摘 要

近些年来，随着大型二冲程低速柴油机的迅速发展，大型船舶推进轴系的扭振特性以及轴系校中问题越来越受到重视，进行轴系扭振与校中计算分析，有利于提高船舶的运行效率以及运行安全。因此，开展本文涉及的轴系扭振校中计算分析研究具有十分重大的意义，本文主要深入研究了92500DWT散货船推进轴系扭振以及校中的一系列问题，具体内容如下：

（1）论述船舶推进轴系扭振的产生机理以及国内外的研究现状，论述了推进轴系校中的研究目的与意义以及国内外的研究现状和存在问题，申明本文的目的与立意。

（2）在推进轴系扭振理论以及轴系校中的一般理论上，根据轴系扭振的基本原理以及轴系当量参数模型，基于MATLAB强大的数学计算和编程绘图能力对92500DWT散货船推进轴系进行计算分析，推进轴系校中计算分析。.

关键词：推进轴系；扭振；系统矩阵法；MATLAB；轴系校中

Abstract

In recent years, with the rapid development of large-scale two-stroke low-speed diesel engine, the torsional vibration characteristics of large-scale ship propulsion shaft system and the problem of shaft alignment have been paid more and more attention. The operation efficiency of the ship and the safety of the operation. Therefore, it is of great significance to study the calculation and analysis of the torsional vibration in the shaft system. This paper mainly studies a series of problems in the torsional vibration of the 92500DWT bulk carrier propulsion shaft and the school, as follows:

(1) Discusses the mechanism of the torsional vibration of the ship propulsion shaft system and the research status at home and abroad, discusses the research purpose and significance of the research and the research status and existing problems at home and abroad, and clarifies the purpose and conception of this paper.

(2) Based on the basic theory of shaft torsional vibration and the equivalent model of shaft system, based on the powerful mathematical calculation and programming drawing ability of 92500DWT bulk carrier Propeller shaft calculation and analysis, to promote the calculation of shaft alignment.

The Key words: Propulsion Shafting; Torsional Vibration; MATLAB; System Matrix Method;

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 文献阅读报告 1

1.2课题研究的目的和意义 1

1.3国内外研究现状及存在的问题 2

1.3.1船舶轴系扭转振动研究现状及存在的问题 2

1.3.2 船舶轴系校中的研究现状及存在的问题 2

1.4 本课题的主要工作 3

1.4.1 研究目标 3

1.4.2 研究内容 3

1.5 关键技术及技术路线 3

第二章 92500DWT散货船概述 5

2.1 散货船 5

2.2 92500DWT散货船 5

2.3 本章小结 6

第三章 船舶推进轴系及轴系扭转振动原理 7

3.1 船舶推进装置 7

3.2 船舶推进轴系扭转振动一般理论 8

3.3 本章小结 9

第四章 扭转振动的计算与分析 10

4.1 轴系扭转振动的计算方法 10

4.2 MATLAB软件介绍 12

4.3 92500DWT散货船推进轴系扭转振动当量模型的建立 12

4.4 92500DWT散货船推进轴系扭转振动计算分析 14

4.5 运用MATLAB进行轴系计算分析 17

4.6 本章小结 18

第五章 船舶轴系校中的一般原理 19

5.1 轴系校中的含义 19

5.2 轴系校中的方法及其分类和轴系校中的方法 19

5.3 轴系校中的重要性 20

5.4 本章小结 21

第六章 92500DWT散货船轴系校中计算研究 22

6.1 92500DWT散货船基本数据 22

6.2 轴系校中计算内容与步骤 24

6.2.1 建立校中计算模型 24

6.2.2建立计算式求解校中参数 25

6.3 轴系校中计算挠度曲线 25

6.4 轴系校中计算弯矩曲线 25

6.5 轴系校中计算应力曲线 26

6.6 轴承受力状态 26

6.7 轴承负载和偏置 29

6.8 每个联轴器法兰之间的间隙和下垂值 32

6.9 累加负载和校正因素 33

6.10 允许的剪切力和弯矩 34

6.11 艉轴管轴承的改进 35

6.12 本章小结 35

第七章 总结 37

7.1 论文总结 37

7.2 工作展望 37

致谢 38

附录 38

附录1 激励系数参数表 38

附录2 扭振当量参数表 41

附录3 MATLAB程序 41

附录4 扭转刚度 52

附录5 转动惯量 52

附录6 激励力矩列矢量 53

参考文献 55

第一章 绪论

1.1 文献阅读报告

在论文选题之后的寒假以及在写论文的过程中，根据周老师的建议和要求以及本论文的需要，我查阅了不少文献，主要有《振动力学基础与MATLAB应用》、《船舶原理》、《船舶动力装置》、《船舶推进轴系振动》、《船舶轴系校中原理及其应用》等文献。根据《船舶原理》对研究对象92500DWT散货船及船舶概况有了深刻的认识，该书中关于螺旋桨的基础理论以及螺旋桨惯性矩计算方法在本文扭振计算中得到应用；本文的推进轴系扭振这部分内容是建立在《振动力学基础与MATLAB应用》的基础上的，根据此文献中讲述的运用MATLAB软件程序对转动惯量[J]、扭转刚度矩阵[K]、阻尼矩阵[C]、激励力矩列矢量[M]的求解，根据自由扭振矩阵方程和强迫振动矩阵方程求解出固有频率、振幅、应力及振动扭矩，完成对92500DWT散货船推进轴系的计算分析；《船舶推进轴系振动》第三章的内容即“扭转振动”教会了我关于轴系扭转振动的简化模型的方法，关于转动惯量与扭转刚度计算的方法和公式在本文中也占有比例，关于Holzer法、系统矩阵法、传递矩阵法的概念及计算步骤的区别在我最终选择系统矩阵法上起到了重要作用，另外也学会了减振措施；本文另一部分内容（推进轴系校中是建立在）《船舶轴系校中原理及其应用》中的，此书第二章关于船舶轴系校中及校中质量的评定、第六章船舶轴系合理校中原理及应用和轴系校中计算法对我影响颇深，让我能够了解这么多关于轴系校中的知识。另外，也查阅了不少国内外的论文以及期刊，对合理校中计算方法比如三弯矩法及改进的三弯矩法有了新的认识。

1.2课题研究的目的和意义

近年来,我国的船舶事业取得了崭新的突破,新的能源动力装置类型接连涌现出来,某些动力装置复杂度甚至出人意料的高。即便船舶推进轴系扭转振动（Shaft Torsional Vibration）基本理论目前也是非常成熟,然而因为船舶复杂推进轴系比较于一般的直链式轴系（Straight shaft system）具有不少的不同之处,计算中涉及要素颇多,所以振动机理愈加不简单,大部分问题至今没有得到权威解释。而船舶推进轴系扭转振动跟船舶的安全运行有很大的关系。因此,船舶复杂推进轴系扭转振动问题愈加受到广大的关注。熟悉驾驭船舶复杂推进轴系扭转振动的原理,并且以此为根底进行通用性高、集成度高、模块化程度高、结构化且计算准确的推进轴系扭转振动计算研究以及越来越引人重视了[^[1]]。进一步来讲，这些年来，以矿砂船、特大型游船和中大型干散货船、大型集装箱船为代表，船舶始终朝着大型化、高速化进步，加上人们对船舶运行安全舒适等更高要求的重视，船舶航行时轴系的运转状态的稳定与否越来越重要了[^[2]]。在船舶航行中，因为要受到推进轴系的多

种不同种类的负荷的共同作用，轴系校中（Shaft alignment）结果的好坏将更加直接的影响到轴系中各轴承的受力状态，不合理的船舶轴系校中更加会让承受力超出恰当的容许值，引起轴承过热，在严重的情况下甚至会导致轴承损坏，而且还有几率导致轴系、螺旋桨（propeller）和船壳严重的振动和噪声（Vibration and noise），使振动或噪声超出许可范围，影响到交船和船舶的航行性能，所以轴系校中一直是船舶界十分关心的问题[^[3]]。事实证明，想要保证轴系长期安全正常的允许，除了在轴系设计（Shaft design）时应保证具有足够的强度及刚度外，在轴系安装时，应保证它具有合理的状态，使得轴系各轴段内的应力及各轴承上的载荷均处在恰当的局域之中。经理论计算和实践的证明，安装好的轴系，它的每个轴段上的应力及每个轴承上的负荷是否在允许值之内，除了有设计的因素，更加取决于轴系校中质量的好坏[^[4]]。

1.3国内外研究现状及存在的问题

1.3.1船舶轴系扭转振动研究现状及存在的问题

柴油机轴系的扭转振动作为一种相伴而生的问题悄然陪伴柴油机走过了漫长的发展历史。中国以及其他国家的科研院所、联轴器厂家、大型柴油机厂家、高校等已经开展过柴油机轴系扭转振动这一方面的研究。通过一个多世纪的发展，柴油机扭振方面的研究己经获得了巨大的突破。刚开始，人们只提出的简单的人工手算的办法，而目前为止已经可以在智能机上运行各种智能计算软件[^[5]]。对于一般的不复杂的柴油机轴系的扭转振动，这种计算理论的研究经过多年的发展已经很成熟了。电脑作为计算分析扭振的集大成者,将传统的扭转振动计算推向一个全新的高度。至今，基于不同平台、算法和构架的扭转振动分析计算软件更新的越来越快了。然而，因为复杂轴系与以往简单直链式系统结构上的存在着很大的不同，原有的算术方法没法继续服务了，同样的，基于以往计算方法研发出来的船舶轴系扭转振动计算分析软件也不能正常在解决复杂轴系扭转振动问题上发挥作用了[^[6]]。本世纪以来，国内外关于复杂轴系的扭转振动的研究以及计算软件的开发方面还做得不够好。由此，基于船舶复杂推进轴系的扭转计算分析仍然需要进一步的发展。开发出一套船舶复杂推进轴系扭转振动分析的新算法，并且研制出集高效、高精度和图形化操作方式的高效扭转振动计算软件愈加迫在眉睫了[^[7]]。

1.3.2 船舶轴系校中的研究现状及存在的问题

对于船舶推进轴系校中的科研，我国以及国外的很多研究所和各地船级社都付出了大量的心血。经过近半个世纪的理论研究和实践过程的总结，终于开发出了解决船舶推进轴系校中问题的轴系校中的计算措施以及建立了推进轴系校中的数学模型的方法。从上个世纪以来，有关于船舶推进轴系校中的研究一直在向前发展着。在研究轴系校中的初期，对于轴系安装，人们都还只是采用直线对中的方法。但是在现实情况中动力装备运行过程中会出现轴系的破坏，因此为了解决这个难题，又提出了使用新的方法，通过推进轴系系统中一两个中间轴承的位置下移，来改变轴系系统的负荷情况[^[8]][^[9]]。近些年来，归功于船舶推进轴系校中理论的渐渐成熟以及计算机软件技术的快速发展，诞生了轴系合理校中（Reasonable alignment of shafting）的概念。目前为止，我们可以采用的轴系校中计算方法主要有四种，分别有有限元法、三弯矩方程法、改进的三弯矩方程法以及传递矩阵法[^[10]]。得益于轴系校中理论和轴系校中因素以及轴系计算方法不断发展，在考虑螺旋桨水动力、润滑油膜和温度等多个因素的影响，各地船级社借助于多种计算机软件研发工具，已经研发出了轴系校中计算软件[^[11]]。虽然，借助于计算机的不断发展，轴系校中的研究已经取得了不错的发展，但是仍然存在着众多问题，每种轴系校中计算的方法都存在着局限，也没能与计算机更加紧密的联系在一起。关于轴系校中许多因素的研究，都只是停留在理论的层面上，还未深入到实践中[^[12]]。更加符合轴系校中的实际工作情况的轴系动态校中[^[13]]也只是在发展初期，各地研究机构和船级社开始将轴系校中研究的主攻方向放在这个上面。

1.4 本课题的主要工作

1.4.1 研究目标

本课题的研究目标是分析92500DWT散货船轴系扭转振动及校中情况，分析导致船舶轴系扭转振动的原因，建立92500DWT散货船推进轴系当量模型[^[14]]，对轴系扭转振动进行计算分析，并进行MATLAB编程计算分析[^[15]]，得出有效的减振措施，优化扭转情况；轴系校中模型的简化，分析导致轴系失中的各类因素，运用校中理论对所研究目标-92500DWT散货船-进行校中措施，并进行程序编程绘图进行实例分析。

1.4.2 研究内容

船舶推进轴系系统是船舶动力装置的重要组成部分。在推进装置中,从柴油机机组的输出法兰到螺旋桨之间以传动轴为主的一整套设备称为轴系[^[16]]。本课题以92500DWT散货船为研究对象，采用理论研究和实际应用相结合的方法，运用振动的一般理论和轴系校中的基本原理，并运用计算机软件MATLAB以及AutoCAD等软件进行计算和编程，对92500DWT散货船轴系扭振和校中进行编程、绘图、计算和研究，并进行相关的实例分析。

1.5 关键技术及技术路线

技术路线图如图1-5-1所示。