第六章柴油機(jī)及軸系振動(dòng)課件

1、船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)1第六章 柴油機(jī)及軸系振動(dòng) 熊振林船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)2簡(jiǎn)諧振動(dòng)的概念一1 1、自由振動(dòng)、自由振動(dòng)l機(jī)械振動(dòng)：機(jī)械振動(dòng)：l物體在一定位置附近所作的來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)稱為機(jī)械振動(dòng)。l簡(jiǎn)諧振動(dòng)：簡(jiǎn)諧振動(dòng)：最簡(jiǎn)單最基本的振動(dòng)就是簡(jiǎn)諧振動(dòng)。一切復(fù)雜的振動(dòng)可看作是若干簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成。l周期周期T T：每隔一固定時(shí)間，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就重復(fù)一次，此固定時(shí)間為周期；l頻率頻率f f：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)。（根據(jù)定義，頻率與周期成反比。）l圓頻率圓頻率1 1：2秒內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)。12f2 / T。l振幅振幅A A：振動(dòng)時(shí)物體偏離平衡位置的最大值。一、概述一、概述船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)3振動(dòng)的概念二振動(dòng)過程：

2、振動(dòng)過程：如圖所示從振動(dòng)的成因分析可知：物體的自由振動(dòng)與其本身的回復(fù)力和物體所具有的慣性有關(guān)。自振頻率1 其他振動(dòng)形式由于回復(fù)力和慣性的形式不同，盡管頻率的表達(dá)式可能不同，但它說明：振動(dòng)系統(tǒng)的頻率完全由該系統(tǒng)本身的各個(gè)參數(shù)決定，因此稱它為固有頻率固有頻率。2 2、阻尼振動(dòng)：、阻尼振動(dòng)：在回復(fù)力和阻力作用下的振動(dòng)。特點(diǎn)：振幅逐漸減小、振動(dòng)頻率變慢（周期延長(zhǎng)）。某些情況為了減振、防振，需加大摩擦阻尼。mk船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)4簡(jiǎn)諧振動(dòng)的概念三3、受迫振動(dòng)與共振、受迫振動(dòng)與共振周期性外力的持續(xù)作用下發(fā)生的振動(dòng)。振動(dòng)引起振幅的大小，不僅與周期性外力的大小外力的大小有關(guān)，而且和外力外力的頻率的頻率和振動(dòng)

3、體的固有頻率振動(dòng)體的固有頻率有關(guān)。當(dāng)外力 的頻率與振動(dòng)體固有頻率接近或相等時(shí)，振動(dòng)引起的振幅會(huì)急劇增大共振。柴油機(jī)的振動(dòng)，實(shí)際上就是受迫振動(dòng)，因此應(yīng)特別關(guān)注柴油機(jī)的振動(dòng)，實(shí)際上就是受迫振動(dòng)，因此應(yīng)特別關(guān)注共振的問題！共振的問題！船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)5一）引起柴油機(jī)及軸系的振動(dòng)力源1、往復(fù)慣性力和力矩；2、回轉(zhuǎn)慣性力和力矩；3、氣缸氣體力和力矩；4、螺旋槳因槳葉有限，造成軸向和周向的振動(dòng)。船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)6二)振動(dòng)的危害及平衡1、振動(dòng)使磨損增加、噪音上升、管理人員的生活及工作條件惡化；2、影響機(jī)器和儀器的正常工作，若共振將引起柴油機(jī)裝置的各種管子、附件等設(shè)備的損壞及柴油機(jī)裝置本身的損壞，以致

4、影響整個(gè)船舶的正常使用，并可能造成威脅船舶安全的后果。 柴油機(jī)平衡：柴油機(jī)平衡：要使柴油機(jī)具有良好的動(dòng)力性能，必須正確分析振動(dòng)力源的特性，采取各種措施，減小、消除振動(dòng)。對(duì)于往復(fù)慣性力源及回轉(zhuǎn)慣性力源，一般采用平衡方法來消除或減小其影響，這種方法稱為柴油機(jī)平衡柴油機(jī)平衡。船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)7第一節(jié) 活塞、連桿的運(yùn)動(dòng)及受力一、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)一、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng) 1、 活塞位移活塞位移x由幾何關(guān)系可得由幾何關(guān)系可得 ：令曲柄半徑與連桿長(zhǎng)度為則有：稱為連桿比，是柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。柴油機(jī)的約為1/51/3。 cosLcosRRLxsinsinLRsinsinLRsinsin)cos( L)c

5、os(R11船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)8根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系有：所以此乃活塞位移的精確公式。 1cossin22222sin1sin1cos22sin11cos1LRx船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)9活塞的位移將 依照二項(xiàng)式定理展開，可得：因?yàn)椋?取值為1/5-1/3。則 以上數(shù)值很小省略。得：此乃活塞位移的近似公式（在工程上已足夠精確）22sin1cos66444322sin21sin21sin211cosLR3)2cos1 (411sin211cos222)cos1 ()cos1 (LRx)2cos1 (4)cos1 (RRx船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)102、活塞的速度、加速度1）速度：將活塞的位移x對(duì)時(shí)間t微分，

6、得活塞的速度v:2）加速度：結(jié)論結(jié)論：活塞速度的變化規(guī)律：活塞速度的變化規(guī)律：上止點(diǎn)時(shí)v0中部v最大下止點(diǎn)v 0中部最大上止點(diǎn)為0，活塞最大速度處于比中點(diǎn)略高一些位置，位置取決于。上、下止點(diǎn)附近因速度為零，無法建立液體動(dòng)力潤(rùn)滑?；钊铀俣鹊淖兓?guī)律：活塞加速度的變化規(guī)律：在上、下止點(diǎn)達(dá)到最大值。在上止點(diǎn)方向朝下；下止點(diǎn)方向朝上。)2sin2(sin Rx )cos(cosRx22 船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)11三、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用力1、氣體力Fg：大?。簆g氣缸中的壓力，變化規(guī)律見pV示功圖方向：缸內(nèi)四周，內(nèi)部平衡。氣體力產(chǎn)生的作用力在柴油機(jī)內(nèi)部平衡，但產(chǎn)生的傾覆力矩氣體力產(chǎn)生的作用力在柴油機(jī)內(nèi)部

7、平衡，但產(chǎn)生的傾覆力矩MDg使使柴油機(jī)擺動(dòng)。柴油機(jī)擺動(dòng)。 24DpFgg船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)12三、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用力2、慣性力、慣性力1）往復(fù)慣性力）往復(fù)慣性力Fj：大?。?方向：與加速度的方向相反，與氣缸中心線平行。在上止點(diǎn)時(shí)向上，下止點(diǎn)時(shí)向下。作用點(diǎn)：簡(jiǎn)化為連桿小端軸承中心。該力使柴油機(jī)上下振動(dòng)，并和氣體力一起形成傾覆力矩。 xmFjj )2cos(cos2Rx 2cos)2(4cos(22RmRmFjjjcos21RmFjj2cos)2(422RmFjj船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)13三、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用力2）離心慣性力FR：大?。悍较颍弘x心向外，隨曲柄旋轉(zhuǎn)。作用線：與曲柄中心線重合。 2

8、RmFRr船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)143、傾覆力矩平衡傾覆力矩是輸出扭矩的反作用力矩，不能平衡。由固定機(jī)座的螺栓來承受。4、連桿力偶平衡通常，由于Mc較小，一般可忽略而不采取平衡措施。船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)15一、單缸機(jī)的平衡1、離心慣性力平衡、離心慣性力平衡 在曲臂上安裝平衡重，使平衡重在回轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的離心力與FR的大小相等而方向相反。 2、往復(fù)慣性力的平衡、往復(fù)慣性力的平衡 將力簡(jiǎn)化成一對(duì)正反轉(zhuǎn)離心力之和，再采用平衡離心力的方法平衡，此措施叫做“正反轉(zhuǎn)平衡輪系法”，來平衡一次及二次往復(fù)慣性力。它們與柴油機(jī)曲軸有一定的正時(shí)關(guān)系：即當(dāng)曲柄處于上止點(diǎn)位置時(shí)，平衡重垂直向下，當(dāng)曲柄處于下止點(diǎn)時(shí)，平衡重應(yīng)轉(zhuǎn)

9、至垂直向上位置。對(duì)于一次慣性力，是使兩個(gè)質(zhì)量m1以角速度作同步反向回轉(zhuǎn)。對(duì)二次慣性力，是使兩個(gè)質(zhì)量m2以角速度2同步反向回轉(zhuǎn)。 船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)16二、多缸柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡 在多缸柴油機(jī)中，由各單缸的平面力系組成了一個(gè)空間力系。因此，除了合成的各種慣住力外，還會(huì)形成各種合成的慣性力矩。如三缸機(jī)受力情況： 船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)17三缸機(jī)的離心力和往復(fù)慣性力船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)18多缸柴油機(jī)可能存在的振動(dòng)力源 （1）合成離心力，（2）合成離心力矩，（3）合成往復(fù)慣性力，（4）合成往復(fù)慣性力矩，（5）總傾覆力矩，（6）總連桿力偶等。 RFRMjFjMDMcM船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)19船舶柴油機(jī)船

10、舶柴油機(jī)20多缸機(jī)的平衡 1、離心力及離心力矩的平衡離心力：在單列多缸柴油機(jī)中，一般多采用均勻分布的曲柄排列方案，因此合成離心力都是自行平衡的。離心力矩：可能存在不平衡的合成離心力矩。 需要平衡的是合成離心力矩船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)21不平衡合成離心力矩的平衡方法： （1）各缸平衡法：）各缸平衡法： 特點(diǎn)：內(nèi)部平衡，外部平衡；但平衡重塊多，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，扭振諧振頻率下降，對(duì)軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)不利。（2）整體平衡法：）整體平衡法： 特點(diǎn)：在曲軸首尾兩個(gè)曲柄上各加一對(duì)方向相反的平衡重塊，消除全部曲柄的合成離心力矩。它的優(yōu)點(diǎn)是曲軸重量最輕，但不能做到內(nèi)部平衡，只能達(dá)到外部平衡（3）分段平衡法：）分段平衡

11、法：將曲軸分成兩段（或數(shù)段），而后分別對(duì)各段所存在的合成不平衡離心力矩采取平衡措施。這是一種折衷方案，平衡不徹底。（4）不規(guī)則平衡法：）不規(guī)則平衡法：與分段平衡法一樣，只是分段不規(guī)則。挑選若干個(gè)曲柄（曲軸自然分段的兩端或能使平衡重塊盡可能接近正放位置的曲柄）配置平衡重塊，最后達(dá)到平衡掉本段合成離心力矩的目的。優(yōu)缺點(diǎn)同分段平衡法。 船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)22低速機(jī)往往采用整體平衡法或分段（不規(guī)則）平衡法。中、高速機(jī)用各缸平衡法。 船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)232、往復(fù)慣性力及慣性力矩的平衡 通常只需平衡慣性力矩，一般只進(jìn)行外部平衡。 船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)24平衡裝置按傳動(dòng)方式的平衡方法 1、雙軸平衡裝置

12、：兩根平衡軸的一端均有齒輪傳動(dòng)，使之產(chǎn)生同步反向轉(zhuǎn)動(dòng)。軸兩端裝有兩個(gè)平衡重，每?jī)蓚€(gè)平衡重的離心力合成一個(gè)垂直方向的作用力，軸兩端作用力的大小相等方向相反。這樣當(dāng)由平衡重形成的力矩與合成往復(fù)慣性力矩的大小相等而方向相反時(shí)，達(dá)到了平衡目的。 船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)25平衡裝置按傳動(dòng)方式的平衡方法2、首尾齒輪傳動(dòng)式平衡裝置：為首尾齒輪傳動(dòng)式平衡裝置。首尾兩端分別用齒輪傳動(dòng)兩個(gè)同步反轉(zhuǎn)的平衡重，以在柴油機(jī)縱剖面內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)平衡合成往復(fù)慣性力矩的平衡力矩。這種平衡裝置多用于大、中型低速及中速柴油機(jī)上。這樣可以省去過長(zhǎng)的平衡軸。 船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)26平衡裝置按傳動(dòng)方式的平衡方法3、鏈條傳動(dòng)式平衡裝置 該平

13、衡裝置實(shí)質(zhì)上與首尾齒輪傳動(dòng)式完全一樣。新型低速柴油機(jī)用以平衡合成一次和二次往復(fù)慣性力矩的正、反轉(zhuǎn)平衡重均由曲軸或凸輪軸通過鏈條傳動(dòng)，這種裝置又稱力矩補(bǔ)償器。 船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)27第三節(jié) 軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和減振 軸系振動(dòng)形式：軸系振動(dòng)形式：有回轉(zhuǎn)（橫向）振動(dòng)、縱向振動(dòng)及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)三種振動(dòng)形式。其中以扭轉(zhuǎn)振動(dòng)最為常見、危害性最大。危害：危害：強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)使軸段疲勞斷裂，軸系附件（連接螺栓、聯(lián)軸節(jié)等）損壞，噴油、氣閥等定時(shí)遭到破壞，從而造成柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性變差。強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)還會(huì)影響柴油機(jī)的平衡性，誘發(fā)軸系產(chǎn)生強(qiáng)烈的回轉(zhuǎn)振動(dòng)和縱向振動(dòng)，加劇柴油機(jī)的噪音。世界各大船級(jí)社的規(guī)范都對(duì)柴油機(jī)軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)制訂了

14、嚴(yán)格的控制條款。 船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)28 一、基本概念一、基本概念1、軸系指柴油機(jī)的曲軸以及與之相連的運(yùn)動(dòng)部件的總成，這些運(yùn)動(dòng)部件包括飛輪、推力盤、短軸、中間軸、尾軸及螺旋槳等。任一實(shí)際軸系均為彈性系統(tǒng)，給以初激勵(lì)扭矩后，若無阻尼存在，便會(huì)產(chǎn)生周期性的扭轉(zhuǎn)彈性變形，即為無阻尼自由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)（簡(jiǎn)稱自由扭振），其振動(dòng)頻率稱為自振頻率或固有頻率。對(duì)既定的軸系，其自振頻率是定值。 給軸系以周期變化的扭矩干擾(激振)力矩，軸系即按干擾力矩的頻率作強(qiáng)迫扭轉(zhuǎn)振動(dòng)（簡(jiǎn)稱強(qiáng)迫扭振）。當(dāng)干擾力矩頻率與軸系自振頻率相同時(shí)，軸系將產(chǎn)生振幅明顯增高的共振。此時(shí)，軸系的轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。 柴油機(jī)氣缸的氣體力及活塞連桿的往

15、復(fù)慣性力作用于曲軸的扭矩始終是周期性變化的。因此，任何一臺(tái)柴油機(jī)裝置的軸系在運(yùn)轉(zhuǎn)中總是存在著扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。 船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)29二、自由扭轉(zhuǎn)振動(dòng) 振動(dòng)的三要素：振幅A、自振頻率e、初相位船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)301、扭擺無阻尼自由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程式式中： 圓盤角位移，rad；e自振圓頻率（又稱固有圓頻率），rad/s； e（K/I）1/2 A 圓盤振幅，rad； 初相位，rad。 K 剛度； I 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自振頻率隨剛度自振頻率隨剛度K K的增大而增大；隨轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大的增大而增大；隨轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大而減小。而減小。)sin(tAe船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)31三、強(qiáng)制扭轉(zhuǎn)振動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速臨界轉(zhuǎn)速可分為主臨界

16、轉(zhuǎn)速與副臨界轉(zhuǎn)速。主臨界轉(zhuǎn)速為主共振的相應(yīng)轉(zhuǎn)速。主共振是由簡(jiǎn)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（稱主諧量）所引起的共振。例如四沖程六缸機(jī)，曲軸每轉(zhuǎn)發(fā)火缸數(shù)為3，則主諧量的=3、6、9，它們引起主共振，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速即為主臨界轉(zhuǎn)速。在主臨界轉(zhuǎn)速，各缸激振力矩方向相同，它將激起強(qiáng)烈的扭振，在常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)應(yīng)該避開。副臨界轉(zhuǎn)速為主臨界轉(zhuǎn)速以外的所有臨界轉(zhuǎn)速 船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)32四、減振和避振 船舶柴油機(jī)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的減振和避振，主要從以下幾個(gè)方面著手：減少扭轉(zhuǎn)振動(dòng)輸入能量、調(diào)整系統(tǒng)自振頻率、設(shè)置轉(zhuǎn)速禁區(qū)及配置減振器。 船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)331減少簡(jiǎn)諧激勵(lì)力矩的輸入功 在柴油機(jī)設(shè)計(jì)階段，通常通

17、過下面幾個(gè)途徑來減小激勵(lì)力矩的輸入：1）改變發(fā)火順序）改變發(fā)火順序?qū)τ谥绷惺讲裼蜋C(jī)，改變發(fā)火順序可使副臨界轉(zhuǎn)速變動(dòng)而避開常用轉(zhuǎn)速范圍，但不影響主臨界轉(zhuǎn)速。2）改變振型）改變振型如在曲軸自由端或中間軸的雙節(jié)點(diǎn)振幅較大處裝設(shè)副飛輪，可使軸系的頻率和振型發(fā)生變化，使臨界轉(zhuǎn)速離開常用轉(zhuǎn)速范圍，還可使扭振振幅減小。如調(diào)整主機(jī)飛輪慣量，可改變曲軸中節(jié)點(diǎn)位置，減小主諧量對(duì)軸系的激振能量。3）合理選擇槳葉安裝位置）合理選擇槳葉安裝位置合理選擇螺旋槳槳葉安裝位置，可以減小其激振能，同時(shí)注意不使用與柴油機(jī)主諧量相同的槳葉葉數(shù)。 船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)342調(diào)整系統(tǒng)自振頻率調(diào)整系統(tǒng)自振頻率通過改變軸系的自振頻率，將軸

18、系臨界轉(zhuǎn)速移到柴油機(jī)工作傳速范圍之外。調(diào)整系統(tǒng)自振頻率有以下幾種方法：1）改變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）改變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加使自振頻率降低；I減小使自振頻率提高。通過I的改變，將臨界轉(zhuǎn)速移出常用轉(zhuǎn)速范圍。如加大飛輪和加裝副飛輪來降低軸系的自振頻率，而實(shí)現(xiàn)避振的目的。（改變系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以改變大振幅處的I值最有效。）2）改變軸段剛度）改變軸段剛度增加軸段K可使自振頻率提高。加粗軸段直徑或縮短中間軸，都能使臨界轉(zhuǎn)速超出額定轉(zhuǎn)速而達(dá)避振目的。增大軸徑可以提高自振頻率，降低軸段扭振應(yīng)力。而增加氣缸數(shù)或加長(zhǎng)中間軸，又能使臨界轉(zhuǎn)速低于常用轉(zhuǎn)速，甚至低于最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。改變軸段的剛度以改變節(jié)點(diǎn)附近的軸段剛度較為有效。3）加裝彈性聯(lián)軸節(jié)）加裝彈性聯(lián)軸節(jié)在軸系中加裝高彈性聯(lián)軸節(jié)，既可降低軸系的自振頻率，又可以產(chǎn)生阻尼使振幅減小。可以緩和齒輪箱的沖擊。它既是聯(lián)軸節(jié)，又是減振器。船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)35 3設(shè)置轉(zhuǎn)速禁區(qū)設(shè)置轉(zhuǎn)速禁區(qū)在管理上使曲軸工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速，為此設(shè)立轉(zhuǎn)速禁區(qū)，要求在變速時(shí)快速通過。此法主要應(yīng)用于大型低速柴油機(jī)。 船舶柴油機(jī)船舶柴油機(jī)36 4配置減振器配置減振器在實(shí)施上述措施后，仍不能理想地解決扭振問題時(shí)，則常