艦船旋轉(zhuǎn)機(jī)械基礎(chǔ)沖擊動(dòng)力學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)研究

摘 要：本文主要根據(jù)艦船宣傳機(jī)械水下非接觸性爆炸沖擊動(dòng)力學(xué)的問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究和討論，提出了一種基礎(chǔ)沖擊轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)建模理論。綜合考慮了轉(zhuǎn)子的軸向力、旋轉(zhuǎn)慣性力、陀螺效應(yīng)、剪切力、軸承的油膜力以及軸向的扭矩。通過(guò)在空間域和時(shí)間域分別求解方程，得到相關(guān)系統(tǒng)沖擊相應(yīng)的時(shí)間過(guò)程。在此技術(shù)上，得到基礎(chǔ)沖擊轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)裝置，并利用相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算方法和模型建立的正確性驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：艦船；旋轉(zhuǎn)機(jī)械；實(shí)驗(yàn)研究；沖擊動(dòng)力學(xué)

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)沖擊學(xué)理論只對(duì)軸承油膜力、慣性力、陀螺力等因素進(jìn)行了考慮，對(duì)于柴油機(jī)、推進(jìn)軸系、燃?xì)廨啓C(jī)單元等這類旋轉(zhuǎn)機(jī)械來(lái)說(shuō)，在實(shí)際的帶載運(yùn)行過(guò)程中，沖擊動(dòng)力學(xué)理論還需要對(duì)系統(tǒng)的軸向力，扭矩等因素進(jìn)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(chǔ)沖擊轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型，對(duì)動(dòng)力學(xué)方成進(jìn)行求解之后，并利用相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算方法和模型建立的正確性驗(yàn)證。

一、動(dòng)力學(xué)方程求解和動(dòng)力學(xué)理論驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)一系列的推到和計(jì)算可以得到艦船旋轉(zhuǎn)機(jī)械基礎(chǔ)沖擊動(dòng)力學(xué)微分方程性質(zhì)為偏微分方程，主要包括時(shí)間變量t和空間變量s。通過(guò)將直接積分法利用在時(shí)間域上的計(jì)算，在空間域上采取有限單元的方法進(jìn)行計(jì)算，利用有限單元法和伽遼金法可以將系統(tǒng)的偏微分方程轉(zhuǎn)化成為常微分方程，時(shí)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(tài)響應(yīng)的計(jì)算中應(yīng)用最為廣泛是由于其計(jì)算的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)計(jì)算和轉(zhuǎn)化之后，可以得到系統(tǒng)總運(yùn)動(dòng)的微分方程為Me qe+Ce qe+Ke qe=Qe ， qe是指節(jié)點(diǎn)發(fā)生位移的向量，主要包括兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位移和兩個(gè)平動(dòng)位移。阻尼矩陣Ce，主要由軸承阻尼帶來(lái)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(xiàng)，工作軸向力帶來(lái)的剛度項(xiàng)，工作扭矩帶來(lái)的剛度項(xiàng)和軸承的剛度項(xiàng)四部分組成。Qe是指力矩載荷和節(jié)點(diǎn)力向量，系統(tǒng)質(zhì)量矩陣為Me。

利用轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的自由震動(dòng)可以對(duì)本文旋轉(zhuǎn)機(jī)械基礎(chǔ)沖擊學(xué)理論方法進(jìn)行可靠性的檢驗(yàn)。使總運(yùn)動(dòng)的微分方程右邊等于0，在考慮陀螺力矩的基礎(chǔ)上，將轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)角速度的兩個(gè)大于零的數(shù)值作為正進(jìn)動(dòng)的頻率，兩個(gè)小于零的值作為反進(jìn)動(dòng)的頻率。將此方程的計(jì)算結(jié)果與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的精確解進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與精確解吻合程度較高，初步驗(yàn)證對(duì)本文理論的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。

二、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)基礎(chǔ)沖擊概念的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了圖1，圖2的實(shí)驗(yàn)裝置。

在前文中的理論模型建設(shè)的過(guò)程中，只對(duì)基礎(chǔ)的平動(dòng)加速度激勵(lì)進(jìn)行了考慮，并沒(méi)有考慮旋轉(zhuǎn)加速度，所以在本實(shí)驗(yàn)中旋轉(zhuǎn)加速度激勵(lì)也不在考慮的范圍之內(nèi)，在很大程度上提高了實(shí)驗(yàn)的可操作度。圖2所示的鋼架使錘擊作用沒(méi)有直接發(fā)生在固定基礎(chǔ)上而是作用在了鋼架上，這樣以來(lái)，在固定基礎(chǔ)裝置上各處的錘擊力都能保證相等，從而實(shí)現(xiàn)了裝置上下平移加速度運(yùn)動(dòng)沖擊激勵(lì)。

固定基礎(chǔ)兩端即兩個(gè)加速度傳感器軸承支撐部分的加速度信號(hào)是整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的基礎(chǔ)加速度沖擊激勵(lì)的輸入信號(hào)。為了確保錘擊過(guò)程中固定基礎(chǔ)保持了平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，需要對(duì)兩個(gè)加速度的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。驗(yàn)證模型和計(jì)算理論的唯一標(biāo)準(zhǔn)即位移傳感器 C 拾取轉(zhuǎn)盤位置垂直固定基礎(chǔ)平面的位移響應(yīng)數(shù)據(jù)。

通過(guò)鋼架沖擊錘施加給固定基礎(chǔ)的時(shí)間歷程加速度如圖3所示。從下往上按順序?yàn)榻厝r(shí)間段內(nèi)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(guò)對(duì)圖像進(jìn)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(guò)程中固定基礎(chǔ)保持了平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，符合實(shí)驗(yàn)要求，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的沖擊輸入即基礎(chǔ)平動(dòng)加速度的運(yùn)動(dòng)激勵(lì)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果剛性轉(zhuǎn)盤位置的位移的實(shí)際移動(dòng)時(shí)間歷程如圖4所示。利用圖3中截取的時(shí)間段內(nèi)加速度作為輸入激勵(lì)，進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5所示，通過(guò)對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，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(fā)生了相對(duì)位移突變的現(xiàn)象，與理論計(jì)算值有較大的出入。根據(jù)分析可得，7.34秒到7.35秒之間加速度激勵(lì)數(shù)值較小，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，油膜的非線性或者油膜連接處理成剛性聯(lián)接都會(huì)在很大程度上影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，造成此過(guò)程中實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值不符的情況出現(xiàn)。后續(xù)主要對(duì)不考慮偏心質(zhì)量矩，轉(zhuǎn)速2：8 900 rpm；考慮偏心質(zhì)量矩 100 g·mm，轉(zhuǎn)速 2：8 900 rpm；考慮偏心質(zhì)量矩100g·mm，轉(zhuǎn)速\u20281：6800rpm這三種情況進(jìn)行實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)規(guī)律與第一種情況基本相同，從而證明了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的有效性和正確性。

三、總結(jié)

本文不僅將艦船旋轉(zhuǎn)機(jī)械基礎(chǔ)沖擊動(dòng)力學(xué)局限于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)，采用有限單元的模型方法對(duì)轉(zhuǎn)子模型進(jìn)行了重新的建立。在綜合考慮了轉(zhuǎn)子的軸向力、旋轉(zhuǎn)慣性力、陀螺效應(yīng)、剪切力、軸承的油膜力以及軸向的扭矩等多種因素的基礎(chǔ)上，改善了傳統(tǒng)研究考慮因素不夠全面的缺點(diǎn)。本文主要將艦船旋轉(zhuǎn)機(jī)械基礎(chǔ)沖擊動(dòng)力學(xué)模型的建立和一些相關(guān)的計(jì)算分為了理論部分和實(shí)驗(yàn)部分。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的相關(guān)裝置經(jīng)濟(jì)成本低，較易攜帶，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的操作性和實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性也較高，對(duì)于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)加速度沖擊的現(xiàn)象模擬的還原度高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的可靠性，很好得對(duì)本文基礎(chǔ)沖擊動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行了驗(yàn)證。

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