推进轴系纵向减振技术及其应用研究

摘要

推进轴系是船舶动力装置的关键组成部分。推进轴系作为连续弹性体，推进器（螺旋桨）在不均匀伴流场中产生的激励力会使得推进轴系产生纵向振动。早期，由于船舶功率较小，产生纵向振动的可能性非常低，所以推进轴系的纵向振动没有受到较大关注。近些年来，随着船舶工业的快速发展，大功率船舶越来越普及，推进轴系的纵向振动固有频率也随之越来越低，推进轴系的纵向振动问题逐渐显露出来。推进轴系的纵向振动不仅会影响到推进轴系的工作寿命，而且会影响到船员的作息生活。此外，对于军事舰艇来说，推进轴系振动还会通过轴承基座传递到船体，引起船体的振动，进而在船体周围形成辐射声场，严重影响舰艇的声隐身性。所以无论是针对民用船舶还是军用舰艇来说，开展推进轴系的纵向振动控制研究，具有十分重要的实际工程意义。 因此，本文以推进轴系纵向振动控制为背景，从工程应用的实际需求出发，结合动力吸振技术和声子晶体局域共振理论对轴类结构的纵向减振技术开展了关键理论和应用研究。论文主要的研究工作和创新成果如下： 1.推进轴系的纵向振动特性研究。针对复杂冗长的推进轴系的具体结构特点，通过将各轴段进行离散化建模，再结合各个轴段结合面的连续条件，进而采用传递矩阵法对推进轴系的纵向振动进行动力学建模。该建模方法是基于轴的纵向振动解析解的基础上，具有较好的精确性，并能够简化复杂轴系的建模并在此基础上对推进轴系的动力学特性进行分析；以实际工程中的全尺寸推进轴系台架为对象，对推进轴系纵向振动特性的各种影响因素(加载、位置、转速、状态)进行了试验研究，研究表明：对船舶推进轴系进行纵振试验时，在无法模拟螺旋桨在水中的实际激励的情况下，需要对轴系施加一定的静载荷；推力轴承是推进轴系纵向振动传递至船体的主要路径；静态和动态条件下，推进轴系的纵振响应差别较大，而且动态时不同转速下推力轴承处的响应峰值频率基本保持一致，但在个别峰值响应大小略微不同。 2.吸振器-轴系耦合系统的纵向振动特性研究。对吸振器-轴系耦合系统的纵向振动模型进行了动力学建模，研究了附加单个吸振器和多个吸振器两种情形下轴系的纵向振动特性的分析方法。对于附加阻尼动力吸振器轴系的耦合系统，通过子结构综合法将阻尼动力吸振器对轴系的作用简化成在对接点处的反作用力，再结合传递矩阵法可得到吸振器-轴系耦合系统在任意位置处的动力学响应，进而能够分析阻尼动力吸振器的减振效果。该方法可以作为连续系统吸振器设计的一种参考方法。针对中空轴系纵向振动的单阶模态和多阶模态，分别设计阻尼吸振器对其进行纵向减振，其中采用多阶吸振器对轴系进行多模态振动控制时，由于各阶吸振器之间会发生相互耦合，所以不能孤立地进行各阶吸振器的设计，需要对吸振器进行整体优化，进而获得最优的减振效果。有限元仿真计算结果验证了理论建模方法的正确性，理论和仿真结果均表明所设计吸振器的减振效果较为明显。 3.单振子局域共振轴纵向振动带隙及其振动特性研究。通过求解附加单振子轴单元两端的状态矢量关系得到其等效传递矩阵，并结合Bloch定理推导出无限周期结构下单振子局域共振轴能带结构的解析表达关系以及有限周期结构下局域共振轴的振动传输特性曲线，并根据能带结构关系式得到带隙边界方程，进而分析了振子的质量和刚度参数以及晶格常数对带隙特性的调节规律。对带隙中存在的带隙对称现象以及带隙耦合现象进行了分析，研究了对称带隙和带隙耦合现象产生的条件。此外研究了阻尼对有限周期结构下单振子局域共振轴的振动特性的影响。 4.双振子局域共振轴纵向振动带隙及其振动特性研究。在得到的附加单振子轴单元的等效传递矩阵基础之上，推导得到了双振子局域共振轴的能带结构关系的解析式以及振动传输特性，研究发现：在振子总质量相同的前提下，双振子局域共振轴相比较于单振子而言能够获得良好的带隙特性；通过对双振子局域共振轴的能带结构进行分析，发现振子的间距比会对带隙产生影响，通过合理设计振子间距能够获得更宽的带隙宽度。故在此基础上，分别针对两种特殊类型下的双振子局域共振轴，对其带隙边界频率方程进行了推导，进而获得了解析表达式，并分析了带隙特性的调控规律。 5.推进轴系纵向减振技术试验。针对工程中实际全尺寸推进轴系台架的前三阶纵向振动设计了三个阻尼吸振器，制造了吸振器试验样件，并分别在静态和动态两种条件下进行了推进轴系纵向减振试验，并评估吸振器对轴系的纵向减振效果。通过试验发现所设计的纵向振动阻尼动力吸振器对轴系的纵向振动有非常好的抑制作用，而且在轴系静态和动态的不同转速下吸振器的减振效果均得到很好的保证。由于所设计的阻尼动力吸振器不需要对结构进行改动，适应性强，减振效果，具有较好的实际应用前景。

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