第六章柴油机及轴系振动

1、船舶柴油机船舶柴油机 1 第六章 柴油机及轴系振动 熊振林 船舶柴油机船舶柴油机 2 简谐振动的概念一 1 1、自由振动、自由振动 l机械振动：机械振动： l物体在一定位置附近所作的来回往复运动称为机械振动。 l简谐振动：简谐振动：最简单最基本的振动就是简谐振动。一切复杂的振动可看 作是若干简谐振动的合成。 l周期周期T T：每隔一固定时间，运动状态就重复一次，此固定时间为周期 ； l频率频率f f：单位时间内振动的次数。（根据定义，频率与周期成反比。 ） l圆频率圆频率1 1：2秒内振动的次数。12f2 / T。 l振幅振幅A A：振动时物体偏离平衡位置的最大值。 一、概述一、概述 船舶柴油

2、机船舶柴油机 3 振动的概念二 振动过程：振动过程：如图所示 从振动的成因分析可知：物体的自由振动与其本身的回复力和物体 所具有的惯性有关。 自振频率1 其他振动形式由于回复力和惯性的形式不同，尽管频率的表达式 可能不同，但它说明：振动系统的频率完全由该系统本身的各个参 数决定，因此称它为固有频率固有频率。 2 2、阻尼振动：、阻尼振动：在回复力和阻力作用下的振动。 特点：振幅逐渐减小、振动频率变慢（周期延长）。 某些情况为了减振、防振，需加大摩擦阻尼。 m k 船舶柴油机船舶柴油机 4简谐振动的概念三 3、受迫振动与共振、受迫振动与共振 周期性外力的持续作用下发生的振动。 振动引起振幅的大小

3、，不仅与周期性外力的大小外力的大小有关，而且和外力外力 的频率的频率和振动体的固有频率振动体的固有频率有关。 当外力 的频率与振动体固有频率接近或相等时，振动引起的振幅会 急剧增大共振。 柴油机的振动，实际上就是受迫振动，因此应特别关注柴油机的振动，实际上就是受迫振动，因此应特别关注 共振的问题！共振的问题！ 船舶柴油机船舶柴油机 5 一）引起柴油机及轴系的振动力源 1、往复惯性力和力矩； 2、回转惯性力和力矩； 3、气缸气体力和力矩； 4、螺旋桨因桨叶有限，造成轴向和周向的振动。 船舶柴油机船舶柴油机 6 二)振动的危害及平衡 1、振动使磨损增加、噪音上升、管理人员的生活及工作条件恶化； 2

4、、影响机器和仪器的正常工作，若共振将引起柴油机装置的各种管 子、附件等设备的损坏及柴油机装置本身的损坏，以致影响整个 船舶的正常使用，并可能造成威胁船舶安全的后果。 柴油机平衡：柴油机平衡： 要使柴油机具有良好的动力性能，必须正确分析振动力源的特性 ，采取各种措施，减小、消除振动。对于往复惯性力源及回转惯 性力源，一般采用平衡方法来消除或减小其影响，这种方法称为 柴油机平衡柴油机平衡。 船舶柴油机船舶柴油机 7 第一节 活塞、连杆的运动及受力 一、曲柄连杆机构的运动一、曲柄连杆机构的运动 1、 活塞位移活塞位移x 由几何关系可得由几何关系可得 ： 令曲柄半径与连杆长度为 则有： 称为连杆比，是

5、柴油机的基本结构参 数。柴油机的约为1/51/3。 cosLcosRRLx sinsinLR sin sin L R sinsin )cos( L)cos(R11 船舶柴油机船舶柴油机 8 根据三角函数关系 有： 所以 此乃活塞位移的精确公式。 1cossin 22 222 sin1sin1cos 22 sin11cos1LRx 船舶柴油机船舶柴油机 9 活塞的位移 将 依照二项式定理展开，可得： 因为： 取值为1/5-1/3。则 以上数值很小省略。 得： 此乃活塞位移的近似公式（在工程上已足够精确） 22 sin1cos 66 4 44 3 22 sin 2 1 sin 2 1 sin 2

6、1 1cos L R 3 )2cos1 ( 4 1 1sin 2 1 1cos 222 )cos1 ()cos1 (LRx )2cos1 ( 4 )cos1 ( R Rx 船舶柴油机船舶柴油机 10 2、活塞的速度、加速度 1）速度：将活塞的位移x对时间t微分，得活塞的速度v: 2）加速度： 结论结论： 活塞速度的变化规律：活塞速度的变化规律： 上止点时v0中部v最大下止点v 0中部最大上止点为0，活塞 最大速度处于比中点略高一些位置，位置取决于。上、下止点附近因速 度为零，无法建立液体动力润滑。 活塞加速度的变化规律：活塞加速度的变化规律： 在上、下止点达到最大值。在上止点方向朝下；下止点方

7、向朝上。 )2sin 2 (sin R x )cos(cosRx2 2 船舶柴油机船舶柴油机 11 三、曲柄连杆机构的作用力 1、气体力Fg： 大小： pg气缸中的压力，变化规律见pV示功图 方向：缸内四周，内部平衡。 气体力产生的作用力在柴油机内部平衡，但产生的倾覆力矩气体力产生的作用力在柴油机内部平衡，但产生的倾覆力矩MDg使使 柴油机摆动。柴油机摆动。 2 4 DpF gg 船舶柴油机船舶柴油机 12 三、曲柄连杆机构的作用力 2、惯性力、惯性力 1）往复惯性力）往复惯性力Fj： 大小： 方向：与加速度的方向相反，与气缸中心线平行。在上止点时向上， 下止点时向下。 作用点：简化为连杆小端

8、轴承中心。 该力使柴油机上下振动，并和气体力一起形成倾覆力矩。 xmF jj )2cos(cos 2 R x 2cos)2( 4 cos( 22 R mRmF jjj cos 2 1 RmF jj 2cos)2( 4 2 2 R mF jj 船舶柴油机船舶柴油机 13 三、曲柄连杆机构的作用力 2）离心惯性力FR： 大小： 方向：离心向外，随曲柄旋转。 作用线：与曲柄中心线重合。 2 RmF Rr 船舶柴油机船舶柴油机 14 3、倾覆力矩平衡 倾覆力矩是输出扭矩的反作用力矩，不能平衡。 由固定机座的螺栓来承受。 4、连杆力偶平衡 通常，由于Mc较小，一般可忽略而不采取平衡措 施。 船舶柴油机船

9、舶柴油机 15 一、单缸机的平衡 1、离心惯性力平衡、离心惯性力平衡 在曲臂上安装平衡重，使平衡重在回转中产生 的离心力与FR的大小相等而方向相反。 2、往复惯性力的平衡、往复惯性力的平衡 将力简化成一对正反转离心力之和，再采用平 衡离心力的方法平衡，此措施叫做“正反转 平衡轮系法”，来平衡一次及二次往复惯性 力。 它们与柴油机曲轴有一定的正时关系：即当 曲柄处于上止点位置时，平衡重垂直向下， 当曲柄处于下止点时，平衡重应转至垂直向 上位置。 对于一次惯性力，是使两个质量m1以角速度 作同步反向回转。对二次惯性力，是使两个 质量m2以角速度2同步反向回转。 船舶柴油机船舶柴油机 16 二、多缸

10、柴油机的振动与平衡 在多缸柴油机中，由各单缸的平面力系组成了一个空间 力系。因此，除了合成的各种惯住力外，还会形成各种 合成的惯性力矩。如三缸机受力情况： 船舶柴油机船舶柴油机 17 三缸机的离心力和往复惯性力 船舶柴油机船舶柴油机 18 多缸柴油机可能存在的振动力源 （1）合成离心力， （2）合成离心力矩， （3）合成往复惯性力， （4）合成往复惯性力矩， （5）总倾覆力矩， （6）总连杆力偶等。 R F R M j F j M D M c M 船舶柴油机船舶柴油机 19 船舶柴油机船舶柴油机 20 多缸机的平衡 1、离心力及离心力矩的平衡 离心力：在单列多缸柴油机中，一般多采用均匀分布的

11、曲柄排列方案，因此合成离心力都是自行平衡的。 离心力矩：可能存在不平衡的合成离心力矩。 需要平衡的是合成离心力矩 船舶柴油机船舶柴油机 21 不平衡合成离心力矩的平衡方法： （1）各缸平衡法：）各缸平衡法： 特点：内部平衡，外部平衡；但平衡重块多， 曲轴转动惯量大，扭振谐振频率下降，对轴 系的扭转振动不利。 （2）整体平衡法：）整体平衡法： 特点：在曲轴首尾两个曲柄上各加一对方向相反 的平衡重块，消除全部曲柄的合成离心力矩 。它的优点是曲轴重量最轻，但不能做到内 部平衡，只能达到外部平衡 （3）分段平衡法：）分段平衡法：将曲轴分成两段（或数段）， 而后分别对各段所存在的合成不平衡离心力 矩采取

12、平衡措施。这是一种折衷方案，平衡 不彻底。 （4）不规则平衡法：）不规则平衡法：与分段平衡法一样，只是分 段不规则。挑选若干个曲柄（曲轴自然分段 的两端或能使平衡重块尽可能接近正放位置 的曲柄）配置平衡重块，最后达到平衡掉本 段合成离心力矩的目的。优缺点同分段平衡 法。 船舶柴油机船舶柴油机 22 低速机往往采用整体平衡法或分段（不规则）平 衡法。中、高速机用各缸平衡法。 船舶柴油机船舶柴油机 23 2、往复惯性力及惯性力矩的平衡 通常只需平衡惯性力矩，一般只进行外部平衡。 船舶柴油机船舶柴油机 24 平衡装置按传动方式的平衡方法 1、双轴平衡装置：两根平衡轴的一端均有齿轮传动，使之产生同步反

13、向 转动。轴两端装有两个平衡重，每两个平衡重的离心力合成一个垂 直方向的作用力，轴两端作用力的大小相等方向相反。这样当由平 衡重形成的力矩与合成往复惯性力矩的大小相等而方向相反时，达 到了平衡目的。 船舶柴油机船舶柴油机 25 平衡装置按传动方式的平衡方法 2、首尾齿轮传动式平衡装置：为首尾齿轮传动式平衡装置 。首尾两端分别用齿轮传动两个同步反转的平衡重，以 在柴油机纵剖面内产生一个平衡合成往复惯性力矩的平 衡力矩。这种平衡装置多用于大、中型低速及中速柴油 机上。这样可以省去过长的平衡轴。 船舶柴油机船舶柴油机 26 平衡装置按传动方式的平衡方法 3、链条传动式平衡装置 该平衡装置实质上与首

14、尾齿轮传动式完全一样 。新型低速柴油机用以 平衡合成一次和二次往 复惯性力矩的正、反转 平衡重均由曲轴或凸轮 轴通过链条传动，这种 装置又称力矩补偿器。 船舶柴油机船舶柴油机 27 第三节 轴系扭转振动和减振 轴系振动形式：轴系振动形式： 有回转（横向）振动、纵向振动及扭转振动三种振动形式。其中以 扭转振动最为常见、危害性最大。 危害：危害： 强烈的扭转振动会使轴段疲劳断裂，轴系附件（连接螺栓、联轴节 等）损坏，喷油、气阀等定时遭到破坏，从而造成柴油机经济性变 差。强烈的扭转振动还会影响柴油机的平衡性，诱发轴系产生强烈 的回转振动和纵向振动，加剧柴油机的噪音。 世界各大船级社的规范都对柴油机轴

15、系扭转振动制订了严格的控制 条款。 船舶柴油机船舶柴油机 28 一、基本概念一、基本概念 1、轴系指柴油机的曲轴以及与之相连的运动部件的总成，这 些运动部件包括飞轮、推力盘、短轴、中间轴、尾轴及螺 旋桨等。 任一实际轴系均为弹性系统，给以初激励扭矩后，若无阻 尼存在，便会产生周期性的扭转弹性变形，即为无阻尼自 由扭转振动（简称自由扭振），其振动频率称为自振频率 或固有频率。对既定的轴系，其自振频率是定值。 给轴系以周期变化的扭矩干扰(激振)力矩，轴系即 按干扰力矩的频率作强迫扭转振动（简称强迫扭振）。当 干扰力矩频率与轴系自振频率相同时，轴系将产生振幅明 显增高的共振。此时，轴系的转速称为临界

16、转速。 柴油机气缸的气体力及活塞连杆的往复惯性力作用于曲 轴的扭矩始终是周期性变化的。因此，任何一台柴油机装 置的轴系在运转中总是存在着扭转振动。 船舶柴油机船舶柴油机 29 二、自由扭转振动 振动的三要素：振幅A、自振频率e、初相位 船舶柴油机船舶柴油机 30 1、扭摆无阻尼自由扭转振动 运动方程式 式中： 圆盘角位移，rad； e自振圆频率（又称固有圆频率），rad/s； e（ K/I）1/2 A 圆盘振幅，rad； 初相位，rad。 K 刚度； I 转动惯量 自振频率随刚度自振频率随刚度K K的增大而增大；随转动惯量的增大的增大而增大；随转动惯量的增大 而减小。而减小。 )sin(tA

17、e 船舶柴油机船舶柴油机 31 三、强制扭转振动 临界转速 临界转速可分为主临界转速与副临界转速。 主临界转速为主共振的相应转速。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（称主谐量 ）所引起的共振。例如四冲程六缸机，曲轴每转发火缸 数为3，则主谐量的=3、6、9，它们引起主共振， 相应的转速即为主临界转速。在主临界转速，各缸激振 力矩方向相同，它将激起强烈的扭振，在常用转速范围 内应该避开。 副临界转速为主临界转速以外的所有临界转速 船舶柴油机船舶柴油机 32 四、减振和避振 船舶柴油机扭转振动的减振和避振，主要从以下 几个方面着手：减少扭转振动输入能量、调整系 统自振频率、

18、设置转速禁区及配置减振器。 船舶柴油机船舶柴油机 33 1减少简谐激励力矩的输入功 在柴油机设计阶段，通常通过下面几个途径来减小激励力矩的输入： 1）改变发火顺序）改变发火顺序 对于直列式柴油机，改变发火顺序可使副临界转速变动而避开常 用转速范围，但不影响主临界转速。 2）改变振型）改变振型 如在曲轴自由端或中间轴的双节点振幅较大处装设副飞轮，可使 轴系的频率和振型发生变化，使临界转速离开常用转速范围，还 可使扭振振幅减小。如调整主机飞轮惯量，可改变曲轴中节点位 置，减小主谐量对轴系的激振能量。 3）合理选择桨叶安装位置）合理选择桨叶安装位置 合理选择螺旋桨桨叶安装位置，可以减小其激振能，同时注意不 使用与柴油机主谐量相同的桨叶叶数。 船舶柴油机船舶柴油机 34 2调整系统自振频率调整系统自振频率 通过改变轴系的自振频率，将轴系临界转速移到柴油机工作传速 范围之外。 调整系统自振频率有以下几种方法： 1）改变转动惯量）改变转动惯量 增加使自振频率降低；I减小使自振频率提高。通过I的改变，将 临界转速移出常用转速范围。如加大飞轮和加装副飞轮来降低轴 系的自振频率，而实现避振的目的。（改变系统的转动惯量以改 变大振幅处的I值最有效。） 2）改变轴段刚度）改变轴段刚度 增加轴段K可使自振频率提高。加粗轴段直径或缩短中间轴，都 能使临界转速超出额