1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 设计目的和意义

回转轴系作为重要的动力传输装置，在航天、船舶、能源、汽车、机械等领域之中有广泛的应用。回转轴系的回转精度、高速运转时的振动情况对回转轴系的工作性能和整个机械系统的精度和正常工作有着十分重要的影响。机床主轴的回转精度对机床的加工精度有重要的影响，直接影响所加工工件的表面粗糙度、形位公差和表面质量。对于跨度较长的回转轴系如船舶推进轴系，由于自身重力和受力等原因，各轴承的载荷不均，易造成部分轴承载荷过重出现轴承烧伤现象影响轴系整体的正常运转。对于船舶推进轴系，需要利用轴系校中技术对各轴承载荷进行合理分配，以保证轴系的整体工作性能和船舶的安全航行。同时随着船舶向大型化、高速化的方向发展，对轴系综合性能的要求也在日益提高^[1]。船舶轴系在运转中承受着复杂的应力和负荷，为确保轴系长期安全正常地运转，就必须在轴系的设计时，保证轴系具有足够的强度和刚度。在轴系安装时，保证它处在合理的状态，轴系各段内的应力及轴承上的负荷均处在合理的范畴之内^[2]。本文针对船舶推进轴系进行回转轴系性能检测试验台的设计，同时对其进行合理校中与动力学仿真，以满足船舶工业的发展需求。

1.2国内外研究现状

近年来国内对在轴系的设计上有了较多的研究，上海船舶设计院的屠星星、徐勇杰在轴系设计的过程中引入有限元分析方法。以abaqus 为工具，通过有限元方法计算轴法兰过渡处的应力集中系数，分析应力集中系数与轴系扭振计算结果之间的关系^[3]。随着运输船舶的大型化，需要安装更大的轴系和螺旋桨，以获得更高的船速和推进功率，这使得轴承上的负荷越来越大，尤其是艉管后轴承极易磨损（甚至烧毁轴瓦）。轴系校中不良会引起减速箱齿轮啮合不良、轴系振动等问题。目前船厂普遍采用合理校中技术^[4]。

在回转轴系性能检测系统试验台架的设计方面，浙江海洋学院的刘夏青、温小飞、张怀越等人通过对实际船舶推进轴系进行合理简化，忽略螺旋桨激励和船体振动等影响因素，在台架尺寸、轴系布置形式等方面采取必要的简化手段，用联轴器代替实际船舶主机动力输出端的飞轮和高弹联轴节，用联轴器连接作为负载的发电装置代替螺旋桨，大幅度降低了整体试验台的成本^[3]。杭州科技大学的陆坡、赵耀等利用液压缸和电磁执行器来模拟螺旋桨的推力，将压电加速度传感器布置在螺旋桨轴和推力轴的轴向上，以收集轴系的振动情况^[4]。华中科技大学船舶与海洋学院的李良伟、张赣波等人搭建的船舶推进轴系试验台主要由螺旋桨、艉轴、凸缘联轴器、短中间轴、减速齿轮箱、冷却油箱、电动机和基座组成。采用单点力锤激励多点加速度传感器采集的方法得到不同位置的加速度传递函数，通过数据分析仪完成各信号的分析并储存在计算机上^[5]。宁波海洋的大学的王炳辉、冯志敏、王颖等利用油泵调试台模拟发动机在各种工况下的转速，在轴系上安装测速齿轮,利用光感应传感器检测扭振信号，再输入扭振仪中进行处理^[6]。

在回转轴系性能检测系统试验台架的设计方面，浙江海洋学院的刘夏青、温小飞、张怀越等人通过对实际船舶推进轴系进行合理简化，忽略螺旋桨激励和船体振动等影响因素，在台架尺寸、轴系布置形式等方面采取必要的简化手段，用联轴器代替实际船舶主机动力输出端的飞轮和高弹联轴节，用联轴器连接作为负载的发电装置代替螺旋桨，大幅度降低了整体试验台的成本。杭州科技大学的陆坡、赵耀等利用液压缸和电磁执行器来模拟螺旋桨的推力，将压电加速度传感器布置在螺旋桨轴和推力轴的轴向上，以收集轴系的振动情况。华中科技大学船舶与海洋学院的李良伟、张赣波等人搭建的船舶推进轴系试验台主要由螺旋桨、艉轴、凸缘联轴器、短中间轴、减速齿轮箱、冷却油箱、电动机和基座组成。采用单点力锤激励多点加速度传感器采集的方法得到不同位置的加速度传递函数，通过数据分析仪完成各信号的分析并储存在计算机上。宁波海洋的大学的王炳辉、冯志敏、王颖等利用油泵调试台模拟发动机在各种工况下的转速，在轴系上安装测速齿轮,利用光感应传感器检测扭振信号，再输入扭振仪中进行处理。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1研究的基本内容

（1）设计整体的回转轴系性能检测试验台，并根据我国船舶检验部门制定的一系列标准如《钢制海船入级与建造规范》和船级社的推荐公式进行检测系统实验轴系的设计，确定直径、轴承位置、轴承数量，并参考《机械设计手册》选用键、联轴器和滑动轴承，最后利用SolidWorks建立各零件的三维模型，并在SolidWorks环境下进行配合形成装配体；

（2）利用力矩分配法结合位移法的相关公式对该轴系进行合理校中，通过各轴承产生不同的变位，使轴身产生较小的变形，进而将各轴承的负载进行重新分配，以达到使各轴承载荷均匀的目的，然后利用MATLAB编写基于力矩分配法的合理校中程序，提高了利用力矩分配法合理校中的计算速度，节约了时间成本；

（3）利用ANSYS workbench对所设计的船舶推进轴系进行有限元仿真，分析其静力学和动力学状态。通过静力学仿真模拟在静止状态时该轴系整体的变形和应力情况，通过动力学仿真获得了该轴系的前六阶模态振型和相对应的六阶固有频率

2.2 拟采用的技术方案及措施

整体方案流程如图2.1所示：

具体研究措施为：

1. 完成船舶推进轴系的设计与分析。设计标准遵循中华人民共和国船舶行业标准，分为螺旋桨轴、中间轴和尾轴三个主要部分，尾轴通过联轴器与电动机进行连接，螺旋桨轴连接螺旋桨，两轴通过联轴器与中间轴连接，采取滑动轴承固定在基座上，并完成基座的设计。

2. 对设计的船舶推进轴系进行静力学校核，通过有限元分析对轴系的刚度、强度等进行验证^[14]。

3. 对船舶推进轴系进行合理校中。在设计之时，选用合适的联轴器和滑动轴承，其安装位置和型号需要依照合理校中的结果来制定。通过校中计算确定各轴承的合理变位，使支撑螺旋桨的后轴承的轴承负荷减为最小，把轴承的负荷限制在某个最大与最小之间的范围内，把轴的弯曲应力限制在允许值内，使施加到柴油机输出法兰的弯矩与剪力在允许范围内等。以确保轴系可靠运行轴系合理校中主要利用三弯矩法和传递矩阵法^[15]。

4. 利用SolidWorks进行螺旋桨主轴系的三维建模。通过ANSYS进行静力学校核和动力学分析^[16]。对该轴系的仿真分析主要针对该回转轴系进行静力学性能和动力学性能分析。主要包括对该主轴固有频率、振型、工作时的振动情况（幅值、频率、相位）等进行分析。从而进行静刚度分析、模态分析和临界转速分析^[17-18]。

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

[1]柏茂举,郭朝义. 船舶轴系设计的几个问题分析[j]. 船海工程, 2002(6):30-32.

[2]xian-min h u, liu q f, wen x f, et al. verification technique of marine shafting alignment based on the curve fitting algorithm[j]. ship amp; ocean engineering, 2017.

[3]屠星星, 徐勇杰. 有限元分析在船舶轴系设计中的应用[j]. 舰船科学技术, 2016, (9):87-91.