船用低速柴油机推进轴系空间设计外文翻译资料

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船用低速柴油机推进轴系空间设计

本文系统的探索了一个典型的船用二冲程低速柴油机推进轴系空间设计。首先,定义了一组四个最主要的设计参数, 即轴系刚度、螺旋桨、转动轮和转轮转动惯量。然后,定义了全套625测量点。为每个测量点设置了一个完整的扭转振动测量方法,每个点要记录三个有效的数据。这些都是曲轴扭转固有频率,曲轴最大扭矩和轴系最大扭矩。最后,这项研究的结果展示在三大系列的结论分析图中。此外,关于每个参数的改变对系统结果的影响能力要通过使用Saaty优先的理论来分析。用得出的数据可以对推进系统扭转振动状态有更好的把握,鼓励设计师在初步设计的基础上达到理想的设计结果。尽管关键的发现仅与特定的柴油机相关联,但是相信提出的问题已相当普遍,因此特性更广泛的适用于二冲程低速柴油机推进装置。

1简介

空间设计可以被定义为一种可行的空间设计解决方案。这样的空间是一般的无界和无限的。另一方面，可行的设计空间应符合对应的可行空间设计方案。可行的设计空间一般是有界的，但也无限的。设计师的任务是提供一个可行的设计最能满足规定的设计意图，通常的解决方案通过一组的目标和约束条件来定义。

大多数海船的轴系布置非常相似[1]。在一般情况下，它们由一个二冲程低速柴油机，直接耦合中间轴，传动轴和一个固定桨距推进，如图1中所示。推进轴系的主要目的是在船舶整个使用周期内提供有效的推进。因此，由于其对船舶使用周期的重要性，推进轴系系统设计必须严谨。

关于船用推进轴系系统设计领域的文献非常的少。大概最完整的来源是龙[1]的工作。由于在该领域的变化和进展，一些引用[2-3]的实用性很可疑。更近的出版物，从实用的角度来看其中两人的值得更多的关注。第一个[4]引入了灵活的概念和轴系刚度，在他们的基础上用特殊的设计方法。第二篇论文[5]在轴系设计时着重强调对疲劳的考虑，并提供了更全面的轴系评估手段。当的考虑到特定设计任务的实际解决方案，在Magazinović[6-8]可以找到一些方向。然而，应该注意的是几乎所有关于扭转振动方面的现代资料仅有轴系设计，而它的完整的设计范围实际上是更广泛的 。例如，推进轴系校中的问题[10]值得重点关注。这个看似奇怪的事实可以按如下进行解释。这个看似奇怪其实可以作如下解释。推进轴系是需要多学科的设计方法的暴露于各种静态振动和动态负载的复杂系统。此外，它的设计是多种因素的综合学科。然而，它可以显示在推进器轴系的设计方面扭转振动是最有影响力的。因此，达到要求的轴系扭振成为初步设计的重要主题。

图1.典型的二冲程低速船用柴油

空间设计分析最近成了一个研究兴趣急剧增加的领域[10-12]。在本文中提出了一个设计空间筛选的概念并利用它作为设计工具。响应曲面的可视化能够对推进系统扭转振动的状态进行更彻底的洞察，并鼓励设计者在初步设计阶段的基础上得到理想的设计解决方案。

本文安排如下。在第2节中简要的推进轴系扭转振动分析已经给出。在第3节中分析的空间设计已经定义和讨论，并且分析的结果呈现在第4节中，一些需要更多的解释点在第5节中讨论。最后，在第6节中对目前研究的重要发现进行了总结。

2 扭转振动响应

有大量的轴系扭转振动分析方法，从早期工作基于霍尔的表格[13-15]的基础上，以最近数值模态分析技术[16-19]的应用。然而，所有这些方法很多共同点：连续轴系系统需要在被分割所谓集中质量系统，在其中应用运动方程后，一是评估固有频率，伴随模态，并在被迫扭转的情况下振动，模块的角位偏移，在此之后，就直接确定振动力矩和应力。

上述过程在数学中概括如下。

集中质量的运动方程系统可以集中在常见的矩阵方程：

JQ2 CQ1 Q=f

其中J是对角惯性矩阵，C是对称的阻尼矩阵，K是对称的刚度矩阵，Q2、Q1、Q是角度加速度，速度和位移矢量分别。在右手侧，f表示施加负荷，与振动表示激励向量。运动方程（1）表示线性微分方程的非均相体系二阶常系数方程，其中，方程式的数目是由所确定的集中质量的数量。

自然频率以及相应的自由无阻尼振动的振动模式是特征值问题的结果[19]从获得等式（1）中，当所施加的负载和阻尼矩阵都设置为零。强制阻尼扭转振动反应可能以各种方式来获得。通过假设谐波激励：

（2）

并在频率响应：

（3）

其中F是复杂的励磁转矩振幅，Omega;是激励频率，t是时间，并且Theta;是复合角位移振幅，的系统式（1）很容易地转变成线性的系统代数方程组复系数：

（4）

通过求解方程系统（4），未知角位移幅值和相位角变得可用。可以从相邻的块之间的振动扭矩幅度得到的：

（5）

其中，KT是轴刚度，（theta;i 1theta;i）是振幅轴元件扭曲度，并且m是轴的数元素。然后，将振动应力可能是很容易从确定：

（6）

其中，d是所述轴元件的直径。

3 空间设计

推进轴系设计空间一般是一个高度立体，多轴系统。由于这种多维系统是高度复杂的分析，尽可能以减少数尺寸是必要的。然而，该过程应做得非常细致以保持系统的固有状态。

轴系尺寸构成了轴部直径和相应的轴的长度。然后，根据实际布置中，系统参数数值可以从低了30到高了50的范围内变化。因为任何系统参数可以看作为一个特殊的设计空间轴，如此设计空间变得过于大。幸运的是，初步设计的目的，整个轴系可以近似为一个双参数系统，由轴系刚度和相应的转动惯量组成。此外，如果转动惯量的惯性分为两部分，并把他们每个人的加入到相邻的螺旋桨或旋转轮惯性，仅通过轴系刚度这整个轴系设计可以令人满意。通过应用这种方法，推进轴系的系统设计可以被定义为四维四轴的设计空间。因此，考虑到四轴是轴系刚度，螺旋桨转动惯量，转动轮转动惯量，当可适用时。值得注意的是，该推进发动机没有明确包括在这里作为额外的设计空间轴，由于预先定义的发动机类型已经设定。这种方式的设计空间的维数被仅保持在四个维度。

对研究MAN B＆W 6S60MC-C二冲程低速柴油机的目被选择作为最初的原动机。表1是一个成熟，发达的引擎设计，经常选为巴拿马型和Aframaxsized远洋船舶的推进装置。

表1.发动机数据

表2.设计考虑空间

设计空间的筛选特性在表2中给出。轴系刚度包括一系列20和60 千牛·米即习惯的范围称为柔性轴系。下界20的千牛·米大致相当于由460毫米直径的中间轴和530毫米直径的传动轴组成的20米长的轴。另一方面，60 MN的上限千牛·米相当于由直径550毫米中间轴和670毫米直径的传动轴组成的长15米的轴系。这些值构成了普通大多数推进轴系设计，这通常应用到选择引擎中。当然，实际的轴系长度可以是显著不同，如果另一轴直径考虑。该轴是由五个等距离代表值表示，如表1中所示。

计划的设计空间的惯性轴的推进器质量矩是从60000到88000千克·平方米范围。这些值是螺旋桨轮毂和螺旋桨叶片设计的函数计算结果，并包括夹带的水[20]的影响。另外，这些值也部分包括推进轴系的惯性作用。如在轴系刚度的情况下，所选择的范围包括大多数螺旋桨的设计适用于选定的推进发动机。

转轮是所有的推进装置必不可少的部件。因此，它被放在设计空间里作为一个独立的轴。从5000到22000千克·M2选定的范围包括由选发动机制造商推荐并允许的整个范围的值。值得注意的是，这些数值也应考虑到推进轴系的转动惯量的局部影响。

调谐轮是推进发动机的一个可选功能。在一般情况下，将其列入是已执行的扭转振动的结果分析。根据系统详情通过大小适宜的调谐轮可以得到更多理想的强迫振动响应。所选调整惯性轮质量矩的范围从0到30000公斤·平方米，包括由选发动机制造商推荐并允许的整个范围的值。该惯性零质量矩意味着初始无调式滚轮安装状态时。

由于每个轴包括五个不同的值，则整个设计空间的结果在全套的Np=54=625设计要点。

4 结果

在上一节中定义的每个设计点一个完整的自然和强制扭转振动分析已经被布置。计算是对进行过程中的第2节简要回顾，由自定义制作计算机代码TorViC V1.1 [21]。

从各种分析的大量的计算结果中只有三个已收集了。这些就是该系统首次自然扭转频率，曲轴峰值振动扭矩和推进轴系振动峰值扭矩。最大扭矩振动通过发动机速度从30到110转/每分钟的范围内进行的计算一系列的强制扭转振动来确定，用0,1转/每分钟的发动机转速增量。

虽然在这项研究中每个分析中只考虑了三个结果，其实他们的际意义是更高的。即，通过了解所述第一扭转自然频率f，也能够估计系统主共振，也称为所谓的临界轴速度nc，其定义为：NC = F / Z，（7）其中z是发动机气缸的数量。然后，通过应用了分类国际协会协会统一要求[22]，速度范围变得容易获得。另一方面，发动机曲轴的峰值扭矩振动的可用性决定了曲轴应力水平。同样，轴系峰值扭矩使评估中间轴和传动轴的压力水平。严格地说，在这两个轴系元件2不同的扭矩水平的存在，但初步设计阶段典型轴系安排的区别可以忽略不计。此外，轴系峰扭矩水平提供桨毂以及收缩配合或法兰连接验证。这些结果一起为对推进轴系恰当的初步评价提供足够的信息

本研究的结果在图2、3和6中呈现。图2示出了第一扭转固有频率和筛选设计空间之间的关系。类似地，图3提供曲轴峰值扭矩振动和设计空间之间的关系，而图6给出了对于轴系振动峰值扭矩的对应关系。每个数据都包含八个图，排成两列，每个由25设计点组成，所得总共200设计点。然而，实际的显现设计点总数略低 ，只有168个，由于一些设计点已经显示在其他图表中。因此，为了更精确的筛选设计空间，每个数据大约显示了四分之一或27％。

4.1 固有频率

固有频率是任何振动系统的固有特性。当二冲程低速柴油动力设备被关注，第一次扭转自然频率是最重要的，而另一些一般影响力较小，因此从这个研究中省略。在筛选的设计空间内第一扭转固有频率的值，如图2，每分钟185和385圈的范围内变化，CPM，导致了临界轴速度从31到64转/分钟范围变化。该最低的自然频率对应于最低的轴系刚度和最大的螺旋桨，转向轮和惯性调谐车轮质量部件，如图2（克）。上相反，最高固有频率对应到最高轴系刚度和最小的螺旋桨，转弯的惯性轮和调节轮大质量件，图2（E）。这种现象早就预料到了因为它严格按照振动理论的基本原理。

图2（a） -（d）示出第一固有频率、转轮和调整车轮转动惯量的关系。第一自然频率、轴系刚度和螺旋桨惯性之间的关系在图2（E）- （H）中提供。两组的图遵循同样的特定列模式。此外，所有响应表面光滑，单调，导致所有极端被定位在设计空间边界。

为了量化自然频率相对于该系统参数变化的灵敏度，平均响应变化被引入，定义为：

（8）

其中，Delta;fi是最大的反应变化量，可以通过改变（在空间设计之内）任何一个系统参数获得，和Ns是样本的数量。由于方程的总和（8）超过三个坐标轴，含五个点，每个样品的总数等于NS = 53 = 125。

通过应用上述过程可以表明自然频率是对轴系刚度变化最敏感的（=139 CPM）。在另一方面，固有频率是对惯性最不敏感的，发现了7,4 CPM转轮质量矩的改变。发现对调谐轮（=21,7 CPM）和转轮转动惯量（=30,9 CPM）是相对敏感的。

图2.扭转一阶固有频率响应面

图3.曲轴峰值扭矩响应面

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