摘 要

船舶推进轴系是船舶动力系统的重要组成部分，轴系振动和校中状态对船舶运行是否安全可靠有着非常关键的影响。目前所有关于扭振和校中试验台均是就某一种项目进行试验研究，且暂时没有一种试验台对齿轮箱、皮带、链、万向轴等传动方式对轴系扭转振动的影响以及轴承变位和轴系校中对轴系回旋振动的影响进行系统性研究。而齿轮箱、皮带、链轮、万向轴等作为船舶动力轴系常用设备，其对轴系振动的影响不可忽视。另外，目前对轴系回旋振动的研究所常见对象为结构较简单、绝对对中的高速轻载转子轴系，着重于系统运转时的振幅控制及稳定性问题。船舶推进轴系为一种工作状态多变的特殊低速重载复杂转子系统，常规试验装置无法对通常在不对中状态下工作的船舶推进轴系进行有效的实际模拟，难以满足对轴系状态变化下回旋振动响应计算的需要。

本研究涉及一种轴系振动-校中综合试验台架系统，用于研究船舶推进轴系扭转振动和回旋振动以及轴系校中状态、皮带传动、齿轮传动、万向节等对船舶推进轴系振动影响的综合试验台架，为船舶推进轴系的研究和教学提供试验平台。

关键词：轴系振动；轴系校中；试验台

Abstract

The ship propulsion shafting system is an important part of the ship's power system. Shafting vibration and centering conditions have a very crucial influence on whether the ship operates safely and reliably. At present, all the research on torsional vibration and mid-range test benches are conducted on a certain type of project, and there is no test bench for the effect of gearboxes, belts, chains, cardan shafts, and other transmission methods on the torsional vibration of the shafting system. The influence of bearing displacement and shaft alignment on the shafting swirling vibration is systematically studied. Gearboxes, belts, sprocket wheels, cardan shafts, etc. are commonly used as the equipment for the ship's power shafts, and their effects on shaft vibration cannot be ignored. In addition, the current research object for the research on shafting swirling vibration is the high-speed light-loaded rotor shaft system with simple structure and absolute centering, and focuses on the amplitude control and stability of the system during operation. The ship propulsion shafting system is a special low-speed heavy-duty complex rotor system with variable working condition. The conventional test equipment cannot effectively simulate the ship propulsion shafting system that is normally operated under misalignment, and it is difficult to meet the changes in the shafting state. The lower gyrational vibration response needs to be calculated.

This study involves a shafting vibration-campus integrated test bench system for the study of torsional and cyclonic vibrations of shafts in ships' propulsion shafts, shaft alignment, belt drives, gear drives, universal joints, etc. The comprehensive test bench, which is the impact of vibration, provides a test platform for the research and teaching of ship propulsion shafting.

Key Words：shafting vibration；shafting alignment；test bench

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景和研究意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1扭转振动研究现状 1

1.2.2回旋振动研究现状 2

1.2.3轴系校中研究现状 3

1.3 主要研究内容 4

1.4 技术路线 4

第2章 多功能轴系试验台架系统设计 5

2.1试验台架的设计与制作 5

2.2 电机的选取 6

2.2.1 推进电动机的选取要求 6

2.2.2 多功能轴系试验台架电机选取 8

2.3 轴系布置设计 8

2.3.1轴系的任务 8

2.3.2轴系的组成 8

2.3.3轴系的设计要求 8

2.3.4轴系布置设计 9

第3章 多功能轴系试验台架功能研究 11

3.1研究齿轮、皮带和链传动对轴系振动的影响 11

3.2研究万向轴安装状态对轴系扭振的影响 11

3.3研究轴承变位对轴系振动的影响 11

3.4研究轴系质量不均匀对轴系振动的影响 11

3.5研究轴系对中对轴系振动的影响 11

第4章 多功能轴系试验台架扭转振动计算 12

4.1当量系统参数确立 12

4.2自由振动计算结果 13

4.3强迫振动计算结果 15

4.4计算方法对比分析 17

第5章 多功能轴系试验台架实验研究分析 19

5.1 振动采集信号奇点判断 19

5.2 轴系扭振频谱分析 20

5.3 轴系横/纵频谱分析 22

5.4 结论 24

第6章 总结与展望 25

6.1 总结 25

6.2 展望 25

参考文献 26

致 谢 27

第1章 绪论

1.1 课题背景和研究意义

船舶推进轴系是船舶动力系统的重要组成部分，轴系振动和校中状态对船舶运行是否安全可靠有着非常关键的影响。目前所有关于扭振和校中试验台均是就某一种项目进行试验研究，且暂时没有一种试验台对齿轮箱、皮带、链、万向轴等传动方式对轴系扭转振动的影响以及轴承变位和轴系校中对轴系回旋振动的影响进行系统性研究。而齿轮箱、皮带、链轮、万向轴等作为船舶动力轴系常用设备，其对轴系振动的影响不可忽视。另外，目前对轴系回旋振动的研究所常见对象为结构较简单、绝对对中的高速轻载转子轴系，着重于系统运转时的振幅控制及稳定性问题。船舶推进轴系为一种工作状态多变的特殊低速重载复杂转子系统，常规试验装置无法对通常在不对中状态下工作的船舶推进轴系进行有效的实际模拟，难以满足对轴系状态变化下回旋振动响应计算的需要。

本课题涉及一种轴系振动-校中综合实验台架系统，用于研究船舶推进轴系扭转振动和回旋振动以及轴系校中状态、皮带传动、齿轮传动、万向节等对船舶推进轴系振动影响的综合实验台架，为船舶推进轴系的研究和教学提供实验平台。

1.2 国内外研究现状

1.2.1扭转振动研究现状

扭转振动是主机通过轴系传递功率至螺旋桨，造成各轴段间的扭转角度不相等，轴段来回摆动产生的。对扭转振动而言，由于曲轴较长，扭转刚度较小，而且曲轴轴系的转动惯量又较大，故曲轴扭振的频率较低，在内燃机工作转速范围内容易产生共振。如不采取预防措施轻则引起较大噪声、加剧其它零件的磨损，重则可使曲轴折断。因此，扭转振动是内燃机设计过程中必须考虑的重要因素。

扭转振动是旋转机械轴系一种特殊的振动形式，它本质上是由于轴系存在弹性，当曲轴在以平均速度进行的旋转过程中，各弹性部件间会因各种原因而产生不同大小、不同相位的瞬时速度的起伏，形成沿旋转方向的来回扭动。20 世纪初，扭转振动的实际问题开始在动力装置中提出，其后发展大致可分为三个阶段：

第一阶段为探索阶段，由于当时内燃机的发展还不成熟，轴系扭振问题并没有引起人们太大的关注，在此期间对出现的问题进行了初步的探索，也出现了很多沿用至今的计算方法，包括 Holzer 表格计算方法和 Geiger 扭振测振仪等。

第二阶段是扭振理论发展成熟的阶段，随着内燃机的发展，扭振理论由简单的计算分析发展逐渐发展完善出了完整的经验理论体系。在此期间，扭振作为动力机械驱动装置重要研究课题，主要对轴系刚度及阻尼作了大量研究，通过实验数据的积累，在轴系扭振及强度分析中得到广泛的应用。

第三阶段是现在的发展阶段，随着内燃机装置的多元化发展，轴系配套结构更加丰富，同时，随着计算机在工程领域中的应用，使得日渐复杂的计算变得更为便捷。现在，轴系的扭振设计及强度计算是内燃机设计中必不可少的内容。

1.2.2回旋振动研究现状

第二次世界大战后，一些商船特别是美国“自由轮”经常发生螺旋桨轴锥形大端龟裂折损，甚至出现螺旋桨落入海中的严重事故，由此引起了人们的关注。希腊人Panagopulos.E首先在1950年指出了事故的主要原因是：在艏艉不均匀伴流场中运转的螺旋桨上作用有叶频周期变化的流体力，使螺旋桨轴系产生回旋（横向）振动共振。稍后，1952年，英国人Jasper.N.H.在不同条件下也得出类似结论。

在Panagopulos和Jasper研究并提出计算螺旋桨回旋（横向）振动固有频率的简化公式后，在海洋商船轴系设计中多使回旋振动共振转速远在运转转速范围之外，因而使回旋振动共振引起的螺旋桨轴折损事故大体消除，回旋（横向）振动似乎已不成问题。这样船舶推进轴系回旋振动的研究在一个时期中进展较为缓慢。

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