大型船舶推進軸系功率流分析理論與方法研究.pdf

1、船舶動力裝置是各種能量產(chǎn)生、傳遞、消耗的全部機械設(shè)備及系統(tǒng)的有機組合體，其主要任務(wù)是為船舶提供各種能量，為船舶的正常航行、作業(yè)、戰(zhàn)斗和其他需要提供推進動力和二次能源，視為船舶的“心臟”。近年來，大型、超大型船舶數(shù)量占世界遠洋船舶總量的比例越來越大，船舶發(fā)展的大型化既是各國海洋運輸經(jīng)濟發(fā)展的迫切需要，也是前沿的船舶基礎(chǔ)理論和先進的船舶建造技術(shù)支持的產(chǎn)物。大型船舶推進軸系狀態(tài)監(jiān)測理論與方法研究是目前尚未完全攻克的難題之一，對船舶安全航行有一

2、定的理論指導(dǎo)意義與實用價值。通過對大型船舶推進軸系功率能流分布特性的研究，實時掌握船舶推進軸系能流動態(tài)分布特性、功率流傳遞等技術(shù)狀態(tài)信息，揭示船舶推進系統(tǒng)動力學特性，與經(jīng)典的振動分析、油液分析理論等方法手段相比，基于功率流的方法更易于解釋能量的分布與傳輸機理。
　　本文以大型船舶推進軸系為研究對象，主要研究工作如下：
　　（1）對船舶軸系運行特性及其影響因素進行了分析。分析總結(jié)了船舶推進軸系螺旋槳激振力公式、柴油機激振力經(jīng)驗

3、公式和理論計算方法，分析了激振力對推進軸系的影響。以8530TEU集裝箱船推進軸系為研究對象，給出了其在額定轉(zhuǎn)速下螺旋槳旋轉(zhuǎn)一周各方向螺旋槳軸承力的變化特性值。研究了船舶推進軸系各個軸承垂直位移的影響因素。指出，軸系慣性載荷、軸系初始校中、螺旋槳激振力、受波浪載荷作用下船體的變形等均會導(dǎo)致不同程度的軸系各軸承的強制位移。研究了軸承油膜的剛度、阻尼、油膜力、軸承油膜等效軸承位移等動力學特性。
　?。?）提出了大型船舶推進軸系在縱向振

4、動、扭轉(zhuǎn)振動、回旋振動及耦合振動下基于功率流理論的軸系能流分布的計算方法。根據(jù)功率流理論，分別給出了典型桿件在拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲作用下的動力學方程、本構(gòu)方程、位移-應(yīng)變關(guān)系、位移-速度關(guān)系、邊界條件等，推導(dǎo)了能流密度矢量關(guān)系式、能流位關(guān)系式與能量方程。結(jié)合鍵合圖理論，建立了8530TEU集裝箱船推進軸系的鍵合圖模型。基于上述理論，推導(dǎo)了不同邊界條件下軸系在縱向振動、扭轉(zhuǎn)振動、回旋振動和耦合振動下的功率流計算公式。
　?。?）建立了軸

5、系在“船體-軸承-油膜-軸”耦合下的非線性簡化物理模型及線性簡化物理模型，分別推導(dǎo)了“船體-軸承-油膜-軸”耦合控制方程，并對該耦合模型的功率流傳遞特性進行了分析。
　?。?）利用有限元方法建立了8530TEU集裝箱船軸系的有限元模型?；谟邢拊椒?，以8530TEU集裝箱船推進軸系為例，研究了軸系在慣性載荷、螺旋槳激振力、軸承合理校中等條件下的軸系垂直位移分布、轉(zhuǎn)矩分布、應(yīng)力應(yīng)變分布、應(yīng)變能分布等能流分布特性及規(guī)律。
　　

6、（5）開發(fā)了一種基于磁耦合共振技術(shù)的非接觸式無線感應(yīng)供電裝置，以實現(xiàn)軸系監(jiān)測裝置對能量信號的不停機連續(xù)在線監(jiān)測，從而獲得在船舶推進軸系性能綜合試驗平臺上及在實船測試中的數(shù)據(jù)可靠采集，提高船舶推進軸系性能參數(shù)測試方法的精度。在船舶推進軸系性能試驗平臺上對無線感應(yīng)供電裝置、軸系軸功率進行了測試。同時，在某船柴油機飛輪端軸系扭振、縱振進行了測試并對測試數(shù)據(jù)進行了分析。
　　綜上，本文結(jié)合功率流理論，對船舶推進軸系的運行特性和動力響應(yīng)進行