第三节 轴系的扭转振动

1、第三节第三节 轴系的扭转振动轴系的扭转振动 船舶推进轴系是一个既有扭转弹性、又船舶推进轴系是一个既有扭转弹性、又有回转质量的扭转振动系统。轴系扭转振有回转质量的扭转振动系统。轴系扭转振动为边旋转边做周向来回振动，不可避免。动为边旋转边做周向来回振动，不可避免。规范要求：功率大于规范要求：功率大于220220KWKW的柴油机推进系的柴油机推进系统、额定功率大于统、额定功率大于110110KWKW的柴油机发电系统的柴油机发电系统要进行扭振计算并提交审查及实船测量，要进行扭振计算并提交审查及实船测量，如计算及测试超过规定必须采取避振和减如计算及测试超过规定必须采取避振和减振措施振措施一、扭摆扭转振动

2、的特性一、扭摆扭转振动的特性扭摆是最简单的扭振系统，圆轴只有弹性扭摆是最简单的扭振系统，圆轴只有弹性而无转动惯量，圆盘只有转动惯量而无弹性而无转动惯量，圆盘只有转动惯量而无弹性1 1扭摆的无阻尼自由扭转振动（不计任何阻尼）扭摆的无阻尼自由扭转振动（不计任何阻尼）sinsin（e et t） 1 1）是一种简谐振动）是一种简谐振动2 2）振动三要素：振幅、自振圆频率、初相位）振动三要素：振幅、自振圆频率、初相位IeIKe12 2扭摆的有阻尼自由扭转振动扭摆的有阻尼自由扭转振动 （计及阻尼的自（计及阻尼的自由扭振）由扭振）是一种简谐振动。但其振幅衰减，自振圆是一种简谐振动。但其振幅衰减，自振圆频率

3、减小，周期增长频率减小，周期增长)sin(22tnAeent3 3扭摆的有阻尼强制扭转振动（持续简谐力矩，扭摆的有阻尼强制扭转振动（持续简谐力矩，并计及阻尼的扭振）并计及阻尼的扭振）激励力矩激励力矩M Mt tsintsint 1 1+ + 2 2)sin(22tnAeent1 1）由强制振动）由强制振动与有阻尼自由扭振与有阻尼自由扭振两种两种简谐振动合成，经过一定时间后简谐振动合成，经过一定时间后消失，消失，只剩下强制振动只剩下强制振动2 2）强制振动强制振动是由激振力矩是由激振力矩M Mt t激起的，且其激起的，且其圆频率与激振力矩圆频率相同，即皆为同一圆频率与激振力矩圆频率相同，即皆为同

4、一个个3 3）A A的大小主要取决于扭摆的自振圆频率的大小主要取决于扭摆的自振圆频率e e与阻尼比与阻尼比n n。在无阻尼在无阻尼( (nn）情况下，若情况下，若e e，则振动振幅则振动振幅A A；在有阻尼情在有阻尼情况下，若况下，若e e，则则A A不会无限大，但也不会无限大，但也为最大值，称系统共振为最大值，称系统共振 二、轴系扭转振动特性二、轴系扭转振动特性为便于研究分析为便于研究分析, ,通常把柴油机及轴系转通常把柴油机及轴系转化为若干个只有柔度而无转动惯量的轴段和化为若干个只有柔度而无转动惯量的轴段和只有转动惯量而无柔度的集中质量组成的扭只有转动惯量而无柔度的集中质量组成的扭振系统。

5、这种转化系统称为柴油机及其轴系振系统。这种转化系统称为柴油机及其轴系的当量扭振系统。柴油机推进轴系为多质量、的当量扭振系统。柴油机推进轴系为多质量、多轴段的当量扭振系统多轴段的当量扭振系统二质量系统二质量系统( (两个转动质量、一个轴段两个转动质量、一个轴段) )三质量系统三质量系统( (三个转动质量、两个轴段三个转动质量、两个轴段) )n n质量系统质量系统 三、轴系的自由扭转振动特性三、轴系的自由扭转振动特性1 1双质量系统自由扭转振动特性双质量系统自由扭转振动特性1 1）两个质量进行一种简谐振动，频率、初相）两个质量进行一种简谐振动，频率、初相位相同位相同2 2）两个质量的振幅之比与转动

6、惯量成反比且）两个质量的振幅之比与转动惯量成反比且反向反向3 3）自振圆频率）自振圆频率W We e随转动惯量的增大和轴柔度随转动惯量的增大和轴柔度的增大而降低的增大而降低4 4）轴段某点扭振振幅始终为）轴段某点扭振振幅始终为0 0，该点称为节，该点称为节点。节点处扭矩最大，振幅或扭转角位移为点。节点处扭矩最大，振幅或扭转角位移为0 0，并有发热、发蓝现象。两质量自由扭振，并有发热、发蓝现象。两质量自由扭振只有一个节点，且节点靠近转动惯量较大处只有一个节点，且节点靠近转动惯量较大处2 2三质量系统的自由扭转振动特性三质量系统的自由扭转振动特性1 1）由两种简谐振动相加而成，）由两种简谐振动相加

7、而成， e1e1 e2e22) 2) e1e1的振动是单节振动，的振动是单节振动， e2e2的振动是的振动是双节振动，节点多落在柔度较大的轴段双节振动，节点多落在柔度较大的轴段上上3.3.个质量系统的自由扭转振动特性个质量系统的自由扭转振动特性1 1）每个质量的无阻尼扭振均为（）每个质量的无阻尼扭振均为（1 1）种简谐）种简谐振动相加而成振动相加而成2 2）具有（）具有（1 1）个自振圆频率，）个自振圆频率， e1e1最低，最低， en-1en-1最高最高, ,单节点振动振幅最大，多节点振动单节点振动振幅最大，多节点振动的振幅递减的振幅递减3 3）具有（）具有（1 1）个振型，在这（）个振型，

8、在这（1 1）种简）种简谐振动中，只在发生单节、双节、三节扭转振谐振动中，只在发生单节、双节、三节扭转振动时才产生较大的扭振振幅，具有破坏性。由动时才产生较大的扭振振幅，具有破坏性。由于扭振导致轴系损坏时，双节点振动损坏部位于扭振导致轴系损坏时，双节点振动损坏部位一般多出现在曲轴上，单节点振动损坏部位多一般多出现在曲轴上，单节点振动损坏部位多在中间轴上在中间轴上四、轴系的强制扭转振动四、轴系的强制扭转振动轴系在周期性变化的外力矩作用下产生的轴系在周期性变化的外力矩作用下产生的扭转振动称为强制扭转振动扭转振动称为强制扭转振动1 1激振力矩激振力矩1 1）气体力产生的周期性变化力矩）气体力产生的周

9、期性变化力矩主要激振力矩。简谐次数越高，简谐力矩主要激振力矩。简谐次数越高，简谐力矩的振幅越小，对扭振影响越小的振幅越小，对扭振影响越小2 2）曲柄连杆机构的重力和往复惯性力产生的）曲柄连杆机构的重力和往复惯性力产生的周期性变化力矩周期性变化力矩3 3）螺旋桨、发电机阻力矩）螺旋桨、发电机阻力矩当柴油机缸数是螺旋桨叶数整数倍时对轴当柴油机缸数是螺旋桨叶数整数倍时对轴系扭振影响大系扭振影响大2 2扭转振动的阻尼扭转振动的阻尼1 1）类型：柴油机阻尼、轴段阻尼、螺旋桨）类型：柴油机阻尼、轴段阻尼、螺旋桨阻尼阻尼2 2）对振动影响：振幅减小、频率减小、周）对振动影响：振幅减小、频率减小、周期增长、相

10、位滞后期增长、相位滞后3 3轴系的强制扭转振动特性轴系的强制扭转振动特性1 1）轴系的共振）轴系的共振（1 1）f=f= n n（2 2）引起柴油机共振的转速叫共振转速或引起柴油机共振的转速叫共振转速或临界转速临界转速（3 3）轴系在柴油机运行转速范围内（）轴系在柴油机运行转速范围内（n nminmin- -n nmaxmax）临界转速很多临界转速很多2 2）主临界转速与副临界转速）主临界转速与副临界转速（1 1）主临界转速）主临界转速主共振的相应转速，主共振是由简谐次数主共振的相应转速，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等于曲轴每转发火气缸数整数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, ,二冲程机二冲程机n nk k=f=fe e/( mi)/( mi)，四冲程机四冲程机n nk k=2f=2fe e/ / (mi)(mi)轴系发生单节共振时主谐量对轴的激振作用轴系发生单节共振时主谐量对轴的激振作用强烈，其共振振幅最大，最危险强烈，其共振振幅最大，最危险（2 2）副临界转速：主临界转速以外的所有临）副临界转速：主临界转速以外的所有临界转速或副共振相应的转速界转速或副共振相应的转速4 4封缸运行时的扭振特点封缸运行时的扭振特点1 1）封缸运行类型）封缸运行类型（1 1）单缸停油，运动件未拆除）单缸停油，运动件未拆除（2

12、2）损坏运动件拆除）损坏运动件拆除2 2）相应扭振特点）相应扭振特点（1 1）运动件未拆除较常见，使扭振振幅和扭振应）运动件未拆除较常见，使扭振振幅和扭振应力增大，即扭振恶化力增大，即扭振恶化（2 2）运动件拆除对扭振影响最严重，使转动惯量）运动件拆除对扭振影响最严重，使转动惯量减小，固有频率、固有振型发生变化，扭振振减小，固有频率、固有振型发生变化，扭振振幅、应力增大幅、应力增大5 5现代船用大型柴油机的扭振特点现代船用大型柴油机的扭振特点使轴系扭转振动加剧，中间轴产生过大的扭使轴系扭转振动加剧，中间轴产生过大的扭振振幅和扭振附加应力振振幅和扭振附加应力五五 轴系扭转振动的减振措施轴系扭转振

13、动的减振措施一、船舶轴系扭转振动许用应力和许用扭矩一、船舶轴系扭转振动许用应力和许用扭矩1 1转速比转速比r=r=共振转速共振转速/ /标定转速标定转速= =n nc c / /n ne e2 2持续运转工况持续运转工况0 0 1.01.03 3危险临界转速危险临界转速1 1）扭振应力或扭矩超过持续运转的许用值时的共振转）扭振应力或扭矩超过持续运转的许用值时的共振转速速2 2）防止措施：（）防止措施：（1 1）设转速禁区；（）设转速禁区；（2 2）禁区内不应）禁区内不应持续运转，允许快速超越；（持续运转，允许快速超越；（3 3）转速表用红色标明，）转速表用红色标明，并在操纵台前设示告牌并在操纵

14、台前设示告牌4 4常用转速常用转速0.80.81.051.05范围内不允许存在转速禁区。范围内不允许存在转速禁区。在在0.90.91.031.03范围内应尽可能不用减小振幅的方范围内应尽可能不用减小振幅的方法来消除转速禁区法来消除转速禁区二、扭转振动的减振措施回避法二、扭转振动的减振措施回避法1 1“转速禁区转速禁区”回避法回避法主要用在大型船用柴油机上主要用在大型船用柴油机上2 2频率调整法频率调整法1 1）改变系统的转动惯量加大飞轮惯量或加）改变系统的转动惯量加大飞轮惯量或加装副飞轮以降低轴系单节、双节自振频率装副飞轮以降低轴系单节、双节自振频率2 2）改变轴段的弹性增大轴径或装设高弹性）

15、改变轴段的弹性增大轴径或装设高弹性联轴器（节）联轴器（节）3 3减小激振能法减小激振能法1 1）改变发火顺序以减小副谐量的激振能）改变发火顺序以减小副谐量的激振能2 2）合理选择螺旋桨以减小螺旋桨的激振能）合理选择螺旋桨以减小螺旋桨的激振能4 4阻尼减振法设阻尼减振器阻尼减振法设阻尼减振器三、减振器与弹性联轴器三、减振器与弹性联轴器1 1扭振减振器（常装在自由端，用于消耗激振能）扭振减振器（常装在自由端，用于消耗激振能）1 1）作用：（）作用：（1 1）改变振型、节点位置和自振频）改变振型、节点位置和自振频率；（率；（2 2）限制扭振振幅增大）限制扭振振幅增大2 2）类型：）类型：（1 1）动

16、力型只用于定速运行柴油机）动力型只用于定速运行柴油机（2 2）阻尼型可减小振幅，常见为硅油减振）阻尼型可减小振幅，常见为硅油减振器器（3 3）动力阻尼型）动力阻尼型 常见有金属簧片式和套筒弹常见有金属簧片式和套筒弹簧式簧式2 2弹性联轴器弹性联轴器可使柴油机无转速禁区，只对单节点振动有可使柴油机无转速禁区，只对单节点振动有显著减振效果显著减振效果3 3减振器及弹性联轴器的维护管理减振器及弹性联轴器的维护管理1 1）减振器维护管理）减振器维护管理阻尼式应保证阻尼液无漏失，无需定期拆阻尼式应保证阻尼液无漏失，无需定期拆检；动力式运行中应保证弹簧片间充满滑油，检；动力式运行中应保证弹簧片间充满滑油，检查中若发现一片弹簧损坏则换新该组弹簧检查中若发现一片弹簧损坏则换新该组弹簧片片2 2）弹性联轴器的管理）弹性联轴器的管理（1 1）橡胶弹性联轴器最高使用环境温度不）橡