船用柴油機曲軸轉(zhuǎn)子_軸承系統(tǒng)動力學試驗臺的研制

1、*來稿日期:2007-07-18*基金項目:上海市啟明星計劃資助項目(06QB14037""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""&quo

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3、""""""$【摘要】根據(jù)大功率低速船用柴油機曲軸轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動力學特性,研究了動力學試驗臺的設計原則、各個組成部分的功能、動力學試驗臺應具有的性能等問題,最后,成功研制出一臺動力學試驗臺。該試驗臺可用于研究系統(tǒng)的時間響應、頻率響應、軸心軌跡,檢測氣缸內(nèi)的壓力變化規(guī)律,控制曲軸的轉(zhuǎn)速和氣缸內(nèi)的壓力等。關鍵詞:試驗臺;曲軸轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng);柴油機;動力學響應【Abstract 】According to the dynamic characteristics of crank shaft rotor -bearing system u

4、sed indiesel engine,the design principle,sub-system and performance of tester is researched.The tester is made successfully at last.The tester can be used to research the time history,frequency response and axis track of the crank shaft,to measure the pressure in the cylinder,to control the speed of

5、 the crank shaft and pressure in the cylinder.Key words:Tester ;Crank shaft rotor-bearing system ;Diesel engine ;Dynamics response中圖分類號:TH113.1,TH132.41文獻標識碼:A船用柴油機曲軸轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動力學試驗臺的研制*張青雷1,2張鎖懷3(1上海電氣集團股份有限公司中央研究院,上海200023(2上海交通大學機械與動力工程學院,上海200030(3上海應用技術學院機械與自動化工程學院,上海200235Research on the tester o

6、f crank shaft rotor-bearing system used in ship diesel engineZHANG Qing-lei 1,2,ZHANG Suo-huai 3(1Shanghai Electrdic Group Co.,Ltd.Central Academe ,Shanghai 200023,China (2Shanghai Jiaotong University ,M achinery and Pouer Engineering Institute ,Shanghai 200030,China (3Shanghai Institute of Technolo

7、gy ,Shanghai 200235,China 將根據(jù)大功率低速船用柴油機曲軸轉(zhuǎn)子-滑動軸承系統(tǒng)的特點,在理論分析的基礎上,研究設計該系統(tǒng)的動力學試驗臺,用于研究曲軸在機械加工過程和使用過程中的振動問題,以提高曲軸的加工精度,減少柴油機的振動,提高其工作效率和壽命,減少對環(huán)境的影響。1設計原則在設計試驗臺時,遵循了幾個原則,以保證研究大型船用柴油機曲軸轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動力學性能時的有效性。1.1曲軸結(jié)構(gòu)相似在設計試驗臺時,即要針對正在國產(chǎn)化的大型船用柴油機4-6S60MC-C (8030曲軸的特點,也要考慮試驗臺的通用性。如圖1所示,為柴油機4-6S60MC-C (8030曲軸,為半組合式、

8、6拐、紅套結(jié)構(gòu)。所以,試驗臺曲軸也應設計成相似結(jié)構(gòu)。柴油機4-6S60MC-C (8030曲軸在連桿軸頸兩側(cè)設置徑向、圓瓦滑動軸承,以便承受徑向載荷;鏈輪端使用推力滑動軸承,以便承受軸向載荷。所以,曲軸轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)一般屬于過定位結(jié)構(gòu),計算滑動軸承的平衡點時,需要使用變形協(xié)調(diào)條件。由于試驗臺曲軸與實際柴油機曲軸尺寸、承受的載荷、自身剛度等相差較大,因此,滑動軸承的性能參數(shù)如間隙比、寬徑比、軸頸直徑等都需要大量反復計算,才能確定。圖1柴油機4-6S60MC-C (8030曲軸1.2振型相同由于滑動軸承的剛度和阻尼隨轉(zhuǎn)速、載荷大小等變化,因此,在大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),使試驗臺曲軸的振型與實際曲軸的振型完全

9、相同是不可能的,只能在局部轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),使其振型相同,在其它轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),振型盡可能接近或近似相同。剛支形式反映了曲軸轉(zhuǎn)子的固有特性,通過大量計算分析, 可以確定試驗臺轉(zhuǎn)子的大致結(jié)構(gòu)尺寸。文章編號:1001-3997(200804-0118-03第4期-118-2008年4月Machinery Design &Manufacture 機械設計與制造如圖2圖5所示,分別為柴油機曲軸和試驗臺曲軸的前兩階剛支振型。在實際設計時,計算了前十階剛支振型。圖2柴油機曲軸第一階剛支振型圖3試驗臺曲軸第一階剛支振型圖4柴油機曲軸第二階剛支振型圖5試驗臺曲軸第一階剛支振型當使用滑動軸承支承曲軸時,要根據(jù)試驗

10、臺的設計轉(zhuǎn)速、載荷大小確定軸承的性能參數(shù)(主要是寬徑比和間隙比,軸承形式相同,以保證滑動軸承支承條件下,試驗臺曲軸的前5階振型與實際柴油機曲軸的振型相同,高階振型相近。這樣才能滿足在曲軸加工和工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),研究曲軸轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動力學性能的要求。1.3載荷方式相同試驗臺設計額定功率為5.5Kw ,額定轉(zhuǎn)速105r/min ,在(10200r/min 范圍內(nèi),轉(zhuǎn)速可調(diào),采用變頻調(diào)速方式。加載系統(tǒng)由活塞、氣缸體、節(jié)流閥組成,根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)速、連桿長度、活塞直徑、氣缸體內(nèi)氣體排放的速度等參數(shù),可以控制施加在活塞上的載荷大小;根據(jù)試驗要求,可以用節(jié)流閥調(diào)節(jié)載荷大小和載荷的變化規(guī)律,而且,根據(jù)試驗需要,每

11、一個活塞上的載荷大小和變化規(guī)律可以不同,以模擬實際系統(tǒng)存在的載荷不均勻問題。通過壓力傳感器,可以測量出實際施加在活塞上的載荷,進一步就可以計算出活塞上的載荷大小。柴油機的功率流向為:柴油燃燒引起氣體壓力急劇上升,推動活塞運動,活塞通過連桿推動曲軸旋轉(zhuǎn),曲軸通過端部聯(lián)軸器將功率輸送出去。試驗臺的功率流向為:電動機通過減速器減速增力后,由聯(lián)軸器帶動曲軸旋轉(zhuǎn),曲軸軸頸通過連桿推動活塞做往復運動,從而壓縮氣缸體中的空氣,使空氣壓力增大,在活塞上產(chǎn)生阻力。雖然試驗臺與柴油機的功率流向不同,但就曲軸、滑動軸承承受的載荷而言,沒有區(qū)別,因此,其動力學性能具有可比性或相似性。通過調(diào)整壓縮比可以改變氣缸體中的最

12、大壓力,從而改變載荷的大小。通過改變氣缸體外接節(jié)流閥的開度,也可以改變載荷的大小,同時還可以改變載荷的變化方式。2液壓潤滑系統(tǒng)液壓系統(tǒng)原理圖,如圖6所示,由油泵、減壓閥、溢流閥、截止閥、油管、油箱、過濾器及分配器等部分組成,用于向滑動軸承提供具有一定壓力和流量的液壓油,使滑動軸承在試驗轉(zhuǎn)速下,建立良好的動壓油膜,滿足滑動軸承的工作要求。同時向活塞、連桿軸頸、活塞銷等部位提供潤滑油。液壓系統(tǒng)的流量和壓力可根據(jù)需要進行調(diào)整。 圖6液壓系統(tǒng)原理圖液壓系統(tǒng)工作時,油泵通過濾油網(wǎng)將潤滑油送至濾油器進一步過濾;在濾油器的出口安裝有壓力表和溢流閥,用于觀察油壓和調(diào)整油壓;壓力調(diào)整好以后,壓力恒定的潤滑油通過

13、分配器分別送至動壓滑動軸承和需要潤滑的運動副處;使用后的潤滑油流落到箱體底部,同時也將運動副處由于摩擦產(chǎn)生的熱量帶走,通過回油管上的磁性濾油器過濾后,將摩擦副產(chǎn)生的鐵屑過濾掉,再回到油箱,以形成液壓循環(huán)系統(tǒng)。由于無高溫燃燒過程,所以,不需要強制冷卻。試驗臺的開式結(jié)構(gòu)、金屬之間的熱傳導、潤滑油均有利于散熱,當連續(xù)工作時,試驗臺溫度不至于上升太高。3測試與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)系統(tǒng),如圖7所示,由渦流傳感器、壓力傳感器、前置功率放大器、電纜線、數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換板、數(shù)據(jù)采集與分析軟件、計算機等組成。M分配器溢流閥空氣濾清器液位計壓力表濾油器電動機濾油網(wǎng)球閥油泵URES(m 7.878e-0037.275

14、e-0036.614e-0035.981e-0034.717e-0034.085e-0033.453e-0032.821e-0032.189e-0031.557e-0039.247e-0042.926e-004URES(m 2.353e-0012.157e-0011.761e-0011.765e-0011.569e-0011.372e-0011.175e-0019.804e-0027.843e-0025.882e-0023.921e-0021.351e-0022.922e-008URES(m 5.918e-0035.426e-0034.934e-0034.441e-0033.949e-0033

15、.456e-0032.964e-0032.471e-0031.979e-0031.487e-0039.943e-0045.019e-0049.484e-006URES(m 1.789e-0011.141e-001e-001e-0011.195e-0011.045e-0018.972e-0017.485e-0025.999e-0024.512e-0023.025e-0021.538e-0025.139e-004第4期-119-張青雷等:船用柴油機曲軸轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動力學試驗臺的研制*由于曲軸屬于回轉(zhuǎn)零件,無法安裝接觸式傳感器,因此,只能在滑動軸承軸頸附近,安裝相互垂直的渦流傳感器,用以測量曲軸軸

16、頸在相互垂直方向上的振動位移,合成后,可以得到軸頸中心的運動軌跡,了解曲軸的運動規(guī)律;壓力傳感器用于拾取六個氣缸內(nèi)部的壓力信號。對渦流傳感器和壓力傳感器拾取的信號進行在線采集、存儲后,可用于將來進一步進行動力學分析、載荷變化規(guī)律分析與控制,當然,也可以在線顯示時間域的振動信號和壓力信號。圖7測試系統(tǒng)原理圖數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)由計算機、數(shù)據(jù)采集板及相關的專用軟件組成,以VB 為開發(fā)平臺。根據(jù)動力學理論編制的振動性能分析軟件,其主要功能包括:時間響應分析、頻譜分析、軸心軌跡分析、相位分析、數(shù)據(jù)儲存與調(diào)用、變換不同通道的數(shù)據(jù)顯示內(nèi)容、設置采樣頻率和采樣數(shù)據(jù)長度等;軟件也可以根據(jù)加載系統(tǒng)壓力傳感器拾取的載

17、荷信號,進行載荷分析,用以計算施加在不同活塞上的載荷大小及變化規(guī)律。該軟件與控制系統(tǒng)配合,通過向變頻器輸出控制信號,還可以控制電動機的轉(zhuǎn)速、啟動、停止,控制與節(jié)流閥安裝在一起的電磁閥的開閉狀態(tài),以控制氣缸內(nèi)氣體的排放規(guī)律,從而控制載荷的施加方式。該系統(tǒng)還設計有安全保護措施,根據(jù)設定的最大氣缸內(nèi)壓力和每個測量點的最大振幅,當振動異常、壓力異常時,可及時停機,以保證人身和設備安全。4試驗臺功能根據(jù)上述過程設計的曲軸轉(zhuǎn)子-滑動軸承系統(tǒng)動力學試驗臺,如圖8所示,可進行各種各樣的動力學試驗研究。圖8曲軸轉(zhuǎn)子-滑動軸承系統(tǒng)試驗臺4.1空載試驗(1從靜止狀態(tài)到工作轉(zhuǎn)速、或120%工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),不同轉(zhuǎn)速下的

18、動力學響應分析,包括時間響應、頻譜分析、軸向軌跡分析等。(2研究曲軸轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)固有頻率的變化規(guī)律。(3振幅-頻率特性研究,可以發(fā)現(xiàn)在不同載荷、不同轉(zhuǎn)速下,曲軸振幅隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律,全面了解曲軸轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)對外界激勵的響應特性。4.2載荷試驗(1給定不同載荷,從靜止狀態(tài)到工作轉(zhuǎn)速、或120%工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),不同轉(zhuǎn)速下的動力學響應分析,包括時間響應、頻譜分析、軸心軌跡分析等。(2研究曲軸轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)固有頻率隨轉(zhuǎn)速和載荷的變化規(guī)律。(3振幅-頻率特性。可以研究在不同載荷、不同轉(zhuǎn)速下,曲軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動、彎曲振動、軸向振動或者耦合振動時的振幅隨載荷和轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律,全面了解曲軸轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)對外界激勵、轉(zhuǎn)速、載荷變化等因素的響應特性。4.3載荷變化試驗無論是柴油機,還是蒸汽機、