14-船舶推进轴系纵向振动共振转换器的优化设计
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
基金项目： 船舶振动噪声重点实验室基金资助项目 （9140C280301） 收稿日期： 2017 - 10 - 02 网络首发时间： 2018-7-17 16:00
2 2 2 2 2 Hu Zechao1， ， He Lin1， ， Xu Wei1， ， Li Zhengmin1， ， Zhao Xingqian1，
第1期
胡泽超等： 船舶推进轴系纵向振动共振转换器的优化设计
为螺旋桨、 推力盘、 基座、 联轴器的质量，K 0 和 K b
C 0 为油膜的阻尼，L s 分别为油膜和基座的刚度，
和 L se 分 别 为 艉 轴 的 实 际 长 度 和 有 效 长 度 ，L 为 中间轴的长度， 从螺旋桨至联轴器分别为 1~5 号
徐伟 （通信作者） ， 男， 1980 年生， 博士， 副研究员。研究方向： 舰船动力装置振动噪声控制。
108
中
国
舰
船
研
究
0
引
言
假设 ：
［7］
为了便于推导 RC 的动力学方程， 需作出如下 1）油箱壁是刚性的， 流体的压缩全部发生在 2）连接管内的流体处于层流状态； 3）管内的流体可视为集中质量； 4）流 体 的 水 力 有 效 长 度 等 于 连 接 管 的 实 际 5）不考虑管道中的压缩效应。 根据假设条件， 由 D 'Alembert 原理可知， 活塞
A1 B1
( x1 - x 0 ) A 0 V1
（1）
d0 2 d ) 和 A1 = π( 1 )2 分别为活塞缸与连 2 2 接管的截面积；B1 为油的体积模量；μ1 和 ρ1 分别
为油的粘度和密度；ẋ 0 , ẍ 0 和 ẋ 1 , ẍ 1 分别为活塞缸 两端的速度、 加速度。将式 （1） 两端同乘 A 0 /A1 ， 得
A0 P =
最优固有频率比和阻尼比， 但分析模型较为简单，
2 2 ρ1 A 0 l1 8πμ1l1 A 0 ( ẍ 1 - ẍ 0 ) + ( ẋ 1 - ẋ 0 ) + 2 A1 A1 2 A0 B1 ( x1 - x 0 ) V1
（2）
Mh = Kh =
2 ρ1 A 0 l1 A1
2 8πμ1l1 A 0 2 A1 2 A0 B1 V1
艉部的纵向振动响应， 达到实现隔振的目的。 Goodwin 认为， RC 可等效为一种质量―弹簧―阻 尼单元， 据此设计了一种能在特定频段内降低轴 系 纵 向 振 动 的 液 压 减 振 装 置 。 Dylejko 等［2］和 Li 等［3］利用传递矩阵法建立了桨―轴―艇体系统的 数学模型， 分析了 RC 的主要参数对桨轴系统力传 递率的影响。李良伟等［4］和王珺等［5］运用动力谐 调消振理论对 RC 进行了优化设计， 得到了 RC 的 应用范围有限。 本文拟建立桨轴系统纵向振动的力学模型， 采用传递矩阵法， 计算螺旋桨激励力传递到壳体 的振动响应； 以力传递率为指标， 分析 RC 的活塞 缸直径 d 0 ， 连接管长度 l1 和直径 d1 及油箱体积 V1 的变化对桨轴系统隔振效果的影响， 分别采用力传 递率最大值最小化方法和力传递率与坐标轴围成 的面积最小修正法， 对 RC 的主要参数进行优化设计。 令 式中：A 0 = π(
2 National Key Laboratory on Ship Vibration & Noise， Wuhan 430033， China
作者简介： 胡泽超， 男， 1991 年生， 博士生。研究方向： 舰船动力装置振动噪声控制。
何琳， 男， 1957 年生， 教授， 博士生导师， 中国工程院院士。研究方向： 舰船隐身技术。
船舶推进轴系纵向振动共振转换器的 优化设计
2 2 2 2 2 胡泽超 1， ， 何琳 1， ， 徐伟 1， ， 李正民 1， ， 赵兴乾 1，
1 海军工程大学 振动噪声研究所， 湖北 武汉 430033 2 船舶振动噪声重点实验室， 湖北 武汉 430033
摘
应使轴系的固有频率避开螺旋桨叶频及其倍叶频激励力， 从而实现减振、 调频的目的。 ［方 法］为此， 建立推 进轴系纵向振动的力学模型， 基于传递矩阵法计算桨轴系统的振动响应， 以力传递率为指标， 分析 RC 的主要参 数进行优化设计。 ［结果］研究结果表明： 加装 RC 后， 轴系的隔振效果得到了明显的改善， 采用曲线面积最小修 正的优化设计方法可使 RC 的减振调频效果更佳。 ［结论］通过对 RC 结构参数的合理设计能使减振系统获得优 良的隔振效果。 关键词 ： 共振转换器； 推进轴系； 传递矩阵法； 纵向振动 中图分类号 ： U664.2
文献标志码： A DOI： 10.19693/j.issn.1673-3185. 01077
要： ［目的］在推力轴承上集成共振转换器 （RC） 可以改变轴系纵向振动的传递路径， 衰减 传 递 到 基 座 的 响
数对推进轴系隔振效果的影响， 分别采用最大值最小化方法和曲线面积最小的参数修正方法， 对 RC 的主要参
第 14 卷 第 1 期 第2019 1期 年2月
中 国 舰 船 研 究 Chinese Journal of Ship Research
Vol.14 No.1 Feb. 2019
Fra Baidu bibliotek
引用格式： 胡 泽 超 ，何 琳 ，徐 伟 ， 等. 船 舶 推 进 轴 系 纵 向 振 动 共 振 转 换 器 的 优 化 设 计 ［J］ . 中国舰船研究， 2019， 14 （1） ： 107-113. Hu Z C， He L， Xu W， et al. Optimzation design of resonance changer for marine propulsion shafting in longitudinal vi⁃ bration ［J］ . Chinese Journal of Ship Research， 2019， 14 （1） ： 107-113.
Ch =
1
RC 的动力学模型
RC 由充满油液的油箱、 外接管系和活塞缸组
其中，M h ，K h 和 C h 分别为 RC 的质量、 刚度和阻 模型：
F0 = A0 P
成， 装置内的工作流体可以改变轴系的纵向刚度 和 阻 尼［6］。 图 1 为 RC 的 原 理 模 型 ， 其 中 ，P 为 活 塞两侧的压力差，x 0 和 x1 为活塞缸两端的位移。
第 14 卷
在不均匀伴流场下， 螺旋桨的周期性运转产 生的脉动激励力是船舶在中高速航行时的主要噪 声源。该纵向激励力通过推力轴承传递至船体， 会引起轴系及船体的振动， 影响船舶的运行安全， 降低船体的声学性能。为了减小纵向激励力向船 体的传递， 可在轴系上安装减振器。考虑到推力 轴承传递大推力、 小位移的特性， 需要设计一种刚 度低、 阻力大的隔振装置。液压减振装置利用流 体的可压缩性来调整系统的刚度和阻尼， 通过合 理的设计， 可使推进轴系的动态特性满足指标要 求。在推力轴承处安装共振转换器 （Resonance Changer， RC） 不仅能调节推进轴系的纵向固有频 率以偏离螺旋桨的脉动激励频率， 还能降低船体
［1］
油箱内；
长度；
缸内作用于连接管上的压力等于连接管中油受到 的惯性力、 连接管内的阻尼力以及压缩油箱内的 油所需力之和， 则 RC 的动力学方程可描述为 ( ẍ - ẍ ) A ( ẋ - ẋ ) A A1 P = ρ1 A1l1 1 0 0 + 8πμ1l1 1 0 0 + A1 A1
活塞缸
连接管
模型可分解为 5 个子系统， 每个子系统均可以用 关 系。图 2 中， 下标 p， t， c， b， h 分别为螺旋桨、 推 力盘、 联轴器、 基座和 RC ，M p ，M t ，M b ，M c 分别
传递矩阵来表示元件左右两端纵向振动的传递
图 1 RC 结构简图 Fig.1 Structure diagram of RC
油箱
P x1 d0 x0 d1
尼， 则可将式 （2） 转换成质量―弹簧―阻尼的数学
式中，F 0 为活塞受到的外力。
F 0 = M h ( ẍ 1 - ẍ 0 ) + C h ( ẋ 1 - ẋ 0 ) + K h ( x1 - x 0 ) （3）
活塞
l1 V1
2
桨轴系统纵振数学模型
桨轴系统纵向振动的力学模型如图 2 所示，
Optimzation design of resonance changer for marine propulsion shafting in longitudinal vibration
1 Institute of Noise & Vibration， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China Abstract： ［Objectives］ The transmission path of the longitudinal vibration of propeller shafting can be changed and the base response attenuated via a Resonance Changer （RC）integrated in the thrust bearing， enabling the natural frequency of the shafting to be avoided by the propeller's blade frequency and multiplier frequency excitation force. In this way， the purposes of vibration reduction and frequency adjustment can be achieved.［Methods］ In this paper，the mechanical model of longitudinal vibration of propeller shafting is established and the vibration model of the propeller shaft system is calculated on the basis of the transfer matrix method. The influence of the main parameters of the RC on the vibration isolation effect of propeller shafting is analyzed by taking the force transmission rate as the index. The methods of the minimization of maximum value and parameter correction of the curve area are used to optimize the main parameters of the RC.［Results］ The results show that the vibration isolation effect of propeller shafting is significantly improved when the RC is installed，and the vibration reduction effect of the RC can be improved by using the design method of the parameter correction of the curve area. ［Conclusions］ The rational design of the RC's parameters can produce a vibration isolating system with excellent vibration isolation effects. Key words： Resonance Changer（RC）； propulsion shafting； transfer matrix method； longitudinal vibration
2 2 2 2 2 Hu Zechao1， ， He Lin1， ， Xu Wei1， ， Li Zhengmin1， ， Zhao Xingqian1，
第1期
胡泽超等： 船舶推进轴系纵向振动共振转换器的优化设计
为螺旋桨、 推力盘、 基座、 联轴器的质量，K 0 和 K b
C 0 为油膜的阻尼，L s 分别为油膜和基座的刚度，
和 L se 分 别 为 艉 轴 的 实 际 长 度 和 有 效 长 度 ，L 为 中间轴的长度， 从螺旋桨至联轴器分别为 1~5 号
徐伟 （通信作者） ， 男， 1980 年生， 博士， 副研究员。研究方向： 舰船动力装置振动噪声控制。
108
中
国
舰
船
研
究
0
引
言
假设 ：
［7］
为了便于推导 RC 的动力学方程， 需作出如下 1）油箱壁是刚性的， 流体的压缩全部发生在 2）连接管内的流体处于层流状态； 3）管内的流体可视为集中质量； 4）流 体 的 水 力 有 效 长 度 等 于 连 接 管 的 实 际 5）不考虑管道中的压缩效应。 根据假设条件， 由 D 'Alembert 原理可知， 活塞
A1 B1
( x1 - x 0 ) A 0 V1
（1）
d0 2 d ) 和 A1 = π( 1 )2 分别为活塞缸与连 2 2 接管的截面积；B1 为油的体积模量；μ1 和 ρ1 分别
为油的粘度和密度；ẋ 0 , ẍ 0 和 ẋ 1 , ẍ 1 分别为活塞缸 两端的速度、 加速度。将式 （1） 两端同乘 A 0 /A1 ， 得
A0 P =
最优固有频率比和阻尼比， 但分析模型较为简单，
2 2 ρ1 A 0 l1 8πμ1l1 A 0 ( ẍ 1 - ẍ 0 ) + ( ẋ 1 - ẋ 0 ) + 2 A1 A1 2 A0 B1 ( x1 - x 0 ) V1
（2）
Mh = Kh =
2 ρ1 A 0 l1 A1
2 8πμ1l1 A 0 2 A1 2 A0 B1 V1
艉部的纵向振动响应， 达到实现隔振的目的。 Goodwin 认为， RC 可等效为一种质量―弹簧―阻 尼单元， 据此设计了一种能在特定频段内降低轴 系 纵 向 振 动 的 液 压 减 振 装 置 。 Dylejko 等［2］和 Li 等［3］利用传递矩阵法建立了桨―轴―艇体系统的 数学模型， 分析了 RC 的主要参数对桨轴系统力传 递率的影响。李良伟等［4］和王珺等［5］运用动力谐 调消振理论对 RC 进行了优化设计， 得到了 RC 的 应用范围有限。 本文拟建立桨轴系统纵向振动的力学模型， 采用传递矩阵法， 计算螺旋桨激励力传递到壳体 的振动响应； 以力传递率为指标， 分析 RC 的活塞 缸直径 d 0 ， 连接管长度 l1 和直径 d1 及油箱体积 V1 的变化对桨轴系统隔振效果的影响， 分别采用力传 递率最大值最小化方法和力传递率与坐标轴围成 的面积最小修正法， 对 RC 的主要参数进行优化设计。 令 式中：A 0 = π(
2 National Key Laboratory on Ship Vibration & Noise， Wuhan 430033， China
作者简介： 胡泽超， 男， 1991 年生， 博士生。研究方向： 舰船动力装置振动噪声控制。
何琳， 男， 1957 年生， 教授， 博士生导师， 中国工程院院士。研究方向： 舰船隐身技术。
船舶推进轴系纵向振动共振转换器的 优化设计
2 2 2 2 2 胡泽超 1， ， 何琳 1， ， 徐伟 1， ， 李正民 1， ， 赵兴乾 1，
1 海军工程大学 振动噪声研究所， 湖北 武汉 430033 2 船舶振动噪声重点实验室， 湖北 武汉 430033
摘
应使轴系的固有频率避开螺旋桨叶频及其倍叶频激励力， 从而实现减振、 调频的目的。 ［方 法］为此， 建立推 进轴系纵向振动的力学模型， 基于传递矩阵法计算桨轴系统的振动响应， 以力传递率为指标， 分析 RC 的主要参 数进行优化设计。 ［结果］研究结果表明： 加装 RC 后， 轴系的隔振效果得到了明显的改善， 采用曲线面积最小修 正的优化设计方法可使 RC 的减振调频效果更佳。 ［结论］通过对 RC 结构参数的合理设计能使减振系统获得优 良的隔振效果。 关键词 ： 共振转换器； 推进轴系； 传递矩阵法； 纵向振动 中图分类号 ： U664.2
文献标志码： A DOI： 10.19693/j.issn.1673-3185. 01077
要： ［目的］在推力轴承上集成共振转换器 （RC） 可以改变轴系纵向振动的传递路径， 衰减 传 递 到 基 座 的 响
数对推进轴系隔振效果的影响， 分别采用最大值最小化方法和曲线面积最小的参数修正方法， 对 RC 的主要参
第 14 卷 第 1 期 第2019 1期 年2月
中 国 舰 船 研 究 Chinese Journal of Ship Research
Vol.14 No.1 Feb. 2019
Fra Baidu bibliotek
引用格式： 胡 泽 超 ，何 琳 ，徐 伟 ， 等. 船 舶 推 进 轴 系 纵 向 振 动 共 振 转 换 器 的 优 化 设 计 ［J］ . 中国舰船研究， 2019， 14 （1） ： 107-113. Hu Z C， He L， Xu W， et al. Optimzation design of resonance changer for marine propulsion shafting in longitudinal vi⁃ bration ［J］ . Chinese Journal of Ship Research， 2019， 14 （1） ： 107-113.
Ch =
1
RC 的动力学模型
RC 由充满油液的油箱、 外接管系和活塞缸组
其中，M h ，K h 和 C h 分别为 RC 的质量、 刚度和阻 模型：
F0 = A0 P
成， 装置内的工作流体可以改变轴系的纵向刚度 和 阻 尼［6］。 图 1 为 RC 的 原 理 模 型 ， 其 中 ，P 为 活 塞两侧的压力差，x 0 和 x1 为活塞缸两端的位移。
第 14 卷
在不均匀伴流场下， 螺旋桨的周期性运转产 生的脉动激励力是船舶在中高速航行时的主要噪 声源。该纵向激励力通过推力轴承传递至船体， 会引起轴系及船体的振动， 影响船舶的运行安全， 降低船体的声学性能。为了减小纵向激励力向船 体的传递， 可在轴系上安装减振器。考虑到推力 轴承传递大推力、 小位移的特性， 需要设计一种刚 度低、 阻力大的隔振装置。液压减振装置利用流 体的可压缩性来调整系统的刚度和阻尼， 通过合 理的设计， 可使推进轴系的动态特性满足指标要 求。在推力轴承处安装共振转换器 （Resonance Changer， RC） 不仅能调节推进轴系的纵向固有频 率以偏离螺旋桨的脉动激励频率， 还能降低船体
［1］
油箱内；
长度；
缸内作用于连接管上的压力等于连接管中油受到 的惯性力、 连接管内的阻尼力以及压缩油箱内的 油所需力之和， 则 RC 的动力学方程可描述为 ( ẍ - ẍ ) A ( ẋ - ẋ ) A A1 P = ρ1 A1l1 1 0 0 + 8πμ1l1 1 0 0 + A1 A1
活塞缸
连接管
模型可分解为 5 个子系统， 每个子系统均可以用 关 系。图 2 中， 下标 p， t， c， b， h 分别为螺旋桨、 推 力盘、 联轴器、 基座和 RC ，M p ，M t ，M b ，M c 分别
传递矩阵来表示元件左右两端纵向振动的传递
图 1 RC 结构简图 Fig.1 Structure diagram of RC
油箱
P x1 d0 x0 d1
尼， 则可将式 （2） 转换成质量―弹簧―阻尼的数学
式中，F 0 为活塞受到的外力。
F 0 = M h ( ẍ 1 - ẍ 0 ) + C h ( ẋ 1 - ẋ 0 ) + K h ( x1 - x 0 ) （3）
活塞
l1 V1
2
桨轴系统纵振数学模型
桨轴系统纵向振动的力学模型如图 2 所示，
Optimzation design of resonance changer for marine propulsion shafting in longitudinal vibration
1 Institute of Noise & Vibration， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China Abstract： ［Objectives］ The transmission path of the longitudinal vibration of propeller shafting can be changed and the base response attenuated via a Resonance Changer （RC）integrated in the thrust bearing， enabling the natural frequency of the shafting to be avoided by the propeller's blade frequency and multiplier frequency excitation force. In this way， the purposes of vibration reduction and frequency adjustment can be achieved.［Methods］ In this paper，the mechanical model of longitudinal vibration of propeller shafting is established and the vibration model of the propeller shaft system is calculated on the basis of the transfer matrix method. The influence of the main parameters of the RC on the vibration isolation effect of propeller shafting is analyzed by taking the force transmission rate as the index. The methods of the minimization of maximum value and parameter correction of the curve area are used to optimize the main parameters of the RC.［Results］ The results show that the vibration isolation effect of propeller shafting is significantly improved when the RC is installed，and the vibration reduction effect of the RC can be improved by using the design method of the parameter correction of the curve area. ［Conclusions］ The rational design of the RC's parameters can produce a vibration isolating system with excellent vibration isolation effects. Key words： Resonance Changer（RC）； propulsion shafting； transfer matrix method； longitudinal vibration