GBT 15371-2023 往复式内燃机 曲轴轴系扭转振动评定方法

往复式内燃机曲轴轴系扭转振动评定方法2023-09-07发布2024-04-01实施国家市场监督管理总局 I 2规范性引用文件 3术语和定义 4扭振计算 4.1总则 4.2计算方法 4.3计算资料 4.4计算结果 24.5计算报告 5扭振测量 35.1测量仪器 35.2工作条件 5.3角位移测量 5.4记录 5.5测量报告 46扭振评定 6.1总则 46.2评定参数 6.3评定 6.4扭振转速禁区 I本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件代替GB/T15371—2008《曲轴轴系扭转振动的测量与评定方法》,与GB/T15371—2008相比，除结构调整和编辑性改动外，主要技术变化如下：a)更改了“范围”(见第1章，2008年版的第1章);b)更改了“术语和定义”(见第3章，2008年版的第3章);c)更改了“扭振计算”的规定(见第4章，2008年版的第4章);d)更改了“扭振测量”的规定(见第5章，2008年版的第5章);e)更改了“扭振评定”的规定(见第6章，2008年版的第6章、第7章)。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国机械工业联合会提出。本文件由全国内燃机标准化技术委员会(SAC/TC177)归口。本文件起草单位：上海内燃机研究所有限责任公司、上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心、上海机动车检测认证技术研究中心有限公司、易易互联科技有限公司、同济大学、天津内燃机研究所(天津摩托车技术中心)、潍柴动力股份有限公司、上海新动力汽车科技股份有限公司、上海汽车集团股份有限公司、泛亚汽车技术中心有限公司、湖南省力宇燃气动力有限公司、潍坊内燃机质量检验中心有限公司。本文件于1994年首次发布，2008年第一次修订，本次为第二次修订。1往复式内燃机曲轴轴系扭转振动评定方法本文件描述了往复式内燃机驱动的轴系扭转振动(以下除特别说明外，简称“扭振”)的计算、测量和评定方法。本文件适用于GB/T6072.1定义的往复式内燃机(以下除特别说明外，简称“发动机”)驱动的轴系。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T6072.1往复式内燃机性能第1部分：功率、燃料消耗和机油消耗的标定及试验方法通用发动机的附加要求GB/T6072.3往复式内燃机性能第3部分：试验测量GB/T13436扭转振动测量仪器技术要求3术语和定义GB/T6072.1、GB/T13436界定的以及下列术语和定义适用于本文件。曲轴及其上的和与其相联的可旋转零部件的总成。旋转轴系的振荡角变形(扭转)。待评定的角位置与任意给定基准位置间，在垂直于轴系轴线剖面内所测得的最大角位移。固有频率naturalfrequency结构的固有特性参数，可以由各个无阻尼系统运动方程式求得。注：通常不必计算阻尼系统的固有频率。系统在按相应固有频率振动时，各剖面对任意选定基准剖面的相对振幅。2由机组产生的激励轴系扭转振动的周期性扭转力矩。谐波harmonic由激励力矩分解成一系列正弦项(Fourier级数)中的每一项。共振转速resonancespeed整个轴系产生共振时的转速。注：此时某一模态的固有频率等于激励力矩的谐波频率。扭转振动应力超过持续运转许用应力值时的转速范围。注：在此转速范围内不宜持续运转，但允许瞬时通过。4扭振计算4.1总则已知轴系的动力学参数，可以计算：a)固有频率和振型；b)轴系的激励响应。扭振计算时，轴系等效系统需经有关各方共同确认。4.2计算方法固有频率和弹性曲线可用来表征扭转系统的固有特性，弹性曲线是各剖面内固有矢量振幅的包络线。自由振动应计算无阻尼轴系线性方程组的特征值(固有频率)和特征向量(固有矢量)。求一侧为发动机激励力矩的微分方程解。如需要，宜考虑轴系中其他零部件的激励力矩。4.3计算资料轴系扭振计算所需资料有各零部件的转动惯量、扭转刚度、扭转阻尼、其他结构参数(如零部件联接位置、联接方式等)、激励力矩和运转转速范围等。4.4计算结果利用4.2.1和4.2.2所述方法求得的结果，连同4.3的计算资料可以得到下列数据：a)固有频率、固有矢量和共振转速；b)轴系给定点的振幅；c)轴系扭转应力。如需要，可以计算弹性联轴节的振动力矩及其对非轴系零部件的影响，还可以计算联轴节和其他阻尼源产生的热能。34.5计算报告报告内容应包括机组的主要数据、4.3规定的计算资料和按4.4规定的计算结果。5扭振测量5.1测量仪器包括传感器、电缆在内的测量系统应满足GB/T13436的要求。如测量系统不能完全满足GB/T13436的要求，但测量结果能满足GB/T13436的要求，则该测量系统可认为是满足GB/T13436要求的等效测量系统。除非国家法规另有规定，包括传感器、电缆在内的测量系统的检定周期为1年。如使用非接触式扭振传感器，则齿盘(或纸带)的齿数应是与测量频率范围上限相对应的频率阶次数的2倍以上，最好5倍或以上。5.2工作条件机组的安装条件和运转工况对被测对象的工作状态产生影响，本文件给出了台架测量时最大限度地减小引起轴系扭转振动变化的安装条件和运转工况；现场测量时按实际的安装条件和运转工况进行。台架测量时，机组宜尽可能接近实际使用情况安装在基座上，并与测功设备(如有)弹性联接。台架测量时，发动机应按GB/T6072.1规定的ISO标准功率及相应转速稳定运转，并要求发动机机油温度、冷却物质温度稳定。固定转速用发动机按额定工况运转；其他用途发动机一般按满负荷速度特性(即外特性)工况或螺旋桨推进特性(如船用主机)或牵引特性(如机车柴油机)运转。外特性、螺旋桨推进特性或牵引特性工况运转时优先升/降速动态测量，也可以稳态测量；且运转工况均应包括额定转速工况和最低工作转速工况。运转工况的转速间隔从额定转速起算；最低工作转速工况由制造商提供的外特性曲线确定，且对火花点燃式发动机和额定转速大于3000r/min的压燃式发动机，其应小于或等于1000r/min。升/降速动态测量时，转速间隔为25r/min,转速变化率应小于或等于75r·min-'/s;稳态测量时，转速间隔按100r/min、50r/min、25r/min数系选择。如需要，也可以按其他工况或其他转速间隔进行测量，并记录。发动机功率及相应转速的测量应按GB/T6072.3的规定进行。45.3角位移测量测量频率范围的下限频率小于或等于10Hz,上限频率至少为发动机发火频率的3倍，最好4倍或以上。注：发火频率是统称，点燃式发动机称点火频率，压燃式发动机称着火频率。测得的量为被测轴系规定位置处的角位移。传感器应布置在轴系扭振幅值较大位置处，一般布置在发动机的曲轴自由端；如需进行多点测量，应根据事先计算的结果，布置在扭振振幅较大位置处和需测量的位置，如对内燃机发电机组，必要时可在从动机轴伸端附近增加测点；对内燃机台架，必要时可在测功器端增设测点。5.4.1发动机应收集并记录以下内容：b)所用燃油类型及其辛烷值或十六烷值；c)柴油机喷油定时(静态和动态)或汽油机点火定时(静态和动态);d)基座特性及发动机与其联接方式(弹性或刚性);e)发动机与测功设备的联接方式(弹性或刚性);f)测试时的发动机功率及相应转速；g)轴系布置示意图，包括惯量及其位置、轴系尺寸等。5.4.2测量仪器应收集并记录以下内容：5.4.3扭振数据：a)传感器位置示意图，包括布置形式及参数；b)每个传感器位置处的扭振测量值，包括应变(如有)。a)气象状况(包括大气压、温度和相对湿度);b)测量日期、地点和人员。5.5测量报告报告内容应包括5.3.1规定的轴系角位移的测量结果及5.4规定的记录。6.1总则轴系扭振评定用于验收试验，还可用于制定工程措施。根据推算得到的扭振应力、扭振力矩和扭振振幅及相应的许用值，可以评定轴系工作的可靠性，并据此确定转速禁区。5注：扭振应力为附加扭转应力，是指在轴系给定剖面处，由给定谐波扭转振动产生的、叠加在传递平均力矩的扭转应力上的应力；幅值和相位影响的附加扭转应力与传递平均力矩的扭转应力之和为综合扭转应力。6.2评定参数轴系扭振的评定参数为扭振应力、扭振力矩和扭振振幅。如轴系固有频率理论计算值与实测值相对偏差在±5%范围内，则可用测量点的实测振幅按自由振动理论计算的相应固有振型推算共振区转速范围内轴系各处的振幅、扭振力矩及应力，否则应对理论计算作修正后再进行推算。轴系中第i个与第i+1个惯量间轴段的扭振力矩M;按公式(1)计算，单位为牛顿米(N·m):M;i+i=A₁(a;-αi+i)K;,i+i (1)A₁——测量位置(即基准位置，一般为第1质量)最大分谐波振幅，单位为弧度(rad);a;——相应固有振型第i个惯量相对振幅；ai+1——相应固有振型第i+1个惯量相对振幅；K+——第i个与第i+1个惯量间轴段的扭转刚度，单位为牛顿米每弧度(N·m/rad)。轴系中第i个与第i+1个惯量间轴段的扭振应力z;+按公式(2)计算，单位为帕(Pa):式中：W:+i——第i个与第i+1个惯量间轴段的抗扭截面模量，对曲轴以曲柄销直径为准，对传动轴以轴的最小直径为准，单位为立方米(m³)。6.3评定6.3.1扭振应力评定对于非固定转速运转的轴系，在不同运转模式下，根据共振转速与额定转速之比γ选取许用应力值并进行评定，即按公式(3)规定，轴段扭振应力应小于或等于扭振许用应力。re——持续运转轴段扭振应力，单位为帕(Pa);[re]——持续运转扭振许用应力，单位为帕(Pa);r₁——瞬时运转轴段扭振应力，单位为帕(Pa);[r₁]——瞬时运转扭振许用应力，单位为帕(Pa);rg——超速运转轴段扭振应力，单位为帕(Pa);[rg]——超速运转扭振许用应力，单位为帕(Pa)。对于固定转速运转的曲轴轴系，如内燃机发电机组等，在不同运转模式下，根据共振转速与额定转速之比γ选取许用应力值并进行评定，即按公式(4)规定，轴段扭振应力应小于或等于扭振许用应力。扭振许用应力视机组的用途(如船舶、汽车、拖拉机等)、轴系中轴的类别(如曲轴、传动轴等)和所选用的材料而定。许用应力应由有关各方共同确认。66.3.2扭振力矩评定轴系内如有齿轮传动装置，则齿轮啮合处的扭振力矩应不超过相应齿轮对间的传递力矩，齿轮传动装置传递的最大扭矩不应超过其许用力矩。轴系内如有弹性联轴器，则其弹性元件在持续运转时所传递的扭振力矩应不超过弹性联轴器制造商所要求的持续运转的许用交变力矩；在瞬时运转时应不超过瞬时运转的许用交变力矩。齿轮的许用力矩或弹性联轴器的许用交变力矩应由有关各方共同确认。6.3.3扭振振幅评定当资料不足，无法获得轴段扭振应力、扭振力矩时，可用扭振振幅进行评定。评定参数为曲轴自由端最大谐波扭振振幅，该参数可以直接测得或按6.2要求