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原文传递特种船用动力传动系统动力学特性研究

论文题名：	特种船用动力传动系统动力学特性研究
关键词：	水下船舶;动力传动系统;主传动轴;高压扫气泵;主柴油机曲轴;齿轮箱;动力学特性
摘要：	船舶动力传动系统是实现船舶发动机与推进器的能量传递、同时又将螺旋桨旋转产生的轴向推力通过轴系传给船体从而推动船舶前进的系统，是船舶动力装置系统中必不可少的重要组成部分。作为军事用途的特种水下船舶推进轴系在航行过程中则会遇到更为复杂的水文环境和受力状况。还可能会遭受到接触性爆炸、水下非接触性爆炸、自身武器发射时的反冲力等冲击载荷的作用，将不可避免产生振动。破坏性的振动会影响机械的寿命以及工作可靠性，甚至可以直接引起运动部件或者整机的严重损坏。振动引起的噪声源会使船舶的隐蔽性下降，在战时常常构成敌人预警器材的搜索对象，导致敌人武器的攻击。因此，对其轴系的动力学特性的分析研究就显得尤为重要。但此前国内缺乏对水下船舶整体动力传动系统的动力学特性所做的研究。　　本研究主要基于某军用水下船舶动力传动装置为模型的实际算例，对其传动轴系及重要部件进行了相关动力学特性研究和分析。针对系统各部分装置的结构特点，精选当前最典型、最有效的动力学方法，摘选了系统中动力学特性比较典型，对系统影响突出的几个主要部位:主传动轴、高压扫气泵、主柴油机曲轴、船用齿轮箱的相关特性进行研究。结合具体算例进行了理论运算和仿真分析，主要研究工作如下：　　(1)水下船舶的主传动轴结构较为复杂，是一个多质量的弹性振动系统。包含从活塞连杆曲轴机构，前后传动齿轮装置，后面的离合器、主电机、螺旋桨之间的多种附件。其振动特性对船体的隐蔽性、噪声、动力系统运行的稳定性和可靠性都起着重要的影响。是研究动力传动系统动力学特性的基础。本文对于主传动轴系根据其具体结构，应用传递矩阵法，建立集中质量模型，求解其固有频率和振型。由转子系统的离散等效化原则，得到质量、转动惯量和转轴刚度的集中等效公式。基于离散等效的集中质量模型，探讨混合支承的传递方法，在计算中对混合支承迸行特殊的处理，求出了多跨子带有混合支承轴系的总传递矩阵。并利用MATLAB软件对频率方程进行求解，得到各阶临界角速度和临界转速，并据此求得转子各阶振型。　　(2)扫气泵作为水下船舶主柴油机重要的辅助机构，在实际工作中是故障率较高的装置之一。表现为高转速、大噪声、强振动工况。本文为提高研究的通用性，将该系统动力学建模简化为滚动轴承—偏置转子系统，充分考虑圆盘偏置量、陀螺力矩以及非线性滚动轴承力的影响因素，进行动力学建模及非线性响应分析。依据第二类拉格朗日方程建立了更加完整的滚动轴承-偏置单盘转子8自由度动力学方程，并利用数值方法对其求解，通过对所建模型的动态特性分析，得到了转速、圆盘偏心距、轴承游隙、滚动体接触刚度、圆盘偏置量和阻尼对系统非线性响应的影响。　　(3)对于主柴油机曲轴扭转振动特性的研究主要考虑了活塞、连杆具有变惯量的因素对柴油机轴系系统的扭转振动影响进行了研究，计算中考虑了活塞与气缸间的非线性干摩擦和非线性弹性恢复力对轴系扭转振动的影响，得出了若干结论。在此基础上，利用拉格朗日方程建立了柴油机轴系弯扭耦合非线性动力学模型，分别应用解析方法和数值积分方法对轴系的非线性动力学特性进行了仿真。结果表明:质量偏心、变转动惯量和活塞与气缸间的非线性干摩擦对轴系的非线性振动行为都有不同程度的影响。所得结论为改善系统动力学特性，保证柴油机安全稳定运行提供了理论依据。　　(4)船用齿轮箱动力学特性有限元分析。大型船用斜齿轮轮齿的几何模型复杂，其力学分析非常困难。随着计算机技术的发展，在齿轮研究中广泛应用有限元方法来计算应力和应变。本文采用Abaqus有限元软件首先建立齿轮箱传动系统的有限元分析模型，将各轴承支撑刚度以弹簧刚度来模拟，将齿轮之间进行绑定(tie)约束，从而将非线性接触模态求解，简化为线性模态求解，将求解的传动系统动态特性与传动系统的激励频率结合，绘制坎贝尔图，结合系统的振型相位、幅值和能量，对整个传动系统进行共振分析。采用Lanczos法求解系统的固有特性。同时基于应力波对齿轮的动态啮合应力进行分析，运用Abaqus软件中的显示动力学模块，对渐开线圆柱齿轮副转过几对轮齿的三维实体动力学接触问题进行了仿真，还分析了轮齿瞬态接触时的应力分布及应力的传播情况，得到了良好的接触形态。
作者：	张宇白
专业：	机械设计及理论
导师：	袁惠群
授予学位：	博士
授予学位单位：	东北大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文