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1、华中科技大学 硕士学位论文 船舶轴系纵向减振器性能研究 姓名：马磊 申请学位级别：硕士 专业：动力工程 指导教师：蒋炎坤 2011-05 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 I 摘摘 要要 轴系振动是船舶轴系设计的关键问题之一。轴系振动极大地影响着船舶轴系的 安全性、可靠性。其中，轴系的纵向振动一直是研究的热点之一。 轴系的纵向振动主要是由纵向激振力造成。纵向振动对轴系有很大的影响，一 方面，该振动会对推力轴承附近的船体造成危害；另一方面，该振动将会影响到弹 性联轴节的可靠性，甚至导致推力轴承损坏。因此，本文通过对轴系纵向振动的研 究，提出一系列的减振措施，
2、并针对某船舶轴系进行动力调频减振器的设计。主要 工作包括： 轴系纵向振动的基本方法研究，即通过对船舶轴系各种振动计算方法的分析， 以有限元法作为其有效的计算方法，并使用 ANSYS 对轴系进行分析，获得轴系纵振 的临界转速。动力调频减振器的设计，主要是在对动力调频减振器的原理进行研究 之后，针对该轴系的结构，对动力调频减振器进行设计，并基于 Pro/E 对减振器进行 建模。动力调频减振器的优化，包括将轴系简化为单自由度线型系统，并基于动力 调频减振理论和直接搜寻法，对动力减振器进行优化设计，找出动力减振的最佳参 数，并对原方案进行修改。动力调频减振器的效果分析，主要对加装减振器前后的 轴系进行
3、了模态分析和谐响应分析，并从分析结果的对比分析减振的效果。 通过本文的研究，设计了一种减振性能较好的动力调频减振器，为其在船舶轴 系上的应用奠定了理论基础。 关键词关键词：船舶轴系 纵向振动 动力减振调频器 有限元分析 优化设计 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 II Abstract Shafting vibration is one of the key problems when designing ship shaft. Shafting vibration substantially affects the safety and reliabil
4、ity of ship shaft. The axial vibration of shafting has been one of the hot spot researches. The axial vibration of shafting is mainly caused by the vertical pulse power. Severe resonance is maybe caused by vertical vibration. On the one hand, the vibration can be spread to ship hull near to the thru
5、st bearing, doing harm to the ships. On the other hand, the reliability of the elastic joints will be affected, even if thrust bearing will be frayed severely or burned out fever. Therefore, throughout the study of shaft longitudinal vibration, this study puts forward a series of vibration reduction
6、 measures and designs a resonance changer for one shafting. Major contributions are as follows: Basic research of shafting vertical vibration: Finite element method is selected for a shaft effective calculation method by studying various calculation methods of ship shaft vibration. And the critical
7、axial speed of ship shaft is acquired through the analysis of shaft system by using ANSYS. The design of resonance changer: The principle of dynamic vibration absorber is studied. The models of dynamic tuning damping and Resonance Changer are designed according to the shaft structure data by using P
8、ro/E. The optimization of resonance changer: The shaft is as for single-degree-of -freedom linear system by using the method of Dynamic tuned vibration reduction theory and the Resonance changer is optimal designed according to the vibration data. The effect analysis of Resonance changer: This paper
9、 does a calculation study for the shafting which is added the Resonance changer and the effects on vibration suppression. Through the research work in this study, a kind of Resonance changer with better performance effect is designed, and its laid a theoretical basis on the application of ship shaft
10、ing. Keywords: ship shafting, axial vibration, resonance changer(RC)，finite-element analysis, optimization design 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位
11、论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本 论 文 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题背景课题背景 1.1.1 纵向振动
12、起因纵向振动起因 船舶在行驶时主要是依靠推进轴系提供动力源。其中，推进轴系主要是由螺旋 桨、轴系等部件组成。轴系是将主机发出的功率传递给螺旋桨，使螺旋桨产生推力， 从而推动船舶行驶12。 船舶在航行时，螺旋桨会产生激振力3。激振力主要分为轴频激振力和叶频激振 力，轴频激振力的成因较为复杂，但其主要成因是由于螺旋桨的质量偏心或者安装 时中心与轴线的不重合造成的，变化频率与轴的旋转频率相同；而叶频激振力主要 是由于螺旋桨桨叶的有限性和在不均匀流场中运行时，产生周期性的叶频激振力， 变化频率是叶频或者倍叶频（叶频是指桨叶数乘以轴的旋转频率） 。这些激振力除了 在螺旋桨叶片上产生恒定的轴向推力和转矩外
13、，还会使螺旋桨受到脉动的轴向推力 和水平、垂直方向的横向推力，这样就可能造成轴系振动。轴系振动主要分为：扭 转振动、纵向振动、回旋振动三种基本形式，其中纵向振动对推进轴系的可靠性产 生了很大的影响，而且叶频激振力是产生纵向激振力的主要原因。为确保推进轴系 安全可靠地运行，纵向振动一直是业界的重点研究课题之一。因此，船舶轴系的纵 向振动是本文的主要研究对象4。 以前，由于汽轮机的功率较大，因此在船舶行驶时，不均匀流场在螺旋桨上作 用了一个较大的纵向脉冲激振力，但是汽轮机的输出端设置了一个速比较大的变速 箱，且主机与轴系不在同一条线上，这种设置方式不利于承载较大的纵向交变力。 而这时的柴油机装置的
14、主机功率一般较小，柴油机曲轴和推进轴系基本上在一条线 上，曲轴还允许少许纵向变形，纵向振动对它的影响情况没有汽轮机动力装置的轴 系严重，这些原因造成了对纵向振动的关注较少。因此，对轴系纵向振动的研究主 要是针对汽轮机轴系进行的。 随着船舶的大型化，不管是柴油机或者是其他动力源，主机功率都在不断增加。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 虽然主机的强度也有所增加，但对于大功率船舶，还是有可能使临界转速落入到工 作转速范围内，从而引起严重的共振。其原因主要是由于船舶转速较高，且采用的 是空心轴，降低了轴向刚度，更容易使临界速度落在运行范围之内，从而使轴系产
15、生共振5。 1.1.2 纵向振动危害性纵向振动危害性 纵向振动造成的危害主要有以下几点： （1）造成船舶结构的疲劳损坏。 若船舶轴系长期处于纵向振动之中，那么就可能使推力轴承产生疲劳，从而影 响推力轴承的使用寿命；轴系纵振产生的二次激励力还能引起机舱构件的局部振动 和上层建筑纵向振动，严重时可能导致船体结构上的损坏。 （2）影响机器和设备的正常运转。 轴系的纵向振动会影响船舶仪表的正常工作，导致相关设备的各种管道和附属 设备的损坏，以致影响整个系统的正常工作，甚至可能威胁到船舶的安全。若该振 动被传至推力轴承附近的船体，将对船体造成危害，还会影响到弹性联轴器的可靠 性，甚至导致推力轴承严重磨损
16、或发热烧坏。 （3）影响船员和乘客的工作与生活。 纵向振动对船员和乘客乘座的舒适性有较大的影响。在工作上，船员长期处于 振动噪声环境下，使船员产生不安，烦躁和疲劳，从而影响船员对船舶的操控；在 生活上，对人们乘船的舒适性有较大的影响。人们在海上长途旅行时，若长期处于 振动环境下，不但给日常生活带来不便还会对人体的健康造成影响。其中，轴系纵 向振动在总振动噪声中占得比例不小。 （4）在军事上，纵向振动产生的噪声将影响舰艇的作战能力。 舰艇的隐蔽性一直是人们关注的重点和难点，而舰艇的振动噪声是影响作战的 隐蔽性的主要原因之一。所以降低舰艇噪声既有助于延迟敌艇发现我军的时间，提 高我军的生存能力；又有助于提高我艇实施先敌攻击的能力。舰艇低速航行时的主 要噪声源来自动力装置产生的噪声，控制动力装置噪声是舰艇实现安静化的首要环 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3 节。因此，降低轴系纵振又将备受重视。 此前，在减振研究方面，较少
