第三節(jié) 軸系的扭轉(zhuǎn)振動

1、第三節(jié)第三節(jié) 軸系的扭轉(zhuǎn)振動軸系的扭轉(zhuǎn)振動 船舶推進軸系是一個既有扭轉(zhuǎn)彈性、又船舶推進軸系是一個既有扭轉(zhuǎn)彈性、又有回轉(zhuǎn)質(zhì)量的扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)。軸系扭轉(zhuǎn)振有回轉(zhuǎn)質(zhì)量的扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)。軸系扭轉(zhuǎn)振動為邊旋轉(zhuǎn)邊做周向來回振動，不可避免。動為邊旋轉(zhuǎn)邊做周向來回振動，不可避免。規(guī)范要求：功率大于規(guī)范要求：功率大于220220KWKW的柴油機推進系的柴油機推進系統(tǒng)、額定功率大于統(tǒng)、額定功率大于110110KWKW的柴油機發(fā)電系統(tǒng)的柴油機發(fā)電系統(tǒng)要進行扭振計算并提交審查及實船測量，要進行扭振計算并提交審查及實船測量，如計算及測試超過規(guī)定必須采取避振和減如計算及測試超過規(guī)定必須采取避振和減振措施振措施一、扭擺扭轉(zhuǎn)振動

2、的特性一、扭擺扭轉(zhuǎn)振動的特性扭擺是最簡單的扭振系統(tǒng)，圓軸只有彈性扭擺是最簡單的扭振系統(tǒng)，圓軸只有彈性而無轉(zhuǎn)動慣量，圓盤只有轉(zhuǎn)動慣量而無彈性而無轉(zhuǎn)動慣量，圓盤只有轉(zhuǎn)動慣量而無彈性1 1扭擺的無阻尼自由扭轉(zhuǎn)振動（不計任何阻尼）扭擺的無阻尼自由扭轉(zhuǎn)振動（不計任何阻尼）sinsin（e et t） 1 1）是一種簡諧振動）是一種簡諧振動2 2）振動三要素：振幅、自振圓頻率、初相位）振動三要素：振幅、自振圓頻率、初相位IeIKe12 2扭擺的有阻尼自由扭轉(zhuǎn)振動扭擺的有阻尼自由扭轉(zhuǎn)振動 （計及阻尼的自（計及阻尼的自由扭振）由扭振）是一種簡諧振動。但其振幅衰減，自振圓是一種簡諧振動。但其振幅衰減，自振圓頻率

3、減小，周期增長頻率減小，周期增長)sin(22tnAeent3 3扭擺的有阻尼強制扭轉(zhuǎn)振動（持續(xù)簡諧力矩，扭擺的有阻尼強制扭轉(zhuǎn)振動（持續(xù)簡諧力矩，并計及阻尼的扭振）并計及阻尼的扭振）激勵力矩激勵力矩M Mt tsintsint 1 1+ + 2 2)sin(22tnAeent1 1）由強制振動）由強制振動與有阻尼自由扭振與有阻尼自由扭振兩種兩種簡諧振動合成，經(jīng)過一定時間后簡諧振動合成，經(jīng)過一定時間后消失，消失，只剩下強制振動只剩下強制振動2 2）強制振動強制振動是由激振力矩是由激振力矩M Mt t激起的，且其激起的，且其圓頻率與激振力矩圓頻率相同，即皆為同一圓頻率與激振力矩圓頻率相同，即皆為同

4、一個個3 3）A A的大小主要取決于扭擺的自振圓頻率的大小主要取決于扭擺的自振圓頻率e e與阻尼比與阻尼比n n。在無阻尼在無阻尼( (nn）情況下，若情況下，若e e，則振動振幅則振動振幅A A；在有阻尼情在有阻尼情況下，若況下，若e e，則則A A不會無限大，但也不會無限大，但也為最大值，稱系統(tǒng)共振為最大值，稱系統(tǒng)共振 二、軸系扭轉(zhuǎn)振動特性二、軸系扭轉(zhuǎn)振動特性為便于研究分析為便于研究分析, ,通常把柴油機及軸系轉(zhuǎn)通常把柴油機及軸系轉(zhuǎn)化為若干個只有柔度而無轉(zhuǎn)動慣量的軸段和化為若干個只有柔度而無轉(zhuǎn)動慣量的軸段和只有轉(zhuǎn)動慣量而無柔度的集中質(zhì)量組成的扭只有轉(zhuǎn)動慣量而無柔度的集中質(zhì)量組成的扭振系統(tǒng)。

5、這種轉(zhuǎn)化系統(tǒng)稱為柴油機及其軸系振系統(tǒng)。這種轉(zhuǎn)化系統(tǒng)稱為柴油機及其軸系的當量扭振系統(tǒng)。柴油機推進軸系為多質(zhì)量、的當量扭振系統(tǒng)。柴油機推進軸系為多質(zhì)量、多軸段的當量扭振系統(tǒng)多軸段的當量扭振系統(tǒng)二質(zhì)量系統(tǒng)二質(zhì)量系統(tǒng)( (兩個轉(zhuǎn)動質(zhì)量、一個軸段兩個轉(zhuǎn)動質(zhì)量、一個軸段) )三質(zhì)量系統(tǒng)三質(zhì)量系統(tǒng)( (三個轉(zhuǎn)動質(zhì)量、兩個軸段三個轉(zhuǎn)動質(zhì)量、兩個軸段) )n n質(zhì)量系統(tǒng)質(zhì)量系統(tǒng) 三、軸系的自由扭轉(zhuǎn)振動特性三、軸系的自由扭轉(zhuǎn)振動特性1 1雙質(zhì)量系統(tǒng)自由扭轉(zhuǎn)振動特性雙質(zhì)量系統(tǒng)自由扭轉(zhuǎn)振動特性1 1）兩個質(zhì)量進行一種簡諧振動，頻率、初相）兩個質(zhì)量進行一種簡諧振動，頻率、初相位相同位相同2 2）兩個質(zhì)量的振幅之比與轉(zhuǎn)動

6、慣量成反比且）兩個質(zhì)量的振幅之比與轉(zhuǎn)動慣量成反比且反向反向3 3）自振圓頻率）自振圓頻率W We e隨轉(zhuǎn)動慣量的增大和軸柔度隨轉(zhuǎn)動慣量的增大和軸柔度的增大而降低的增大而降低4 4）軸段某點扭振振幅始終為）軸段某點扭振振幅始終為0 0，該點稱為節(jié)，該點稱為節(jié)點。節(jié)點處扭矩最大，振幅或扭轉(zhuǎn)角位移為點。節(jié)點處扭矩最大，振幅或扭轉(zhuǎn)角位移為0 0，并有發(fā)熱、發(fā)藍現(xiàn)象。兩質(zhì)量自由扭振，并有發(fā)熱、發(fā)藍現(xiàn)象。兩質(zhì)量自由扭振只有一個節(jié)點，且節(jié)點靠近轉(zhuǎn)動慣量較大處只有一個節(jié)點，且節(jié)點靠近轉(zhuǎn)動慣量較大處2 2三質(zhì)量系統(tǒng)的自由扭轉(zhuǎn)振動特性三質(zhì)量系統(tǒng)的自由扭轉(zhuǎn)振動特性1 1）由兩種簡諧振動相加而成，）由兩種簡諧振動相加

7、而成， e1e1 e2e22) 2) e1e1的振動是單節(jié)振動，的振動是單節(jié)振動， e2e2的振動是的振動是雙節(jié)振動，節(jié)點多落在柔度較大的軸段雙節(jié)振動，節(jié)點多落在柔度較大的軸段上上3.3.個質(zhì)量系統(tǒng)的自由扭轉(zhuǎn)振動特性個質(zhì)量系統(tǒng)的自由扭轉(zhuǎn)振動特性1 1）每個質(zhì)量的無阻尼扭振均為（）每個質(zhì)量的無阻尼扭振均為（1 1）種簡諧）種簡諧振動相加而成振動相加而成2 2）具有（）具有（1 1）個自振圓頻率，）個自振圓頻率， e1e1最低，最低， en-1en-1最高最高, ,單節(jié)點振動振幅最大，多節(jié)點振動單節(jié)點振動振幅最大，多節(jié)點振動的振幅遞減的振幅遞減3 3）具有（）具有（1 1）個振型，在這（）個振型，

8、在這（1 1）種簡）種簡諧振動中，只在發(fā)生單節(jié)、雙節(jié)、三節(jié)扭轉(zhuǎn)振諧振動中，只在發(fā)生單節(jié)、雙節(jié)、三節(jié)扭轉(zhuǎn)振動時才產(chǎn)生較大的扭振振幅，具有破壞性。由動時才產(chǎn)生較大的扭振振幅，具有破壞性。由于扭振導致軸系損壞時，雙節(jié)點振動損壞部位于扭振導致軸系損壞時，雙節(jié)點振動損壞部位一般多出現(xiàn)在曲軸上，單節(jié)點振動損壞部位多一般多出現(xiàn)在曲軸上，單節(jié)點振動損壞部位多在中間軸上在中間軸上四、軸系的強制扭轉(zhuǎn)振動四、軸系的強制扭轉(zhuǎn)振動軸系在周期性變化的外力矩作用下產(chǎn)生的軸系在周期性變化的外力矩作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動稱為強制扭轉(zhuǎn)振動扭轉(zhuǎn)振動稱為強制扭轉(zhuǎn)振動1 1激振力矩激振力矩1 1）氣體力產(chǎn)生的周期性變化力矩）氣體力產(chǎn)生的周

9、期性變化力矩主要激振力矩。簡諧次數(shù)越高，簡諧力矩主要激振力矩。簡諧次數(shù)越高，簡諧力矩的振幅越小，對扭振影響越小的振幅越小，對扭振影響越小2 2）曲柄連桿機構的重力和往復慣性力產(chǎn)生的）曲柄連桿機構的重力和往復慣性力產(chǎn)生的周期性變化力矩周期性變化力矩3 3）螺旋槳、發(fā)電機阻力矩）螺旋槳、發(fā)電機阻力矩當柴油機缸數(shù)是螺旋槳葉數(shù)整數(shù)倍時對軸當柴油機缸數(shù)是螺旋槳葉數(shù)整數(shù)倍時對軸系扭振影響大系扭振影響大2 2扭轉(zhuǎn)振動的阻尼扭轉(zhuǎn)振動的阻尼1 1）類型：柴油機阻尼、軸段阻尼、螺旋槳）類型：柴油機阻尼、軸段阻尼、螺旋槳阻尼阻尼2 2）對振動影響：振幅減小、頻率減小、周）對振動影響：振幅減小、頻率減小、周期增長、相

10、位滯后期增長、相位滯后3 3軸系的強制扭轉(zhuǎn)振動特性軸系的強制扭轉(zhuǎn)振動特性1 1）軸系的共振）軸系的共振（1 1）f=f= n n（2 2）引起柴油機共振的轉(zhuǎn)速叫共振轉(zhuǎn)速或引起柴油機共振的轉(zhuǎn)速叫共振轉(zhuǎn)速或臨界轉(zhuǎn)速臨界轉(zhuǎn)速（3 3）軸系在柴油機運行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)（）軸系在柴油機運行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)（n nminmin- -n nmaxmax）臨界轉(zhuǎn)速很多臨界轉(zhuǎn)速很多2 2）主臨界轉(zhuǎn)速與副臨界轉(zhuǎn)速）主臨界轉(zhuǎn)速與副臨界轉(zhuǎn)速（1 1）主臨界轉(zhuǎn)速）主臨界轉(zhuǎn)速主共振的相應轉(zhuǎn)速，主共振是由簡諧次數(shù)主共振的相應轉(zhuǎn)速，主共振是由簡諧次數(shù) 等于曲軸每轉(zhuǎn)發(fā)火氣缸數(shù)整數(shù)倍的激振力矩等于曲軸每轉(zhuǎn)發(fā)火氣缸數(shù)整數(shù)倍的激振力矩所引起的共

11、振所引起的共振n nk k=f=fe e/ / k k, ,二沖程機二沖程機n nk k=f=fe e/( mi)/( mi)，四沖程機四沖程機n nk k=2f=2fe e/ / (mi)(mi)軸系發(fā)生單節(jié)共振時主諧量對軸的激振作用軸系發(fā)生單節(jié)共振時主諧量對軸的激振作用強烈，其共振振幅最大，最危險強烈，其共振振幅最大，最危險（2 2）副臨界轉(zhuǎn)速：主臨界轉(zhuǎn)速以外的所有臨）副臨界轉(zhuǎn)速：主臨界轉(zhuǎn)速以外的所有臨界轉(zhuǎn)速或副共振相應的轉(zhuǎn)速界轉(zhuǎn)速或副共振相應的轉(zhuǎn)速4 4封缸運行時的扭振特點封缸運行時的扭振特點1 1）封缸運行類型）封缸運行類型（1 1）單缸停油，運動件未拆除）單缸停油，運動件未拆除（2

12、2）損壞運動件拆除）損壞運動件拆除2 2）相應扭振特點）相應扭振特點（1 1）運動件未拆除較常見，使扭振振幅和扭振應）運動件未拆除較常見，使扭振振幅和扭振應力增大，即扭振惡化力增大，即扭振惡化（2 2）運動件拆除對扭振影響最嚴重，使轉(zhuǎn)動慣量）運動件拆除對扭振影響最嚴重，使轉(zhuǎn)動慣量減小，固有頻率、固有振型發(fā)生變化，扭振振減小，固有頻率、固有振型發(fā)生變化，扭振振幅、應力增大幅、應力增大5 5現(xiàn)代船用大型柴油機的扭振特點現(xiàn)代船用大型柴油機的扭振特點使軸系扭轉(zhuǎn)振動加劇，中間軸產(chǎn)生過大的扭使軸系扭轉(zhuǎn)振動加劇，中間軸產(chǎn)生過大的扭振振幅和扭振附加應力振振幅和扭振附加應力五五 軸系扭轉(zhuǎn)振動的減振措施軸系扭轉(zhuǎn)振

13、動的減振措施一、船舶軸系扭轉(zhuǎn)振動許用應力和許用扭矩一、船舶軸系扭轉(zhuǎn)振動許用應力和許用扭矩1 1轉(zhuǎn)速比轉(zhuǎn)速比r=r=共振轉(zhuǎn)速共振轉(zhuǎn)速/ /標定轉(zhuǎn)速標定轉(zhuǎn)速= =n nc c / /n ne e2 2持續(xù)運轉(zhuǎn)工況持續(xù)運轉(zhuǎn)工況0 0 1.01.03 3危險臨界轉(zhuǎn)速危險臨界轉(zhuǎn)速1 1）扭振應力或扭矩超過持續(xù)運轉(zhuǎn)的許用值時的共振轉(zhuǎn)）扭振應力或扭矩超過持續(xù)運轉(zhuǎn)的許用值時的共振轉(zhuǎn)速速2 2）防止措施：（）防止措施：（1 1）設轉(zhuǎn)速禁區(qū)；（）設轉(zhuǎn)速禁區(qū)；（2 2）禁區(qū)內(nèi)不應）禁區(qū)內(nèi)不應持續(xù)運轉(zhuǎn)，允許快速超越；（持續(xù)運轉(zhuǎn)，允許快速超越；（3 3）轉(zhuǎn)速表用紅色標明，）轉(zhuǎn)速表用紅色標明，并在操縱臺前設示告牌并在操縱

14、臺前設示告牌4 4常用轉(zhuǎn)速常用轉(zhuǎn)速0.80.81.051.05范圍內(nèi)不允許存在轉(zhuǎn)速禁區(qū)。范圍內(nèi)不允許存在轉(zhuǎn)速禁區(qū)。在在0.90.91.031.03范圍內(nèi)應盡可能不用減小振幅的方范圍內(nèi)應盡可能不用減小振幅的方法來消除轉(zhuǎn)速禁區(qū)法來消除轉(zhuǎn)速禁區(qū)二、扭轉(zhuǎn)振動的減振措施回避法二、扭轉(zhuǎn)振動的減振措施回避法1 1“轉(zhuǎn)速禁區(qū)轉(zhuǎn)速禁區(qū)”回避法回避法主要用在大型船用柴油機上主要用在大型船用柴油機上2 2頻率調(diào)整法頻率調(diào)整法1 1）改變系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量加大飛輪慣量或加）改變系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量加大飛輪慣量或加裝副飛輪以降低軸系單節(jié)、雙節(jié)自振頻率裝副飛輪以降低軸系單節(jié)、雙節(jié)自振頻率2 2）改變軸段的彈性增大軸徑或裝設高彈性）

15、改變軸段的彈性增大軸徑或裝設高彈性聯(lián)軸器（節(jié)）聯(lián)軸器（節(jié)）3 3減小激振能法減小激振能法1 1）改變發(fā)火順序以減小副諧量的激振能）改變發(fā)火順序以減小副諧量的激振能2 2）合理選擇螺旋槳以減小螺旋槳的激振能）合理選擇螺旋槳以減小螺旋槳的激振能4 4阻尼減振法設阻尼減振器阻尼減振法設阻尼減振器三、減振器與彈性聯(lián)軸器三、減振器與彈性聯(lián)軸器1 1扭振減振器（常裝在自由端，用于消耗激振能）扭振減振器（常裝在自由端，用于消耗激振能）1 1）作用：（）作用：（1 1）改變振型、節(jié)點位置和自振頻）改變振型、節(jié)點位置和自振頻率；（率；（2 2）限制扭振振幅增大）限制扭振振幅增大2 2）類型：）類型：（1 1）動

16、力型只用于定速運行柴油機）動力型只用于定速運行柴油機（2 2）阻尼型可減小振幅，常見為硅油減振）阻尼型可減小振幅，常見為硅油減振器器（3 3）動力阻尼型）動力阻尼型 常見有金屬簧片式和套筒彈常見有金屬簧片式和套筒彈簧式簧式2 2彈性聯(lián)軸器彈性聯(lián)軸器可使柴油機無轉(zhuǎn)速禁區(qū)，只對單節(jié)點振動有可使柴油機無轉(zhuǎn)速禁區(qū)，只對單節(jié)點振動有顯著減振效果顯著減振效果3 3減振器及彈性聯(lián)軸器的維護管理減振器及彈性聯(lián)軸器的維護管理1 1）減振器維護管理）減振器維護管理阻尼式應保證阻尼液無漏失，無需定期拆阻尼式應保證阻尼液無漏失，無需定期拆檢；動力式運行中應保證彈簧片間充滿滑油，檢；動力式運行中應保證彈簧片間充滿滑油，檢查中若發(fā)現(xiàn)一片彈簧損壞則換新該組彈簧檢查中若發(fā)現(xiàn)一片彈簧損壞則換新該組彈簧片片2 2）彈性聯(lián)軸器的管理）彈性聯(lián)軸器的管理（1 1）橡膠彈性聯(lián)軸器最高使用環(huán)境溫度不）橡