柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡課件

1、2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡1船舶柴油機(jī)Marine diesel engine主講：余永華Email:2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡2Chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡Vibration and Balance of Diesel Engine概述往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件往復(fù)慣性力回轉(zhuǎn)慣性力氣缸壓力變化輸出扭矩脈動(dòng)螺旋槳徑向和周向不均勻的三維伴流交變的軸向和橫向推力振動(dòng)激勵(lì)源(Excitation source)2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡3Chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡Vibration

2、 and Balance of Diesel Engine 11.1 柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)Dynamics of diesel engine11.2 柴油機(jī)平衡Balance of diesel engine11.3 軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和減振Torsional vibration and absorbing11.4 軸系縱向振動(dòng)和減振Axial vibration and absorbing2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡411.1 柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)一、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)1活塞位移2活塞速度和加速度3連桿運(yùn)動(dòng)二、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)1氣體力2往復(fù)慣性力3離心力4連桿替代系統(tǒng)三、曲柄連

3、桿機(jī)構(gòu)的作用力分析 2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡5一、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng) 1 活塞位移位移的精確公式位移的傅里葉級(jí)數(shù)公式活塞位移的近似公式2 活塞速度和加速度3 連桿運(yùn)動(dòng)連桿角位移近似公式連桿角速度近似公式連桿角加速近似公式2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡611.1 柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)位移的精確公式2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡711.1 柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡811.1 柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)2 活塞速度和加速度活塞的運(yùn)動(dòng)速度是位移對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)：對(duì)上式取微分則得活塞加速度的

4、近似公式： 2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡911.1 柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)分析活塞運(yùn)動(dòng)可以看出：上止點(diǎn)時(shí)：位移為零，速度為零，加速度最大，方向?yàn)檎?；下止點(diǎn)時(shí)：位移最大，速度為零，加速度比上止點(diǎn)小，方向?yàn)樨?fù)；非中間位置：行程中央，活塞速度最大，加速度為零。可近似看成兩次曲柄的合成2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡1011.1 柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)3.連桿的運(yùn)動(dòng)連桿角位移的精確公式 連桿角速度近似公式 連桿角加速度近似公式 忽略 項(xiàng)的影響，可得極大值的近似計(jì)算公式為：從上述公式可看出：=0/ 180 （上/下止點(diǎn)）時(shí)達(dá)到極值，連桿擺動(dòng)角速度最大，其大小相等，方向

5、相反。當(dāng)曲柄的轉(zhuǎn)角為90和270時(shí)，連桿的擺動(dòng)角位移的絕對(duì)值達(dá)到最大。 連桿最大擺角、最大角速度及最大角加速度均不大 2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡1111.1 柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)一、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)1活塞位移2活塞速度和加速度3連桿運(yùn)動(dòng)二、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用力（一）曲柄連桿機(jī)構(gòu)的氣體力和慣性力1氣體力2往復(fù)慣性力 3離心力 4連桿替代系統(tǒng)（二）柴油機(jī)的輸出力矩和傾覆力矩2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡1211.1 柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)二、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用力氣體力往復(fù)慣性力回轉(zhuǎn)慣性力重力柴油機(jī)力源 (很小不考慮)2022/7/24chapter 11

6、 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡132022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡1411.1 柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)二、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用力 （一）曲柄連桿機(jī)構(gòu)的氣體力和慣性力 1氣體力 2往復(fù)慣性力 1）往復(fù)慣性力傳遞 2）往復(fù)慣性力計(jì)算 （1）一次往復(fù)慣性力 （2）二次往復(fù)慣性力 3 離心力 4 連桿替代系統(tǒng) （二）柴油機(jī)的輸出力矩和傾覆力矩2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡1511.1 柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)1氣體力顛覆力矩2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡1611.1 柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)2.往復(fù)慣性力 1)傳遞結(jié)論：1、在主軸承上存在Pj，將引起柴油機(jī)上下振動(dòng)；

7、2、對(duì)氣體壓力產(chǎn)生的有一定的抵消作用3、對(duì)輸出力矩影響不大。4、顛覆力矩與輸出力矩大小相等、方面相反2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡1711.1 柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)2.往復(fù)慣性力 2)計(jì)算一次往復(fù)慣性力二次往復(fù)慣性力2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡1811.1 柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)3.離心（回轉(zhuǎn)）慣性力與向心加速度的方向相反引起機(jī)體上下左右振動(dòng)2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡1911.1 柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)4.運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量代換替代原則：1、總質(zhì)量相等2、重心位置不變3、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與

8、平衡2011.1 柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)三、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用力分析-合力圖9-1-5 活塞上的作用力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化 二沖程連桿始終受壓，四沖程在換氣上止點(diǎn)附近受拉2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡2111.1 柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)三、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用力分析-側(cè)推力與連桿推力側(cè)推力的大小交變，作用在十字頭導(dǎo)板或氣缸壁上。連桿推力的數(shù)值大小交變，作用在曲柄銷(xiāo)上，而方向是否交變則取決于合力的方向。 2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡2211.1 柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)三、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用力分析-切向力和徑向力切向力向外輸出的動(dòng)力矩的力源法向力軸系形成縱振的激振力源2022

9、/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡2311.1 柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)圖9-1-7 柴油機(jī)切向力曲線圖9-1-8 柴油機(jī)的回轉(zhuǎn)不均勻度 三、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用力分析2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡24Chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡Vibration and Balance of Diesel Engine 11.1 柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)Dynamics of diesel engine11.2 柴油機(jī)平衡Balance of diesel engine11.3 軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和減振Torsional vibration and absorbing11.4 軸系縱

10、向振動(dòng)和減振Axial vibration and absorbing2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡2511.2 柴油機(jī)平衡一、柴油機(jī)振動(dòng)概述氣體壓力上下抵消，不對(duì)外起作用顛覆力矩柴油機(jī)上下跳動(dòng)顛覆力矩柴油機(jī)上下跳動(dòng)柴油機(jī)左右搖晃2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡2611.2 柴油機(jī)平衡 一、單缸柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡（一）單缸柴油機(jī)的振動(dòng)力源（二）單缸柴油機(jī)的平衡二、多缸柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡（一）多缸柴油機(jī)的振動(dòng)力源（二）多缸柴油機(jī)的平衡2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡2711.2 柴油機(jī)平衡一、單缸柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡

11、（一）單缸柴油機(jī)的振動(dòng)力源 1 離心慣性力Pr 2 往復(fù)慣性力Pj 3 連桿力偶Mc 4 顛覆力矩MD （二）單缸柴油機(jī)的平衡 1 單缸柴油機(jī)的離心慣性力平衡 2 單缸柴油機(jī)往復(fù)慣性力的平衡 3 顛覆力矩平衡 4 連桿力偶平衡2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡2811.2 柴油機(jī)平衡1 離心慣性力Pr作用于主軸承上，方向沿曲柄半徑始終向外，并隨曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而方向發(fā)生變化。因而，回轉(zhuǎn)慣性力使柴油機(jī)產(chǎn)生上下、左右方向的振動(dòng)。 2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡2911.2 柴油機(jī)平衡2 往復(fù)慣性力Pj振動(dòng)頻率振動(dòng)頻率2022/7/24chapter 1

12、1 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡3011.2 柴油機(jī)平衡 3連桿力偶連桿力偶是一個(gè)使柴油機(jī)在橫向發(fā)生搖動(dòng)的振動(dòng)力源，其數(shù)值很小，一般忽略2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡3111.2 柴油機(jī)平衡4顛覆力矩是曲軸輸出力矩的反力矩，內(nèi)部不能平衡；是柴油機(jī)最重要的振動(dòng)力源；使柴油機(jī)產(chǎn)生搖擺性(橫向振動(dòng))由多諧次合成，使柴油機(jī)裝置產(chǎn)生錯(cuò)綜復(fù)雜的振動(dòng)2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡3211.2 柴油機(jī)平衡二、單缸柴油機(jī)的平衡1離心(回轉(zhuǎn))慣性力平衡平衡重，產(chǎn)生大小相等方向相反的力2.往復(fù)慣性力的平衡正反轉(zhuǎn)平衡輪系法3顛覆力矩平衡由固定機(jī)座的地腳螺栓來(lái)承受4.連桿力

13、偶平衡一般可忽略而不采取平衡措施 平衡往復(fù)慣性力原理示意圖 2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡3311.2 柴油機(jī)平衡 三、多缸柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡 （一）多缸柴油機(jī)的振動(dòng)力源 1 合成離心力及合成離心力矩 2 合成往復(fù)慣性力及合成往復(fù)慣性力矩 3 顛覆力矩合力矩和連桿力偶合力矩 （二）多缸柴油機(jī)的平衡 1 外部平衡與內(nèi)部平衡 2 離心力及離心力矩的平衡 3 一次和二次往復(fù)慣性力及慣性力矩的平衡 4 總顛覆力矩的平衡 2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡3411.2 柴油機(jī)平衡 （一）多缸柴油機(jī)的振動(dòng)力源 1 合成離心力及合成離心力矩 1）合成離心力

14、 2）合成離心力矩 2 合成往復(fù)慣性力及合成往復(fù)慣性力矩 1）合成往復(fù)慣性力 （1）合成一次往復(fù)慣性力 （2）合成二次往復(fù)慣性力 2）合成往復(fù)慣性力矩 （1）合成一次往復(fù)慣性力矩 （2）合成二次往復(fù)慣性力矩 3 顛覆力矩合力矩和連桿力偶合力矩2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡3511.2 柴油機(jī)平衡三缸機(jī)離心力和往復(fù)慣力的空間力系圖2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡3611.2 柴油機(jī)平衡多缸柴油機(jī)的振動(dòng)力源1.合成離心力多缸自相平衡，不會(huì)造成柴油機(jī)的振動(dòng)2.合成往復(fù)慣性力（離心力在氣缸中心線的投影）一次往復(fù)慣性力也是自相平衡的。 若二次曲柄排列

15、圖是均勻的，則合成的二次往復(fù)慣性力也為零。3.合成的離心力矩 大小不變，與第一缸曲柄保持固定的夾角，隨同曲軸一起回轉(zhuǎn)4.合成往復(fù)慣性力矩（只分布在氣缸中心線平面內(nèi)）離心力矩平衡則一次往復(fù)慣性力矩也是平衡的5.顛覆力矩合力矩 柴油機(jī)輸出扭矩的“反扭矩”，與柴油機(jī)的缸數(shù)有關(guān) 6.連桿力偶合力矩 大多為零，對(duì)柴油機(jī)振動(dòng)的影響很小，一般可忽略不計(jì)2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡3711.2 柴油機(jī)平衡小結(jié)柴油機(jī)不平衡力和力矩是由柴油機(jī)的氣體力與柴油機(jī)慣性力，以及這些力產(chǎn)生的力矩引起。其激勵(lì)頻率與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)。1次和2次不平衡力和力矩的大小，與柴油機(jī)缸數(shù)、發(fā)火順序等有關(guān)。不平

16、衡力，可通過(guò)改變柴油機(jī)發(fā)火次序使之為零，因此主要對(duì)存在的不平衡力矩予以控制.2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡3811.2 柴油機(jī)平衡（二）多缸柴油機(jī)的平衡單位功率不平衡力矩值 （(Power Related Unbalance ）60Nm/KW200Nm/KW可不安平衡補(bǔ)償裝置 必須安裝平衡補(bǔ)償裝置 視具體情況進(jìn)一步分析 2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡3911.2 柴油機(jī)平衡1外部平衡與內(nèi)部平衡如采用適當(dāng)?shù)那帕?，使柴油機(jī)對(duì)機(jī)體外的作用力與力矩都等于零，稱柴油機(jī)達(dá)到了“外部平衡”，也就是達(dá)到了機(jī)體減振的目的。 把考慮機(jī)身內(nèi)部受力情況的平衡

17、稱為柴油機(jī)的“內(nèi)部平衡”。使曲軸所受的最大彎矩限制在安全范圍內(nèi)的平衡措施，即為內(nèi)部平衡。 2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡4011.2 柴油機(jī)平衡2.離心力及離心力矩的平衡不平衡合成離心力矩的平衡方法：各缸平衡法：機(jī)身和曲軸受力最佳，但平衡重塊多，重量較大分段平衡法：將曲軸分段平衡，折衷方案，平衡不徹底整體平衡法：在曲軸首尾平衡，曲軸的重量輕，但內(nèi)部平衡不好不規(guī)則平衡法：挑選若干個(gè)曲柄上安裝平衡塊 2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡4111.2 柴油機(jī)平衡3.一次和二次往復(fù)慣性力及慣性力矩的平衡“正反轉(zhuǎn)平衡輪系”平衡法：雙軸平衡裝置首尾齒輪傳動(dòng)式平衡裝置鏈條傳動(dòng)式平衡裝置2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡4211.2 柴油機(jī)平衡2022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡432022/7/24chapter 11 柴油機(jī)的振動(dòng)與平衡4411