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《武汉理工大学》 2012年
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船舶复杂推进轴系耦合振动理论及试验研究

徐翔  
【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。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:U664.21

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 魏超;大型船用齿轮箱系统动态性能分析方法研究[D];浙江大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 龚杰;船舶轴系振动测试系统设计与研究[D];武汉理工大学;2013年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前3条
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中国硕士学位论文全文数据库 前6条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 戚增坤;突变控制机制及其在船舶非线性横摇运动中的应用研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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10 许增金;大型往复式压缩机轴系动力学特性研究[D];沈阳工业大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李鹏;磁悬浮风力发电机转子系统的研究[D];山东科技大学;2010年
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10 赵飞;风力发电齿轮箱非线性耦合动态特性研究[D];大连理工大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 赵骞,郝志勇;柴油机曲轴系扭转振动的有限元模型研究[J];车辆与动力技术;2000年04期
2 伍良生,陈卫福;弯扭耦合齿轮传动系统固有频率与振型计算的传递矩阵法[J];北京工业大学学报;1999年01期
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6 张阿漫;周其新;姚熊亮;郭百森;闻雪友;;基于船体与设备一体化的设备抗冲击阈值[J];爆炸与冲击;2009年04期
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10 姜春明,肖民,姚寿广,甘霏斐;国内外船用中高速柴油机产业现状和发展动态[J];船舶工程;2003年01期
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 余光伟;多平行轴齿轮—轴承—转子系统耦合振动的有限元分析[D];上海大学;1999年
2 左孔天;连续体结构拓扑优化理论与应用研究[D];华中科技大学;2004年
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中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 林雪妹;船用齿轮箱的结构优化及抗冲击性能研究[D];浙江大学;2011年
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3 王振慧;西门子船用齿轮箱在中国市场的营销困境与策略研究[D];上海交通大学;2010年
【二级引证文献】
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1 费钟秀;复杂转子耦合系统有限元建模及其动力特性研究[D];浙江大学;2013年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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1 尹华兵;邵朋礼;程瑞廷;;机械传动系扭振通用模型研究[A];《制造业自动化与网络化制造》学术交流会论文集[C];2004年
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2 何成兵;汽轮发电机组轴系弯扭耦合振动研究[D];华北电力大学(北京);2003年
3 周春良;船舶轴系振动研究[D];哈尔滨工程大学;2006年
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1 贺梅;混流式机组水力振动研究与破坏原因分析[D];西安理工大学;2000年
2 蔺蒙;类发电机转子弯扭耦合振动特性的研究[D];华北电力大学;2000年
3 郑玉芳;含裂纹单盘转子系统的动力学分析[D];湖南大学;2002年
4 方颖;船舶横向摇荡预报[D];大连理工大学;2002年
5 金勇;计入螺旋桨流体激振力的船舶尾轴承润滑特性计算[D];武汉理工大学;2002年
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7 孙海蛟;大开口船舶的弯扭耦合振动分析及模型化研究[D];大连理工大学;2003年
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9 王平;船舶轴系扭振计算方法的研究[D];大连海事大学;2002年
10 赵道利;水电机组振动故障的信息融合诊断与仿真研究[D];西安理工大学;2004年
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6 商大中;考虑截面翘曲问题的汽轮机长叶片耦合振动的动力学方程[J];哈尔滨工程大学学报;1990年04期
7 濮中连;唐家吉;肖汝诚;程进;;压路机-桥梁耦合振动的理论研究[J];公路交通科技(应用技术版);2006年10期
8 陈波;袁义坤;赵增辉;王育平;赵向东;;复合振子型直线超声电动机的发展与研究现状[J];微特电机;2008年10期
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5 唐斌;薛冬新;宋希庚;吕朝阳;;内燃机轴系耦合振动研究的现状与进展[A];第八届全国振动理论及应用学术会议论文集摘要[C];2003年
6 程武山;;ANSYS软件与SYSNOISE软件结合的声辐射分析[A];全国先进制造技术高层论坛暨第九届制造业自动化与信息化技术研讨会论文集[C];2010年
7 宣言;杨宜谦;孙宁;;城市轨道交通中浮置板式轨道结构竖向动力特性的分析[A];土木工程与高新技术——中国土木工程学会第十届年会论文集[C];2002年
8 何发礼;宁晓骏;李乔;;列车~曲线梁桥耦合振动的车辆模型研究[A];第八届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅲ卷)[C];1999年
9 仲林建;俞宏沛;;矩形陶瓷振子耦合振动的分析[A];2005年全国水声学学术会议论文集[C];2005年
10 付忠广;蔺蒙;杨昆;戈志华;;汽轮发电机组弯扭耦合振动特性及其分析[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年
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5 刘德军;风—列车—线路—桥梁系统耦合振动研究[D];西南交通大学;2010年
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7 徐志胜;轨道交通轮轨噪声预测与控制的研究[D];西南交通大学;2004年
8 唐斌;基于精确动态刚度矩阵法的内燃机轴系扭转、纵向及弯曲三维耦合振动研究[D];大连理工大学;2006年
9 黄健;铁路车桥系统耦合振动及其对周边建筑的环境振动[D];天津大学;2006年
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3 魏永明;车—线—桥耦合振动及其对邻近建筑物的影响[D];中南大学;2012年
4 朱玉龙;基于并行算法和有限元法的车—线—桥耦合振动分析[D];中南大学;2013年
5 毛国辉;带“S”形人行桥的大跨径双层斜拉桥车—桥耦合振动分析[D];重庆交通大学;2013年
6 李攀硕;轴—壳体耦合振动建模与主动控制方法研究[D];上海交通大学;2012年
7 刘飞军;几江长江公轨两用悬索桥风—车—桥耦合振动研究[D];中南大学;2012年
8 姚成钊;考虑桥面不平顺影响的公路车辆—桥梁耦合振动分析研究[D];中南大学;2011年
9 王涛;考虑徐变影响的铁路桥梁车线桥耦合振动分析[D];华中科技大学;2011年
10 田宇;考虑车轨相对位置的车轨耦合振动控制研究[D];国防科学技术大学;2011年
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