《主推进动力装置（二三管轮）》-07第七章 柴油机的振动

第一节

振动的起因、危害一、柴油机振动的起因

起因：

周期性变化的不平衡力/力矩

包括：

柴油机机体的振动：曲柄连杆机构的作用力引起的，使柴油机机体在垂直方向和水平方向产生振动。

推进轴系的振动：柴油机和螺旋桨激振力/力矩的作用下产生的振动。圆周方向的扭转振动和轴线方向的纵向振动。第一节振动的起因、危害第一节

振动的起因、危害二、柴油机振动的危害（1）影响可靠性和耐久性。增加机件的磨损，造成机件的裂纹甚至损坏；

（2）降低动力性和经济性。振动消耗能量，改变了柴油机的最佳正时；（3）损害舒适性。工作条件恶化。第一节振动的起因、危害第二节柴油机振动分类及消除方法一、机械振动的基础知识

自由振动：振动系统在外力的作用下偏离平衡位置，当去掉外力后，振动体在平衡位置附近以某一特定的频率来回振动。

受迫振动：振动系统由于受到持续的外部激励的作用，振动体在平衡位置附近来回振动的现象。单质量-弹簧直线振动系统第二节柴油机振动分类及消除方法第二节柴油机振动分类及消除方法一、机械振动的基础知识

简谐振动：如果振动体在平衡位置附近随时间振动的规律可以用正弦函数表示，是一种最简单和最基本的周期振动形式。Ａ－振幅,指偏离平衡位置的最大距离ωn—自由振动的圆频率εn——振动的初相位Ｘ=Asin(ωnt+εn)第二节柴油机振动分类及消除方法第二节柴油机振动分类及消除方法一、机械振动的基础知识

简谐振动：如果振动体在平衡位置附近随时间振动的规律可以用正弦函数表示，是一种最简单和最基本的周期振动形式。Ａ－振幅,指偏离平衡位置的最大距离ωn—自由振动的圆频率εn——振动的初相位

振动系统的自振圆频率ωn，由质量m和刚度k决定，而与其它外界因素无关，也称为固有频率。Ｘ=Asin(ωnt+εn)第二节柴油机振动分类及消除方法第二节柴油机振动分类及消除方法一、机械振动的基础知识

简谐激励的作用下产生的受迫振动特点：1）单质量-弹簧振动系统受到简谐激励，稳态响应的幅值A1与外部激励的幅值F、以及激励圆频率ω与自由振动频率ωn的接近程度有关；与初始条件无关，且不随时间而变；2）在外部激励频率接近于系统固有频率时（ω≈ωn），系统振动响应（A1）达到最大值，此时称为共振状态，对于无阻尼振动系统，发生共振时，系统振动响应（A1）接近无穷大；对于有阻尼振动系统，发生共振时，一个振动周期内激励对系统所作的功等于阻尼对系统所作的功。第二节柴油机振动分类及消除方法第二节柴油机振动分类及消除方法二、柴油机机体的振动及消除

机体的振动：曲柄连杆机构的作用力往复惯性力：柴油机上下方向的振动；回转惯性力：上下、左右方向的振动；气体力：不会使柴油机产生垂直方向的振动，使柴油机机体产生拉伸应力；倾覆力矩：产生左右摇摆性振动（横向振动）；连杆力偶：柴油机左右摆动。因数值较小。第二节柴油机振动分类及消除方法第二节柴油机振动分类及消除方法二、柴油机机体的振动及消除

平衡补偿装置（平衡器）：设置一些偏心质量，让它们以和柴油机激振频率相同的转速旋转，产生补偿力或力矩以抵消不平衡力或力矩。例如平衡重、“正反转平衡轮系”、地脚螺栓。中、高速柴油机，采用橡胶隔振器或弹簧隔振器将发动机安装在船体上；大型低速柴油机，柴油机机座通过许多垫块，用地脚螺栓安装在船体基座上；船体强烈振动时，采用机械式或液力支撑。第二节柴油机振动分类及消除方法第三节共振、临界转速的概念、造成的影响及应对措施一、推进轴系的扭转振动

定义：船舶柴油机推进轴系在柴油机、螺旋桨(或发电机)等的周期性变化的激振力矩作用下所产生的周向交变运动及相应变形。

危害：轴段疲劳断裂，轴系附件（连接螺栓、连轴节等）损坏，喷油、气阀等定时遭到破坏，从而造成柴油机经济性变差。强烈的扭转振动还会影响柴油机的平衡性，诱发轴系产生强烈的回转振动和纵向振动，加剧柴油机的噪声。第三节共振、临界转速的概念第三节共振、临界转速的概念、造成的影响及应对措施一、推进轴系的扭转振动轴系扭转振动的力学简化模型轴系的自由扭转振动特性：

当量扭振系统：轴系转化为若干个只有柔度而无转动惯量的轴段和互相连接起来的只有转动惯量而无柔度的集中质量组成的扭振系统。

轴的柔度越大，将轴画得越长；转动惯量越大时，将质量画得越大，或离轴线越远。双质量当量扭振系统：中机舱柴油机三质量当量扭转系统：尾机舱柴油机

节点越多则自由振动的频率越高，质量越大离节点越近，振幅越小，节点多落在柔度较大的轴段上。第三节共振、临界转速的概念第三节共振、临界转速的概念、造成的影响及应对措施一、推进轴系的扭转振动轴系扭转振动的力学简化模型轴系的自由扭转振动特性：

当量扭振系统：轴系转化为若干个只有柔度而无转动惯量的轴段和互相连接起来的只有转动惯量而无柔度的集中质量组成的扭振系统。

轴的柔度越大，将轴画得越长；转动惯量越大时，将质量画得越大，或离轴线越远。双质量当量扭振系统：中机舱柴油机三质量当量扭转系统：尾机舱柴油机

节点越多则自由振动的频率越高，质量越大离节点越近，振幅越小，节点多落在柔度较大的轴段上。第三节共振、临界转速的概念实际当量系统及振型图一、推进轴系的扭转振动第三节共振、临界转速的概念第三节共振、临界转速的概念、造成的影响及应对措施一、推进轴系的扭转振动2.轴系的强迫扭转振动：

柴油机轴系扭转振动的激励力矩有：(1)气缸内周期变化的气体力在曲轴上形成的交变力矩；(2)曲柄连杆机构往复惯性力所引的曲轴交变力矩；(3)曲柄连杆机构重力引起的交变力矩；(4)螺旋桨运动产生的周期性变化的力矩。第三节共振、临界转速的概念第三节共振、临界转速的概念、造成的影响及应对措施一、推进轴系的扭转振动2.轴系的强迫扭转振动：船舶轴系中的主要阻尼：(1)柴油机阻尼：有曲柄连杆机构在扭振中产生的轴颈与轴承、活塞和气缸的摩擦阻尼，运动机件与空气的摩擦阻尼，曲轴在变形中内部分子间的摩擦阻尼。(2)轴段阻尼：主要是轴在发生扭转变形时在材料分子间产生的摩擦阻尼。(3)螺旋桨阻尼：是由于螺旋桨在水中发生扭振时，桨叶与水摩擦造成。第三节共振、临界转速的概念第三节共振、临界转速的概念、造成的影响及应对措施一、推进轴系的扭转振动3．现代船用柴油机的扭振特点：

单缸功率大、缸数少，使柴油机输出扭矩更不均匀，使激振力矩增加。长行程使各缸转动惯量增加，轴系的自振频率降低，在运转范围内易出现由低次简谐力矩(简谐力矩振幅大)激起的扭振共振；由于柴油机回转不均匀，引起螺旋桨推力不均匀，易激发轴系的纵振和船体振动。第三节共振、临界转速的概念第三节共振、临界转速的概念、造成的影响及应对措施二、共振、临界转速的概念、造成的影响1.共振

定义：当某一次激励力矩的频率恰好等于轴系某一节振型的自振频率，则产生共振。

危害：（1）引起轴系裂纹和断裂；（2）引起减速齿轮箱齿面的点蚀和断齿；（3）联轴器螺栓切断，橡胶联轴器撕裂；（4）加剧发动机零部件的磨损；（5）产生扭转-纵向偶合振动；（6）产生继发性激励，引起柴油机机架、齿轮箱、双层底及船体的振动，使噪声加剧。第三节共振、临界转速的概念第三节共振、临界转速的概念、造成的影响及应对措施二、共振、临界转速的概念、造成的影响2.临界转数

定义：当v次干扰力矩的频率等于轴系的自振频率时，即，相应的柴油机转速就是临界转速。

危害：临界转速下扭转振动往往十分强烈，破坏性极大，所以总是力图避免在转速范围内出现主简谐的共振。第三节共振、临界转速的概念第四节减小振动的方法一、轴段扭振的附加应力及其许用值

一般说来，节点附近的扭振附加应力τ最大。第四节减小振动的方法第四节减小振动的方法二、减小轴系扭振的措施主要措施：减少扭转振动输入能量、调整系统自振频率、设置转速禁区及配置减振器。

1.减少扭转振动输入能量：（1）改变发火顺序。副临界转速改变，主临界转速不变；（2）改变振型。装设副飞轮或调整主飞轮惯量；（3）合理选择桨叶安装位置。不使用与柴油机主谐量相同的浆叶叶数。第四节减小振动的方法第四节减小振动的方法二、减小轴系扭振的措施主要措施：减少扭转振动输入能量、调整系统自振频率、设置转速禁区及配置减振器。

2.调整系统自振频率：

（1）改变转动惯量。加大飞轮和加装副飞轮来降低轴系的自振频率；

（2）改变轴段刚度。加粗轴段直径或缩短中间轴，都能使临界转速超出额定转速而达到避振的目的。而增加气缸数或加长中间轴，又能使临界转速低于常用转速，甚至低于最低稳定转速。

（3）加装弹性联轴器。第四节减小振动的方法第四节减小振动的方法二、减小轴系扭振的措施主要措施：减少扭转振动输入能量、调整系统自振频率、设置转速禁区及配置减振器。

3.设置转速禁区：

在管理上使曲轴工作转速远离临界转速，为此设立转速禁区，要求在变速时快速通过。此法主要应用于大型低速柴油机。

转速禁区的范围：单节振动为±10%nc；双节振动为±5%nc（nc为临界转速）。第四节减小振动的方法第四节减小振动的方法二、减小轴系扭振的措施主要措施：减少扭转振动输入能量、调整系统自振频率、设置转速禁区及配置减振器。

4.配置减振器（阻尼减振法）

减振器主要作用：在轴系中增加了一个质量和一段弹性轴，可以改变振型、节点位置和自振频率；在轴系扭振时产生一个附加阻尼作用以消耗输入轴系的激振能，限制扭振振幅增大。

类型：阻尼型、动力型和阻尼动力型。

减振器均安装在曲轴自由端。第四节减小振动的方法第四节减小振动的方法二、减小轴系扭振的措施4.配置减振器（阻尼减振法）

1）阻尼型减振器

阻尼型减振器用阻尼消耗激振能，达到减振的目的。最典型、应用最普遍的是硅油减振器。硅油减振器第四节减小振动的方法第四节减小振动的方法二、减小轴系扭振的措施4.配置减振器（阻尼减振法）

2）动力型减振器

动力型减振器用弹