船舶轴系扭转振动的研究毕业论文

I摘 要轴系在工作过程中，承受着不断变化的扭矩、推力及弯曲力矩作用，因而船舶轴系在运动过程中可能产生以下三种形式的振动：扭转振动，回旋振动和纵向振动。本文主要针对扭转振动的计算进行软件系统的开发。船舶轴系在发动机、螺旋桨等周期性扭矩激励下所产生的周向交变运动及其相应变形即为船舶轴系的扭转振动。在世界各国的船舶规范中，都列有共同的条款，凡是船用柴油机（主机或辅机）和气轮机动力装置，均必须通过扭转振动的计算，测试的检验，合格之后方可投入运营。 这是因为船舶轴系的扭转振动常常是造成严重事故的主要原因之一，而且扭转振动还常常会诱发船体、动力装置的强烈振动和噪声，传动轴系的断裂，发动机零件磨损的加剧等等问题。随着柴油机功率、转速的不断提高，与其配套的动力装置样式也越来越多，出现严重的扭转振动现象也就逐步增加了，同时，对船舶轴系扭转振动的研究也得到了进一步的发展。本文分析了我国轴系扭转振动研究的情况及与世界先进水平相比较的差距;简单介绍了扭转振动的一些理论和计算方法。并以 163000DWT 油轮为例编写了扭转振动计算的软件。用计算数据做校核计算，得出结论。关键词: 船舶轴系；计算程序；扭转振动校核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 录 第一章 绪 论 .11. 1 船舶轴系的组成与布置 .11.2 船舶轴系的激振力矩 .21.3 轴系扭转振动的简化模型 .21.4 船舶轴系扭转振动的危害 .4第二章 轴系扭转振动的当量计算 .52.1 轴系扭转振动模型建立 .52.2 转动惯量与扭转刚度计算 .52.2.1 转动惯量 .52.2.1.1 旋转运动的转动惯量 .62.2.2 扭振刚度计算 .72.2.2.1 轴段弹性参数的表示 .72.3 实际轴段的刚度 .7第三章 自由振动计算 .93.1 自由振动运动方程式 .93.2 Holzer 法 .103.2.1 Holzer 递推式与频率方程式 .103.2.2 计算步骤 .113.2.3 计算频率的选取 .123.2.4 计算精度 .123.3 传递矩阵法 .133.3.1 基本概念 .133.3.2 状态矢量 .133.3.3 元件的传递矩阵 .133.3.4 计算步骤 .143.3.5 扭振许用应力 .17第四章 轴系扭转振动的强迫振动计算 .19I4.1 用能量法求强迫振动的近似解 .194.2 系统中阻尼、阻尼功及能量平衡式 .234.3 放大系数法求解共振振幅 .254.4 非共振计算 .274.5 临界转速的确定 .28第五章 推进轴系扭转振动的控制方案 .305.1 调频避振 .305.1.1 选择合适的飞轮惯量 .305.1.2 改变系统柔度 .315.1.3 选定适当的螺旋桨惯量 .325.2 平衡外干扰，减少输入系统能量的降幅减振 .325.3 增加系统阻尼的降幅减振 .335.4 配置减振器 .33第六章 程序编制说明及结果分析 .346.1 本程序以 163000DWT 油轮为例编程， .346.2 系统的建立和编程计算过程 .346.3 结果分析 .44结 论 .45致 谢 .46参考文献 .470第一章 绪 论1. 1 船舶轴系的组成与布置船舶轴系的基本任务是将发动机的功率传给螺旋桨，同时又将螺旋桨旋转产生的轴向推进力通过轴系传给船体，推进船舶前进。船舶轴系的主要部件有:螺旋桨轴，中间轴，推力轴以及它们的轴承。螺旋桨轴位于轴系最后端，其后端装有螺旋桨，前端穿过尾轴管轴承与中间轴相连接。螺旋桨轴工作条件比其他轴段恶劣，大型船舶螺旋桨重达几十吨，使螺旋桨轴受到较大悬臂梁负荷，产生较大的弯曲力，同时螺旋桨轴还承受螺旋桨运转时不均匀动载荷和艇部振动造成的附加应力。为了保证螺旋桨轴可靠的工作，就必须选择合理的结构和材料，使它具备足够的的强度、刚度、抗腐性以及尽可能轻的质量。双轴船的螺旋桨轴很长，为了加工和拆装方便，可一分为二，前者称尾轴，后者称螺旋桨轴。螺旋桨轴支承有水润滑和油润滑两种。水润滑轴系摩擦材料一般以铁梨木为多，它和青铜套组成的摩擦副，摩擦系数低(约为 0.003-0.007)，轴承耐磨，寿命长。轴与轴承接触的轴径部分镶有青铜套，其余部分凡与海水接触的轴段应有橡胶或玻璃钢包覆层，以避免海水对轴腐蚀。铜轴套材料一般用锡锌青铜。中间轴置于推力轴与螺旋桨轴之间。它是一个锻造整体，两端带有整段法兰，轴段长短和数量是由船体长度和机舱位置而定。某些舰船，为于减轻重量，采用空心轴。每根中间轴通常只设置一个中间轴承，它的安装位置一般不在轴段的中央，而偏在一端，以利于安装。中间轴承的结构型式主要有滑动式和滚动式两种，前者使用较为广泛。船舶轴系的组成，布置的共性和特殊性概括起来，主要有以下几点:(1)由于机舱到船尾有一定距离，特别是机舱位于中部的船舶，一般轴系都很长。为了加工制造、运输、拆装的方便，往往把他们分成许多段，并用法兰联轴器加以连接。每一轴段，按用途可分为推力轴、中间轴、螺旋桨轴等。(2)螺旋桨推力是通过推力轴和推力轴承传给船体的。(3)当主机为中高速柴油机时，其后面往往还带有传动设备，如齿轮箱，弹性联轴器，离合器等。而对于低速机的直接传动装置，发动机飞轮直接和中间轴(或推力轴)相连，轴系比较简单。一些尾机型单机单浆的船舶轴系可能只有一根螺旋桨轴，1或者是一根中间轴，一根螺旋桨轴，轴系长度比较短。(4)轴线的位置是依发动机或减速齿轮箱的输出法兰中到螺旋桨中心连接的直线而定。理想的布置是轴线和船基线平行。(5)一般轴系，主机和螺旋桨都布置在一直线上，但有些小型高速艇，导弹艇，机舱很小，轴系直线布置有困难，把轴线拆成两段，中间以 V 型传动齿轮箱连接。1.2 船舶轴系的激振力矩激振力矩是船舶轴系（包括发动机轴系）扭转振动的能量来源，主要有：(1)内燃机工作时，由气缸内气压压力产生工作作用在曲轴销上的交变切向应力与径向力。这是轴系振动的主要激振源之一。(2)内燃机运动部件(如活塞，连杆，曲轴等)的重力和运动时产生的惯性力所引起的激振力矩。(3)接受功率部件接受功率不均匀引起的激振力矩。如螺旋桨在径向和轴向下都很均匀的三维半流场中运转时所受到的交变纵向(轴向)和横向推力矩(4)船舶轴系部件运转时产生的激振力矩。如由于静力或功力不平衡的旋转部件产生的离心惯性力矩;变速传动系中齿轮产生的周期性敲击等。(5)另外，船舶总体振动和局部振动作为支承激励也可能激起轴系振动。扭振激振力矩大多是复杂的，并呈周期性变化的。由数学分析可知，任何复杂的周期性函数都可以分解成一系列简谐函数所组成的傅立叶级数形式。这样就可以分别考虑各次简谐性激振力矩对轴系产生的激振作用。1.3 轴系扭转振动的简化模型从振动力学的角度来看，船舶轴系可以视为具有多个集中质量的弹性系统。柴油机气缸燃烧压力发生周期性变化，柴油机输出转矩包含两个成分：平均转矩和波动转矩。后者成为弹性系统的扰动源，引起轴系的扭转振动。在共振转速下工作时，扭转振动的振幅将大大增加，产生较大的扭振附加应力。规范推荐的轴径计算公式虽然考虑了扭振因素，但轴的扭振附加应力必须在许用范围之内，否则，就应采取减振或避振措施。同样，船舶轴系可视为多支承连续梁。在轴承之间跨距内会产生一定的挠度。由于螺旋桨和轴段机械加工的误差、材料密度不均匀以及安装缺陷等因素，使它们的中心实际上不在回转中心线上，轴回转时会产生离心力。同时，由2于螺旋桨的悬臂作用，会产生陀螺效应，轴在这种情况下长期运行，不仅严重敲击轴承导致过早损坏，而且还会引起船体振动和轴的折断。为此，必须校核回旋振动的固有频率，使之远离运转转速范围；否则，就要在轴系设计中采取措施加以改进，尤其对高速船舶的轴系，更要注意。常规的推进轴系扭振计算中，大多采用集中参数模型。此类模型有三种基本元件组成：刚性匀质圆盘元件，无惯性阻尼元件及无惯量扭转弹簧元件。现在，也常用集总参数元件与分布参数元件相结合的模型。在柴油机轴系扭转振动中的具体方法是：（1）柴油机每一气缸的运动部件（包括单位曲柄，连杆，活塞组件）简化为一个匀质圆盘元件，该元件放在曲轴轴线的气缸中心位置。对于多列式柴油机，则将同一排上各缸的运动部件合并为一个圆盘元件，各缸元件之间的连接弹簧元件刚度等于单位曲柄刚度。（2）传动齿轮，链轮，飞轮，推力盘，螺旋桨，发电机转子，干摩擦片离合器都作为绝对刚度简化为匀质圆盘元件，该元件放在各部件中心或几何中心位置。（3）中间轴，尾轴和螺旋桨轴的转动惯量按需要适当等分后简化为若干匀质圆盘元件，通常是等距离的排列在周中心线上，各元件之间的连接弹簧刚度等于它们之间轴段的刚度。对于尾机型短轴系，一根轴的转动惯量简化为两个圆盘元件，分别放在两端法兰端面位置即可。对于中机型长轴系，一根轴的转动惯量适当细分为两个以上的圆盘元件，这有助于绘制更精确的振型曲线。 现在，也常将中间轴，尾轴和螺旋桨轴按自然分段为等截面匀质轴段元件，这样可使简化模型更接近实际系统，同时又不使计算分析过于复杂。（4） 柴油机的附件分支，如凸轮轴，水泵，滑油泵等，在计算分析曲轴轴系振动性能时，一般可不予考虑。显然，如果它们牵涉到该附件分支的扭振性能时，则应计入模型中。这时将泵的转子简化为均质圆盘元件，每个凸轮及其传动的运动件用一圆盘元件代替，各盘之间的连接弹簧刚度等于相应轴段的扭转刚度。（5）弹性联轴器，弹性扭振减振器的主动与从动部件简化为均质圆盘元件，它们之间的连接弹簧刚度等于连轴器弹性元件刚度。如弹性元件的转动惯量不可忽视，则一分为二分别计入主、从动圆盘元件内。（6）硅油减振器简化为均质圆盘元件，其转动惯量等于壳体转动惯量与二分之3一惯性轮转动惯量之和。（7）忽略轴承对系统扭振的约束。（8）一般不考虑齿轮啮合刚度和油膜刚度。（9）皮带，液力偶合器均可视为扭转刚度极小的传动件，它们所联系的部分可视为扭振特性相互独力的两个系统。（10）在自由振动计算中，如系统无大的阻尼元件，一般可不计入阻尼的影响。在振动相应计算中，柴油机阻尼，螺旋桨阻尼，减振器阻尼，发电机阻尼等多采用等效线性粘性阻尼器模型。有些文献称作用在惯性元件上的阻尼为质量阻尼，作用在轴段上的阻尼为轴段阻尼，以示区别。 1.4 船舶轴系扭转振动的危害(1)推力轴、中间轴、螺旋桨轴、尾轴以及凸轮轴的折断;(2)减速齿轮间撞击、齿面点蚀及断裂;(3)联轴器连轴螺栓切断、橡胶联轴器的撕裂;(4)发动机零部件磨损加快;(5)柴油机发动机组输出不允许的电压波动;(6)出现扭转纵向藕合振动;产生继发性激励，从而激励起柴油机机架、齿轮箱、双层底及船体的振动，并使噪声加剧。4第二章 轴系扭转振动的当量计算2.1 轴系扭转振动模型建立常规的推进轴系扭转振动计算中,大多采用集总参数模型.此模型有三种基本元件组成:刚性匀质圆盘元件,无惯量阻尼元件,无惯量扭转弹簧元件.现在,也采用集总参数元件与分布参数元件相结合的模型.在柴油机的轴系扭转振动中的具体计算方法是:(1) 柴油机的每一个气缸的运动部件(包括单位曲柄.连杆.活塞组件)简化成一个匀质圆盘元件,该元件放在曲轴轴线的气缸位置.对于多列柴油机.则将在同一排上气缸的运动部件合并成为一个匀质圆盘,各缸圆盘元件之间的连接弹簧元件刚度等于单位曲柄刚度.(2) 传动齿轮，齿轮，飞轮，推力盘，螺旋桨，发电机转子，干摩擦片离合器都作为绝对刚体简化为匀质圆盘元件,该元件方在各部件重心或几何中心位置.(3) 中间轴.艉轴和螺旋桨轴的转动惯量按需要适当等分后简化为若干匀质圆盘元件,通常是等距离地排列在轴中心线上，各元件之间的连接弹簧刚度等于它们之间轴段的刚度。对于尾机型短轴系，一根轴的转动惯量转化为两个圆盘元件，分别放在两端法兰端面位置即可。对于中机型长轴系，一根轴的转动惯量适当细