青船院船舶柴油机课件06柴油机及推进轴系的振动

第六章柴油机及推进轴系的振动

船舶推进轴系产生：（1）扭转振动（2）纵向振动（3）回旋(横向)振动

振动危害：（1）机件磨损增加或损坏（2）降低柴油机经济性和可靠性（3）引起船体水平、垂向振动（对底脚螺栓、贯穿螺栓影响大，对气缸盖影响小）（4）影响船员工作条件，损害船员健康一活塞的运动1活塞的位移x=R(1-cos

)+L(1-cos

)Rsin

=Lsin

式中:－曲轴转角;β－连杆摆角;λ＝R/L－连杆比，一般低速机为1/3－1/5经简化，得：x≈R(1-cos

)+(1-cos2

)λR/4x=x1+x2x1=(1-cos

)Rx2=(1-cos2

)λR/4第一节活塞、连杆的运动及其作用力α=0°时,x=0(即活塞在上止点)α=180°时,x=2R=S(即活塞在下止点)α=90°或270°时,x=R+＞R，即活塞不在行程中央，而在α

90°或

α

270°的某一位置时X＝R2活塞的速度X′≈ω*sin*R

+(2ω)sin2*λR/4x′=x′1+x′2x′1=ω*sin*Rx′2=(2ω)sin2*λR/4

=0°(上止点)或

=180°(下止点),x′=0，最大速度x′max出现在α＜90°的某一位置3活塞的加速度

X″≈ω2cos*R

+(2ω)2cos2

*λR/4

X″＝

x″1＋x″2

x″1=ω2cos*R，是一次曲柄的向心加速度在气缸中心线的投影

x″2=(2ω)2cos2*λR/4，是二次曲柄的向心加速度在气缸中心线的投影

α=0°时,x″max=Rω2(1+λ),方向向下，最大

α=180°时,x″=-Rω2(1-λ)，方向向上

α＜90°或α＞270°的某个位置x″=0(此时活塞速度最大)二、连杆的运动摆角β=sin-1(λsin

)摆动角速度β′=λωcos

secβ摆动角加速度β″=-λ(1-λ2)ω2·sin

·sec3β由上述公式可知:1）α=90°和270°时,连杆在气缸中心线两侧的摆角β的绝对值达到最大值2）α=0°和180°、β=0°时,连杆摆动角速度β′最快,其数值相等,方向相反3）α=90°和α=270°时,β″达到最大值三、曲柄连杆机构的气体力和惯性力1.气体力Fg

作用在燃烧室部件上，方向沿气缸中心线向下，与柴油机工作过程和负荷有关，与运动部件质量无关2.曲柄连杆机构惯性力1）类型及影响因素（1）类型：活塞组件往复运动所产生的往复惯性力；曲柄不平衡回转质量回转运动所产生的回转惯性力（离心力）；连杆运动所产生的惯性力（小端往复惯性力，大端离心惯性力，杆身连杆力偶）（2）影响因素：和运动件的质量及运动时的加速度有关，与ｎ2成正比，与负荷无关。为防曲柄连杆机构惯性力过大而引起机件损伤和机器强烈振动，柴油机不易超速运行2）往复惯性力Fj=-mjx,,=-mjw2cos*R-mj(2w)2cos（2）R/4（1）Fj与x,,方向相反，作用线与气缸中心线平行（2）Fj由Fj1和Fj2组成，为两个回转质量为mj/2，回转半径分别为R和R/4的曲柄自上止点起同步反向，分别以角速度和2回转产生的离心力的合力3)离心惯性力FR=-mR

2

R

与向心加速度方向相反,永远是离心的。它的作用线与曲柄中心线重合,并随曲柄按角速度ω回转四、曲柄连杆机构作用力分析1合力FF=Fg+Fj，作用在气缸中心线连杆小端处。低速、增压柴油机连杆始终受压，四冲程中、高速机换气上止点附近连杆受拉伸。F分解合成为：柴油机输出转矩、倾覆力矩、作用在主轴承上的力2活塞销处的作用力1）侧推力FＮ＝Ftgβ，对主轴承产生倾覆力矩Md=FN*H,作用在机体上2）连杆推力FL=F/cosβ注：短连杆二者均增大3曲柄销处的作用力1）FL在曲柄销处分解为切向作用力T、法（径）向作用力Z2）主轴承受力Z＋FR

高负荷Z最大，低速FR最小，低速高负荷时主轴承受力最大；低负荷Z最小，高速FR最大，高速低负荷时主轴承受力最小4柴油机的输出力矩T*R与倾覆力矩MD1）回转力矩与倾覆力矩大小相等而方向相反，但作用在不同部件上，前者作用在曲轴上（引起曲轴扭转振动），后者作用在柴油机机体上（将引起柴油机左右振动），而不能相互抵消2）在柴油机一个工作循环中，总切向力和输出力矩要变化ｉ次，转动角速度必然是ｉ次，而且在一个工作循环中将波动ｉ次五、曲轴回转不均匀度1.定义：曲轴回转最大角速度与最小角速度之差与平均角速度之比2.原因：动力输出不均（四冲程机相对大）3.影响因素：（1）气缸数多则不均匀度小（2）飞轮小则不均匀度大（3）柴油机行程长超长则不均匀度大（4）负荷不均、封缸运行、单缸熄火、爆压过高、风浪天航行导致不均匀度增大第二节柴油机的振动与平衡

一、单缸柴油机振动力源1.气体力Fg拉伸柴油机的固定件，在内部得到平衡,气体力的作用会产生倾覆力矩而使柴油机左右摆动2.

往复惯性力Fj自身无法平衡，将引起柴油机上下方向振动，还会产生侧推力形成倾覆力矩作用于柴油机机体,使之左右摆动3.回转惯性力(离心力)FR

会使柴油机发生上下、左右方向的振动4.倾覆力矩MD

由气体力和往复惯性力产生，在内部不能平衡，使柴油机产生左右摆动(横向振动)，一般由地脚螺栓来承担5.连杆力偶ML

将引起柴油机左右摆动。因数值较小,一般不考虑二、单缸柴油机振动的平衡1FR的平衡曲柄臂上配置平衡重块2Fj的平衡平衡Fｊ1和Fｊ2的方法为正反转矢量平衡法

3倾覆力矩MD无法平衡，由机座地脚螺栓承受4.连杆力偶ML

较小,一般不采取平衡措施。为了减小ML，中高速机连杆杆身应轻些，大端轴承盖中心离大端中心远些，以使连杆质量小，连杆打击中心靠近连杆大端中心三、多缸柴油机的振动1合成离心惯性力ΣFR

为0，不会造成振动2合成离心力矩ΣMR

不平衡会使柴油机在纵向产生上下左右方向的振动3合成往复惯性力ΣFj

作用在纵向垂直平面上，不平衡会造成纵向上下跳动,多为零4合成往复惯性力矩ΣMj

不平衡会使柴油机在纵向平面内上下振动5总倾覆力矩ΣMD

会引起柴油机主要固定件左右摇摆，缸数越多影响越小6总连杆力偶ΣML

多缸机相互抵消，多为0

综上所述，多缸柴油机的合成惯性力为零，不会造成柴油机的振动，而合成惯性力矩和总倾覆力矩是造成多缸柴油机振动的激振力源。各合成惯性力矩的作用性质，可将其归纳为：1)一次力矩的垂直分量，即合成离心力矩的垂直分量和合成一次往复惯性力矩；2)一次力矩的水平分量，即合成离心力矩的水平分量；3)二次力矩的垂直分量，即合成二次往复惯性力矩

图6－7多缸柴油机的外力矩

四、多缸柴油机振动的平衡对于多缸机，柴油机合成离心力、合成一次往复惯性力、合成二次往复惯性力都能达到完全平衡，只有合成离心力矩、合成一次往复惯性力矩、合成二次往复惯性力矩、总倾覆力矩不平衡。特别是长行程少气缸数的柴油机，有较大的不平衡力矩,采用平衡法减轻柴油机振动1规范要求1）大型低速二冲程机的不平衡力矩一般不超过500KN＊M2）单位功率不平衡力矩值＝不平衡力矩值/柴油机功率，若该值小于60Nm/kW，可不安平衡补偿装置；若大于200Nm/kW，则建议安装平衡补偿装置2平衡补偿装置分类1）由曲轴驱动并安装在柴油机上2）由电动机驱动安装在柴油机自由端或舵机室甲板处3平衡方法1）柴油机的外部平衡和内部平衡（1）外部平衡：采取措施使合成离心力ΣFR、合成离心力矩ΣMR、合成一次往复惯性力ΣFj1、合成一次往复惯性力矩ΣMj1、合成二次往复惯性力ΣFj2、合成二次往复惯性力矩ΣΜj2都等于零（虽不对外产生力和力矩，但仍会引起变形和振动）（2）内部平衡：采取措施分别使各缸的惯性力得到平衡(一般只使离心力得到平衡，较难实现，采取内部平衡后能消除柴油机的振动）2离心力和离心力矩的平衡1）合成离心力的平衡采用均匀分布的曲柄排列2）合成离心力矩的平衡

曲柄臂装平衡重，方法有：（1）各缸平衡法既达到外部平衡也达到内部平衡，新型船用中速机多用（2）分段平衡法只能达到外部平衡，但可以适当减少平衡重数量，曲轴重量减轻，改善曲轴及机座受力（3）整体平衡法仅在首尾曲柄臂加平衡重，使曲轴重量最轻，达到外部平衡，但内部平衡性能最差（4）不规则平衡法能够改善发动机的内部平衡和某些轴承的轴承负荷3）往复惯性力矩的平衡正反转平衡轮系，具体有：（1）双轴平衡装置多用于中小型高速机（2）首尾齿轮传动式平衡装置2正反转的平衡重以平衡二次往复惯性力矩，多用于大、中型低速及中速柴油机上（3）链条传动的正反转平衡轮系正反转平衡重由曲轴或凸轮轴通过链条传动，用于超长或长行程少缸数柴油主机。如由于故障拆除活塞等运动部件时应降速以减小振动4）总倾覆力矩ΣMD的控制（1）中高速机弹性支承（2）十字头低速机机械式或液力横向支撑，超长行程机多用后者第三节轴系的扭转振动

船舶推进轴系是一个既有扭转弹性、又有回转质量的扭转振动系统。轴系扭转振动为边旋转边做周向来回振动，不可避免。规范要求：功率大于220KW的柴油机推进系统、额定功率大于110KW的柴油机发电系统要进行扭振计算并提交审查及实船测量，如计算及测试超过规定必须采取避振和减振措施一、扭摆扭转振动的特性扭摆是最简单的扭振系统，圆轴只有弹性而无转动惯量，圆盘只有转动惯量而无弹性1扭摆的无阻尼自由扭转振动（不计任何阻尼）φ＝Ａ·sin（ωet＋ε）

1）是一种简谐振动2）振动三要素：振幅、自振圆频率、初相位2扭摆的有阻尼自由扭转振动（计及阻尼的自由扭振）

是一种简谐振动。但其振幅衰减，自振圆频率减小，周期增长3扭摆的有阻尼强制扭转振动（持续简谐力矩，并计及阻尼的扭振）激励力矩Mt＝ＭsinωtΦ＝＝

1+

21）由强制振动φ１与有阻尼自由扭振φ２两种简谐振动合成，经过一定时间后φ２消失，只剩下强制振动φ１

2）强制振动φ１是由激振力矩Mt激起的，且其圆频率与激振力矩圆频率相同，即皆为同一个ω3）A１的大小主要取决于扭摆的自振圆频率ωe与阻尼比n。在无阻尼(n→０）情况下，若ωe＝ω，则振动振幅A１→∞；在有阻尼情况下，若ωe＝ω，则A１不会无限大，但也为最大值，称系统共振二、轴系扭转振动特性为便于研究分析,通常把柴油机及轴系转化为若干个只有柔度而无转动惯量的轴段和只有转动惯量而无柔度的集中质量组成的扭振系统。这种转化系统称为柴油机及其轴系的当量扭振系统。柴油机推进轴系为多质量、多轴段的当量扭振系统二质量系统(两个转动质量、一个轴段)三质量系统(三个转动质量、两个轴段)……n质量系统三、轴系的自由扭转振动特性1双质量系统自由扭转振动特性1）两个质量进行一种简谐振动，频率、初相位相同2）两个质量的振幅之比与转动惯量成反比且反向3）自振圆频率We随转动惯量的增大和轴柔度的增大而降低4）轴段某点扭振振幅始终为0，该点称为节点。节点处扭矩最大，振幅或扭转角位移为0，并有发热、发蓝现象。两质量自由扭振只有一个节点，且节点靠近转动惯量较大处2三质量系统的自由扭转振动特性1）由两种简谐振动相加而成，

e1

e22)

e1的振动是单节振动，e2的振动是双节振动，节点多落在柔度较大的轴段上3.ｎ个质量系统的自由扭转振动特性1）每个质量的无阻尼扭振均为（ｎ－1）种简谐振动相加而成2）具有（ｎ－1）个自振圆频率，e1最低，en-1最高,单节点振动振幅最大，多节点振动的振幅递减3）具有（ｎ－1）个振型，在这（ｎ－1）种简谐振动中，只在发生单节、双节、三节扭转振动时才产生较大的扭振振幅，具有破坏性。由于扭振导致轴系损坏时，双节点振动损坏部位一般多出现在曲轴上，单节点振动损坏部位多在中间轴上四、轴系的强制扭转振动轴系在周期性变化的外力矩作用下产生的扭转振动称为强制扭转振动1激振力矩1）气体力产生的周期性变化力矩主要激振力矩。简谐次数越高，简谐力矩的振幅越小，对扭振影响越小2）曲柄连杆机构的重力和往复惯性力产生的周期性变化力矩3）螺旋桨、发电机阻力矩当柴油机缸数是螺旋桨叶数整数倍时对轴系扭振影响大2扭转振动的阻尼1）类型：柴油机阻尼、轴段阻尼、螺旋桨阻尼2）对振动影响：振幅减小、频率减小、周期增长、相位滞后3轴系的强制扭转振动特性1）轴系的共振（1）f=n（2）引起柴油机共振的转速叫共振转速或临界转速（3）轴系在柴油机运行转速范围内（nmin-nmax）临界转速很多2）主临界转速与副临界转速（1）主临界转速

主共振的相应转速，主共振是由简谐次数

等于曲轴每转发火气缸数整数倍的激振力矩所引起的共振

nk=fe/

k,二冲程机nk=fe/(mi)，四冲程机nk=2fe/(mi)

轴系发生单节共振时主谐量对轴的激振作用强烈，其共振振幅最大，最危险（2）副临界转速：主临界转速以外的所有临界转速或副共振相应的转速4封缸运行时的扭振特点1）封缸运行类型（1）单缸停油，运动件未拆除（2）损坏运动件拆除2）相应扭振特点（1）运动件未拆除较常见，使扭振振幅和扭振应力增大，即扭振恶化（2）运动件拆除对扭振影响最严重，使转动惯量减小，固有频率、固有振型发生变化，扭振振幅、应力增大5现代船用大型柴油机的扭振特点使轴系扭转振动加剧，中间轴产生过大的扭振振幅和扭振附加应力五轴系扭转振动的减振措施一、船舶轴系扭转振动许用应力和许用扭矩1转速比r=共振转速/标定转速=nc/ne2持续运转工况0

ｒ1.03危险临界转速1）扭振应力或扭矩超过持续运转的许用值时的共振转速2）防止措施：（1）设转速禁区；（2）禁区内不应持续运转，允许快速超越；（3）转速表用红色标明，并在操纵台前设示告牌4常用转速ｒ＝0.8－1.05范围内不允许存在转速禁区。在ｒ＝0.9－1.03范围内应尽可能不用减小振幅的方法来消除转速禁区二、扭转振动的减振措施－回避法1“转速禁区”回避法主要用在大型船用柴油机上2频率调整法1）改变系统的转动惯量加大飞轮惯量或加装副飞轮以降低轴系单节、双节自振频率2）改变轴段的弹性增大轴径或装设高弹性联轴器（节）3减小激振能法1）改变发火顺序以减小副谐量的激振能2）合理选择螺旋桨以减小螺旋桨的激振能4阻尼减振法设阻尼减振器三、减振器与弹性联轴器1扭振减振器（常装在自由端，用于消耗激振能）1）作用：（1）改变振型、节点位置和自振频率；（2）限制扭振振幅增大2）类型：（1）动力型只用于定速运行柴油机（2）阻尼型可减小振幅，常见为硅油减振器（3）动力阻尼型常见有金属簧片式和套筒弹簧式2弹性联轴器可使柴油机无转速禁区，只对单节点振动有显著减振效果3减振器及弹性联轴器的维护管理1）减振器维护管理阻尼式应保证阻尼液无漏失，无需定期拆检；动力式运行中应保证弹簧片间充满滑油，检查中若发现一片弹簧损坏则换新该组弹簧片2）弹性联轴器的管理（1）橡胶弹性联轴器最高使用环境温度不得高于60。C，最低使用温度为－10。C（2）联轴器转动惯量大的外轮连接输入轴（主动侧），转动惯量小的内轮连接输出轴（从动侧），不得反接（3）当轴系发生强烈扭转振动应迅速降速以远离“转速禁区”外运行直至扭振减轻或消失，并尽快分析和判明扭振原因以纠正第四节轴系的纵向振动与消减一、轴系的纵向振动及危害1轴系纵向振动：轴系在外力作用下沿轴线方向产生的周期性变形现象2轴系纵振力学简化模型1）轴质量分别集中在轴的两端2）螺旋桨质量还应考虑附加水质量3）曲轴纵向刚度根据经验公式计算和试验确定3轴系纵振激振力源1）螺旋桨在不均匀伴流场中产生的周期性轴向激振力2）气体力和往复运动部件产生的惯性力通过连杆作用在曲柄销上的径向分量3）轴系扭转振动4现代大型低速机纵振严重原因：船舶大型化，主机功