艉轴承摩擦力作用下推进轴系弯-扭耦合振动特性分析

摘要

潜艇推进轴系在运转过程中常发生异常振动与噪声,其不仅影响自身运转的稳定性,还会通过基座传递给艇体,引起艇体结构振动,辐射噪声。
　　在推进轴系中,艉部支撑多采用水润滑橡胶轴承。受螺旋桨、轴系自重以及轴系对中等因素的影响,艉部橡胶轴承成为推进轴系中负荷最大的支承。由于螺旋桨的悬臂载荷作用,使得推进轴系艉部橡胶轴承比压很大且载荷分布极不均匀。在开、停机以及低速重载运转工况下,过大的负荷往往会破坏轴颈与轴承间良好的水膜润滑状态,使其落入“边界润滑”或者“混合润滑”区域,轴颈-轴承间的摩擦作用增加。由于橡胶轴瓦上纵向沟槽比较多,轴承-轴颈间很不容易形成连续而稳定的流体润滑膜,轴颈与轴承间容易进入“粘滑”状态。在无明显外激励条件下,轴系仍可能产生异常弯曲、扭转振动,发出异常噪声,甚至引起轴系产生自激振动并激起壳体振动,影响声隐性,降低运行稳定性和使用可靠性。其中,轴承-轴颈间作用的交变摩擦力或摩擦力矩诱导系统振动模态产生自激振动为其潜在原因。
　　目前,对于诸多自激振动问题的研究,从分析系统整体动力学行为的角度进行研究已经逐渐成为主流思路。此前,对推进轴系自激振动的理论研究多通过简单的集总参模型,定性分析推进轴系摩擦自激振动的基本规律,但分析局限于轴承处的局部结构,并且过于简化的结构使其并不能详尽地说明摩擦激励下实际轴系的整体动力学行为。此外,研究模型仅适用于模拟轴系转子开、停机工况。实际上,低速重载正常运转时,推进轴系仍可能产生自激振动,甚至激起艇体振动。本文以简化的低速重载推进轴系为研究对象,建立推进轴系在艉部橡胶轴承摩擦力作用下的弯-扭耦合自激振动动力学模型,从机理上探讨推进轴系的弯-扭耦合振动特性及其主要影响因素。为转子轴系异常振动及其噪声的识别提供理论依据,有利于推进轴系结构的合理化设计与安装,有利于通过控制措施对轴系的振动状态加以控制,保证轴系的稳定运行状态,特别是减小轴系振动对壳体振动的影响,从而有利于减少壳体的辐射噪声。
　　第一章:介绍本文研究的背景及意义。并从推进轴系扭转振动、推进轴系横向弯曲振动、推进轴系弯-扭耦合振动、水润滑橡胶轴承摩擦特性、水润滑橡胶轴承力学特性、转子动力学等几个方面,对国内外研究现状加以介绍。
　　第二章:通过分析潜艇推进轴系艉部水润滑橡胶轴承在具体工作状态下的受力和变形,简化其刚度特性计算模型,然后,利用有限元分析软件ABAQUS作为工具计算橡胶轴承刚度,其中包括竖直方向刚度和水平方向刚度。为了节约计算时间,节省计算机存储空间,灵活巧妙地将水润滑橡胶轴承三维有限元计算模型简化为二维有限元计算模型,在分析比较之后,进而将橡胶轴承作进一步简化,大大缩短了计算时间,而不影响计算分析的精度要求。
　　第三章:以简化的低速重载恒转速推进轴系为研究对象,建立推进轴系在艉部橡胶轴承摩擦力作用下的弯-扭耦合自激振动动力学模型,从机理上探讨推进轴系的弯-扭耦合振动特性及其主要影响因素。从轴系整体动力学的角度出发,建立推进轴系在摩擦力作用下的弯-扭耦合振动特征方程,其中,轴系弯曲振动包括竖直方向和水平方向弯曲振动。通过分析轴系转子的动态响应特性,明确了引起轴系异常振动的机理,摸清了影响推进轴系弯-扭耦合振动特性的主要因素。
　　第四章:采用实验方法对推进艉轴的振动特性进行研究。通过锤击法测试实验模型的静态、动态模态特性。实验测试推进轴系在低速重载运转工况下的动态响应特性。
　　第五章:对本文的研究加以总结、归纳,并对以后的科研工作加以展望。

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第一章 绪论

1.1研究的背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3论文主要研究内容

第二章 水润滑橡胶轴承建模及刚度特性分析

2.1引言

2.2水润滑橡胶轴承

2.3水润滑橡胶轴承刚度计算

2.4本章小结

第三章 艉轴承摩擦力作用下推进轴系弯-扭耦合振动特性分析

3.1引言

3.2系统动力学模型

3.3数值仿真

3.4本章小结

第四章 推进轴系艉轴台架实验

4.1引言

4.2振动测试基本理论

4.3实验测试系统

4.4实验过程

4.5实验模型分析

4.6本章小结

第五章 总结和展望

5.1全文总结

5.2本文创新

5.3研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文