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转子—联轴器—轴承—隔振器系统耦合动力学特性研究

赵广  
【摘要】:提高海军舰船的声隐身性能,对增强自身作战威力与生存能力具有重要的意义。动力装置是舰船的主要噪声源,隔振器广泛用于阻止动力装置的振动向浮筏基础或船体传递,很大程度地降低了船体的辐射噪声,提高了舰船的安静性和隐蔽性;但另一方面,隔振器又显著增大了转子的支撑柔性,引起较大的联轴器动态不对中,从而导致转子系统出现复杂的倍频、高频振动,降低了舰船动力装置的稳定性和可靠性。因此,联轴器和隔振器动态耦合效应对舰船动力装置的动力学特性有很大影响。本文针对大型旋转机械舰船动力装置中的转子-联轴器-轴承-隔振器系统,分别对其耦合部件和系统整体的动力学特性开展理论与试验研究工作,旨在为大型旋转机械联轴器的匹配设计提供切实有效的理论方法和有价值的参考依据。 (1)考虑转子系统静、动态不对中和工况变化,根据经典的齿轮轮齿变形理论,推导了齿式/花键联轴器动态啮合力模型,通过仿真获得了联轴器啮合力随其结构参数和系统参数变化的规律,并通过线性化的啮合刚度,验证了所提出模型的正确性。为联轴器的优化设计和转子-联轴器-轴承系统动力学特性研究提供了模型基础。 (2)基于静态压缩试验、广义胡克定律和应变能密度,推导了反映橡胶超弹性特性的橡胶隔振器静态刚度模型;并建立了考虑橡胶隔振器静态刚度、激振振幅和激振频率的橡胶隔振器动态刚度模型;通过单自由度质量-橡胶隔振器系统动力学仿真和试验,验证了该动态刚度模型在描述橡胶隔振器特性的正确性、有效性。 (3)提出了工程意义下转子-联轴器-轴承系统动力稳定性判别准则,为大型旋转机械的动力学设计、试验和运行提供了实用的稳定性判据。分别通过理论分析、数值仿真和试验测试,研究了联轴器类型、模化方式及其不对中对转子-轴承系统动力学特性和稳定性的影响规律。刚性联轴器和柔性联轴器连接的转子-轴承系统的失稳是由于油膜振荡引起的,而转子-齿式联轴器-轴承的系统的失稳是由于油膜振荡和齿式联轴器自激振荡共同作用的结果,且齿式联轴器不对中会显著改变系统的稳定性。 (4)建立了完整的转子-联轴器-轴承-隔振器(基础)系统耦合动力学模型。通过数值仿真和试验测试对比研究了转子-联轴器-轴承系统和转子-联轴器-轴承-隔振器系统的动力学特性,通过对比两个系统转子和基础之间的振级落差检验了橡胶隔振器的隔振效果。验证了橡胶隔振器动态刚度模型和系统耦合动力学模型的正确性,健全和完善了舰船动力装置减振降噪的研究体系。 (5)考虑舰船实际动力装置动态不对中无法测试的特点,首次将旋转机械中动态不对中抽象出来进行研究,提出了大型旋转机械中联轴器动态不对中的计算方法。形成了大型旋转机械中联轴器选型、结构参数、不对中补偿能力等完整的匹配设计方案。研究结果表明:在转子-联轴器-轴承(隔振器)系统临界转速附近,联轴器两端的动态不对中最大;隔振器的出现,显著增加了系统非临界转速区域的动态不对中量。 (6)分析了转子-联轴器-轴承-隔振器系统中,不平衡、不对中和失稳故障的来源、特征及故障耦合的机理。齿式联轴器和橡胶隔振器动态耦合效应导致的故障耦合使系统的振动变得复杂,稳定性降低。结合理论和试验研究结果,给出了舰船动力装置安装对中控制的指导意见和运行振动监测和故障诊断的实施方法。


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