造、運(yùn)輸、拆裝的方便，往往把他們分成許多段，并用法蘭聯(lián)軸器加以連接。每一軸段，按用途可分為推力軸、中間軸、螺旋槳軸等。(2)螺旋槳推力是通過(guò)推力軸和推力軸承傳給船體的。(3)當(dāng)主機(jī)為中高速柴油機(jī)時(shí)，其后面往往還帶有傳動(dòng)設(shè)備，如齒輪箱，彈性聯(lián)軸器，離合器等。而對(duì)于低速機(jī)的直接傳動(dòng)裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪直接和中間軸(或推力軸)相連，軸系比較簡(jiǎn)單。一些尾機(jī)型單機(jī)單漿的船舶軸系可能只有一根螺旋槳軸，1或者是一根中間軸，一根螺旋槳軸，軸系長(zhǎng)度比較短。(4)軸線的位置是依發(fā)動(dòng)機(jī)或減速齒輪箱的輸出法蘭中到螺旋槳中心連接的直線而定。理想的布置是軸線和船基線平行。(5)一般軸系，主機(jī)和螺旋槳都布置在一直線上，但有些小型高速艇，導(dǎo)彈艇，機(jī)艙很小，軸系直線布置有困難，把軸線拆成兩段，中間以 V 型傳動(dòng)齒輪箱連接。1.2 船舶軸系的激振力矩激振力矩是船舶軸系（包括發(fā)動(dòng)機(jī)軸系）扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的能量來(lái)源，主要有：(1)內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，由氣缸內(nèi)氣壓壓力產(chǎn)生工作作用在曲軸銷上的交變切向應(yīng)力與徑向力。這是軸系振動(dòng)的主要激振源之一。(2)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng)部件(如活塞，連桿，曲軸等)的重力和運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力所引起的激振力矩。(3)接受功率部件接受功率不均勻引起的激振力矩。如螺旋槳在徑向和軸向下都很均勻的三維半流場(chǎng)中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所受到的交變縱向(軸向)和橫向推力矩(4)船舶軸系部件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的激振力矩。如由于靜力或功力不平衡的旋轉(zhuǎn)部件產(chǎn)生的離心慣性力矩;變速傳動(dòng)系中齒輪產(chǎn)生的周期性敲擊等。(5)另外，船舶總體振動(dòng)和局部振動(dòng)作為支承激勵(lì)也可能激起軸系振動(dòng)。扭振激振力矩大多是復(fù)雜的，并呈周期性變化的。由數(shù)學(xué)分析可知，任何復(fù)雜的周期性函數(shù)都可以分解成一系列簡(jiǎn)諧函數(shù)所組成的傅立葉級(jí)數(shù)形式。這樣就可以分別考慮各次簡(jiǎn)諧性激振力矩對(duì)軸系產(chǎn)生的激振作用。1.3 軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的簡(jiǎn)化模型從振動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，船舶軸系可以視為具有多個(gè)集中質(zhì)量的彈性系統(tǒng)。柴油機(jī)氣缸燃燒壓力發(fā)生周期性變化，柴油機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩包含兩個(gè)成分：平均轉(zhuǎn)矩和波動(dòng)轉(zhuǎn)矩。后者成為彈性系統(tǒng)的擾動(dòng)源，引起軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。在共振轉(zhuǎn)速下工作時(shí)，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的振幅將大大增加，產(chǎn)生較大的扭振附加應(yīng)力。規(guī)范推薦的軸徑計(jì)算公式雖然考慮了扭振因素，但軸的扭振附加應(yīng)力必須在許用范圍之內(nèi)，否則，就應(yīng)采取減振或避振措施。同樣，船舶軸系可視為多支承連續(xù)梁。在軸承之間跨距內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定的撓度。由于螺旋槳和軸段機(jī)械加工的誤差、材料密度不均勻以及安裝缺陷等因素，使它們的中心實(shí)際上不在回轉(zhuǎn)中心線上，軸回轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生離心力。同時(shí)，由2于螺旋槳的懸臂作用，會(huì)產(chǎn)生陀螺效應(yīng)，軸在這種情況下長(zhǎng)期運(yùn)行，不僅嚴(yán)重敲擊軸承導(dǎo)致過(guò)早損壞，而且還會(huì)引起船體振動(dòng)和軸的折斷。為此，必須校核回旋振動(dòng)的固有頻率，使之遠(yuǎn)離運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍；否則，就要在軸系設(shè)計(jì)中采取措施加以改進(jìn)，尤其對(duì)高速船舶的軸系，更要注意。常規(guī)的推進(jìn)軸系扭振計(jì)算中，大多采用集中參數(shù)模型。此類模型有三種基本元件組成：剛性勻質(zhì)圓盤元件，無(wú)慣性阻尼元件及無(wú)慣量扭轉(zhuǎn)彈簧元件?，F(xiàn)在，也常用集總參數(shù)元件與分布參數(shù)元件相結(jié)合的模型。在柴油機(jī)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)中的具體方法是：（1）柴油機(jī)每一氣缸的運(yùn)動(dòng)部件（包括單位曲柄，連桿，活塞組件）簡(jiǎn)化為一個(gè)勻質(zhì)圓盤元件，該元件放在曲軸軸線的氣缸中心位置。對(duì)于多列式柴油機(jī)，則將同一排上各缸的運(yùn)動(dòng)部件合并為一個(gè)圓盤元件，各缸元件之間的連接彈簧元件剛度等于單位曲柄剛度。（2）傳動(dòng)齒輪，鏈輪，飛輪，推力盤，螺旋槳，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，干摩擦片離合器都作為絕對(duì)剛度簡(jiǎn)化為勻質(zhì)圓盤元件，該元件放在各部件中心或幾何中心位置。（3）中間軸，尾軸和螺旋槳軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量按需要適當(dāng)?shù)确趾蠛?jiǎn)化為若干勻質(zhì)圓盤元件，通常是等距離的排列在周中心線上，各元件之間的連接彈簧剛度等于它們之間軸段的剛度。對(duì)于尾機(jī)型短軸系，一根軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量簡(jiǎn)化為兩個(gè)圓盤元件，分別放在兩端法蘭端面位置即可。對(duì)于中機(jī)型長(zhǎng)軸系，一根軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量適當(dāng)細(xì)分為兩個(gè)以上的圓盤元件，這有助于繪制更精確的振型曲線。 現(xiàn)在，也常將中間軸，尾軸和螺旋槳軸按自然分段為等截面勻質(zhì)軸段元件，這樣可使簡(jiǎn)化模型更接近實(shí)際系統(tǒng)，同時(shí)又不使計(jì)算分析過(guò)于復(fù)雜。（4） 柴油機(jī)的附件分支，如凸輪軸，水泵，滑油泵等，在計(jì)算分析曲軸軸系振動(dòng)性能時(shí)，一般可不予考慮。顯然，如果它們牽涉到該附件分支的扭振性能時(shí)，則應(yīng)計(jì)入模型中。這時(shí)將泵的轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)化為均質(zhì)圓盤元件，每個(gè)凸輪及其傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)件用一圓盤元件代替，各盤之間的連接彈簧剛度等于相應(yīng)軸段的扭轉(zhuǎn)剛度。（5）彈性聯(lián)軸器，彈性扭振減振器的主動(dòng)與從動(dòng)部件簡(jiǎn)化為均質(zhì)圓盤元件，它們之間的連接彈簧剛度等于連軸器彈性元件剛度。如彈性元件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不可忽視，則一分為二分別計(jì)入主、從動(dòng)圓盤元件內(nèi)。（6）硅油減振器簡(jiǎn)化為均質(zhì)圓盤元件，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等于殼體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與二分之3一慣性輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和。（7）忽略軸承對(duì)系統(tǒng)扭振的約束。（8）一般不考慮齒輪嚙合剛度和油膜剛度。（9）皮帶，液力偶合器均可視為扭轉(zhuǎn)剛度極小的傳動(dòng)件，它們所聯(lián)系的部分可視為扭振特性相互獨(dú)力的兩個(gè)系統(tǒng)。（10）在自由振動(dòng)計(jì)算中，如系統(tǒng)無(wú)大的阻尼元件，一般可不計(jì)入阻尼的影響。在振動(dòng)相應(yīng)計(jì)算中，柴油機(jī)阻尼，螺旋槳阻尼，減振器阻尼，發(fā)電機(jī)阻尼等多采用等效線性粘性阻尼器模型。有些文獻(xiàn)稱作用在慣性元件上的阻尼為質(zhì)量阻尼，作用在軸段上的阻尼為軸段阻尼，以示區(qū)別。 1.4 船舶軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的危害(1)推力軸、中間軸、螺旋槳軸、尾軸以及凸輪軸的折斷;(2)減速齒輪間撞擊、齒面點(diǎn)蝕及斷裂;(3)聯(lián)軸器連軸螺栓切斷、橡膠聯(lián)軸器的撕裂;(4)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件磨損加快;(5)柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)組輸出不允許的電壓波動(dòng);(6)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)縱向藕合振動(dòng);產(chǎn)生繼發(fā)性激勵(lì)，從而激勵(lì)起柴油機(jī)機(jī)架、齒輪箱、雙層底及船體的振動(dòng)，并使噪聲加劇。4第二章 軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的當(dāng)量計(jì)算2.1 軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模型建立常規(guī)的推進(jìn)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算中,大多采用集總參數(shù)模型.此模型有三種基本元件組成:剛性勻質(zhì)圓盤元件,無(wú)慣量阻尼元件,無(wú)慣量扭轉(zhuǎn)彈簧元件.現(xiàn)在,也采用集總參數(shù)元件與分布參數(shù)元件相結(jié)合的模型.在柴油機(jī)的軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)中的具體計(jì)算方法是:(1) 柴油機(jī)的每一個(gè)氣缸的運(yùn)動(dòng)部件(包括單位曲柄.連桿.活塞組件)簡(jiǎn)化成一個(gè)勻質(zhì)圓盤元件,該元件放在曲軸軸線的氣缸位置.對(duì)于多列柴油機(jī).則將在同一排上氣缸的運(yùn)動(dòng)部件合并成為一個(gè)勻質(zhì)圓盤,各缸圓盤元件之間的連接彈簧元件剛度等于單位曲柄剛度.(2) 傳動(dòng)齒輪，齒輪，飛輪，推力盤，螺旋槳，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，干摩擦片離合器都作為絕對(duì)剛體簡(jiǎn)化為勻質(zhì)圓盤元件,該元件方在各部件重心或幾何中心位置.(3) 中間軸.艉軸和螺旋槳軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量按需要適當(dāng)?shù)确趾蠛?jiǎn)化為若干勻質(zhì)圓盤元件,通常是等距離地排列在軸中心線上，各元件之間的連接彈簧剛度等于它們之間軸段的剛度。對(duì)于尾機(jī)型短軸系，一根軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)化為兩個(gè)圓盤元件，分別放在兩端法蘭端面位置即可。對(duì)于中機(jī)型長(zhǎng)軸系，一根軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量適