艦船旋轉機械基礎沖擊動力學理論與實驗研究

摘 要：本文主要根據艦船宣傳機械水下非接觸性爆炸沖擊動力學的問題進行了相關研究和討論，提出了一種基礎沖擊轉子-軸承系統建模理論。綜合考慮了轉子的軸向力、旋轉慣性力、陀螺效應、剪切力、軸承的油膜力以及軸向的扭矩。通過在空間域和時間域分別求解方程，得到相關系統沖擊相應的時間過程。在此技術上，得到基礎沖擊轉子-軸承系統裝置，并利用相關實驗進行計算方法和模型建立的正確性驗證。

關鍵詞：艦船；旋轉機械；實驗研究；沖擊動力學

傳統的轉子系統沖擊學理論只對軸承油膜力、慣性力、陀螺力等因素進行了考慮，對于柴油機、推進軸系、燃氣輪機單元等這類旋轉機械來說，在實際的帶載運行過程中，沖擊動力學理論還需要對系統的軸向力，扭矩等因素進行考慮。本文建立綜合考慮軸承油膜力、慣性力、 陀螺力、軸向力、扭矩等因素的基礎沖擊轉子系統模型，對動力學方成進行求解之后，并利用相關實驗進行計算方法和模型建立的正確性驗證。

一、動力學方程求解和動力學理論驗證

經過一系列的推到和計算可以得到艦船旋轉機械基礎沖擊動力學微分方程性質為偏微分方程，主要包括時間變量t和空間變量s。通過將直接積分法利用在時間域上的計算，在空間域上采取有限單元的方法進行計算，利用有限單元法和伽遼金法可以將系統的偏微分方程轉化成為常微分方程，時間歷程可由直接積分法迭代求解得到。Newmark 直接積分方法在瞬態響應的計算中應用最為廣泛是由于其計算的穩定性。經過計算和轉化之后，可以得到系統總運動的微分方程為Me qe+Ce qe+Ke qe=Qe ， qe是指節點發生位移的向量，主要包括兩個轉動位移和兩個平動位移。阻尼矩陣Ce，主要由軸承阻尼帶來的阻尼矩陣和陀螺矩陣這兩部分組成。Ke由軸單位本身剛度項，工作軸向力帶來的剛度項，工作扭矩帶來的剛度項和軸承的剛度項四部分組成。Qe是指力矩載荷和節點力向量，系統質量矩陣為Me。

利用轉子系統的自由震動可以對本文旋轉機械基礎沖擊學理論方法進行可靠性的檢驗。使總運動的微分方程右邊等于0，在考慮陀螺力矩的基礎上，將轉子進動角速度的兩個大于零的數值作為正進動的頻率，兩個小于零的值作為反進動的頻率。將此方程的計算結果與轉子系統的精確解進行對比，發現計算結果與精確解吻合程度較高，初步驗證對本文理論的正確性進行了驗證。

二、實驗驗證

在轉子系統基礎沖擊概念的基礎上，設計了圖1，圖2的實驗裝置。

在前文中的理論模型建設的過程中，只對基礎的平動加速度激勵進行了考慮，并沒有考慮旋轉加速度，所以在本實驗中旋轉加速度激勵也不在考慮的范圍之內，在很大程度上提高了實驗的可操作度。圖2所示的鋼架使錘擊作用沒有直接發生在固定基礎上而是作用在了鋼架上，這樣以來，在固定基礎裝置上各處的錘擊力都能保證相等，從而實現了裝置上下平移加速度運動沖擊激勵。

固定基礎兩端即兩個加速度傳感器軸承支撐部分的加速度信號是整個轉子系統的基礎加速度沖擊激勵的輸入信號。為了確保錘擊過程中固定基礎保持了平動運動，需要對兩個加速度的信號進行對比驗證。驗證模型和計算理論的唯一標準即位移傳感器 C 拾取轉盤位置垂直固定基礎平面的位移響應數據。

通過鋼架沖擊錘施加給固定基礎的時間歷程加速度如圖3所示。從下往上按順序為截取時間段內加速度、右端軸承座位置加速度、左端軸承座位置加速度曲線。通過對圖像進行分析可得，左右端軸承座位置加速度曲線相似度較高，在很大程度上證明了錘擊過程中固定基礎保持了平動運動，符合實驗要求，轉子系統的沖擊輸入即基礎平動加速度的運動激勵。

實驗結果剛性轉盤位置的位移的實際移動時間歷程如圖4所示。利用圖3中截取的時間段內加速度作為輸入激勵，進行相關的計算，計算結果如圖5所示，通過對比分析可以發現，圖4與圖5有較高的吻合程度。圖4在7.34秒到7.35秒之間發生了相對位移突變的現象，與理論計算值有較大的出入。根據分析可得，7.34秒到7.35秒之間加速度激勵數值較小，在實際的實驗過程中，油膜的非線性或者油膜連接處理成剛性聯接都會在很大程度上影響實驗結果，造成此過程中實驗結果與理論計算值不符的情況出現。后續主要對不考慮偏心質量矩，轉速2：8 900 rpm；考慮偏心質量矩 100 g·mm，轉速 2：8 900 rpm；考慮偏心質量矩100g·mm，轉速\u20281：6800rpm這三種情況進行實現發現規律與第一種情況基本相同，從而證明了實驗驗證的有效性和正確性。

三、總結

本文不僅將艦船旋轉機械基礎沖擊動力學局限于傳統的轉子-軸承系統，采用有限單元的模型方法對轉子模型進行了重新的建立。在綜合考慮了轉子的軸向力、旋轉慣性力、陀螺效應、剪切力、軸承的油膜力以及軸向的扭矩等多種因素的基礎上，改善了傳統研究考慮因素不夠全面的缺點。本文主要將艦船旋轉機械基礎沖擊動力學模型的建立和一些相關的計算分為了理論部分和實驗部分。進行實驗的相關裝置經濟成本低，較易攜帶，進行實驗的操作性和實驗的準確性也較高，對于轉子系統加速度沖擊的現象模擬的還原度高，實驗結果有一定的可靠性，很好得對本文基礎沖擊動力學理論進行了驗證。

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