船舶柴油机组轴系扭转振动探讨

1、58 维修与改造 机械 2006年 第4期 总 第33卷 收稿日期 :2005-11-07作者简介 :林新队(1970-男,广东汕尾人,工程师,主要从事电气冷气,电梯等机电工程安装维修管理。船舶柴油机组轴系扭转振动探讨林新队(广州航海高等专科学校,广东 广州 510725摘要:通过实例提出了船舶柴油机组轴系扭振事故等问题,对引起船舶柴油机组轴系扭振的主要原因,轴系扭振特性进 行了分析,并提出防振和减振的控制措施。 关键词:船舶柴油机;轴系;振动;危害中图分类号 :TK428 文献标识码 :B 文章编号 :1006-0316(2006 04-0058-031 问题的提出(1 粤海一货船, 主机型

2、号 B&W7AKP50/1102, 额定功率 3600kW ,额定转速 170 RPM, 2002年对 轴系检查和螺旋桨修理时发现:螺旋桨的将军帽和 紧固螺母已丢失,松脱的螺旋桨打磨了舵叶本体中 部的导流罩,致使严重损坏。拆卸艉轴后,发现艉 轴铜套在距前端法兰 1.65 m处有一条长约 300 mm, 与轴线成 60°夹角,宽度为 2 mm,形状比较规则 的裂纹,裂纹的大部分已渗透到铜套内径处,且裂 纹在深度上已延续进入艉轴本体,在长度上已延续 到 300 mm之外,存在艉轴断裂的迹象。经推进轴系扭转振动和轴向振动计算分析得 知:单节扭转振动自振频率为 6.67 Hz, 双节

3、扭转振 动自振频率为 23.1 Hz,双节轴向振动自振频率为 12.9Hz 。 55RPM 处是轴向振动双节 14次主简谐临 界转速, 57 RPM处是扭振单节 7次主简谐临界转 速,两者的共振转速相当接近,在 5557 RPM范 围内由扭振激励的轴向耦合响应出现最大峰值。在 97100 RPM处峰值略为凸起,也是由扭转振动和 轴向共振转速接近重合而引起的;在 57 r/min处的 强烈响应, 是典型的扭转 -轴向二倍频耦合振动的结 果。 主机推进轴系的扭转 -轴向耦合振动导致了紧固 螺母和将军帽的松动、脱落,螺旋桨的松动又造成 回转的不平衡,从而增加了螺旋桨的激励力,加剧 了艉轴扭转-轴向耦

4、合振动,产生裂纹损坏。(2粤航某拖轮,主机型号 6300ZC ,额定功 率 441 kW, 额定转速 400 RPM, 推进轴系中两根中 间轴直径分别为 156 mm和 140 mm, 螺旋桨轴直径 158 mm。坞修时发现螺旋桨轴存在以下形式裂纹:螺旋桨轴表面有两处裂纹,长度约 20 mm,宽度约 3 mm。一处在艉部锥体大端附近,集中多条裂纹, 纹向与轴线成 45°,并且部分交叉分部;另一处在 螺旋桨轴前轴承俯近,裂纹条数少,纹向与轴线成 4560°不等。经振动计算分析得知:轴系单节 3次主简谐临 界转速为 339 RPM,在共振转速附近,各轴段的扭 振附加应力都超过了

5、许用应力,其中螺旋桨轴的扭 振附加应力为 49 MPa,超过许用应力近一倍。而该 轮的拖曳转速为 320340 RPM, 恰在共振转速附近。当船舶柴油机组轴系发生强烈扭振时,将会使 轴系产生一些能够直接察觉的或疲劳破坏等严重事 故,如以下现象:轴系传动齿轮轴,凸轮轴及其部 件的断裂;弹性连轴器发热,磨损加快甚至烧裂; 轴系连接法兰螺栓断裂;螺旋桨叶片折断;轴系发 热,发烫甚至疲劳断裂等。研究柴油机组轴系扭振 事故的目的首先是要分析轴系装置的振动响应,产 生轴系扭转振动的主要原因,正确判断轴系装置在 什么情况下会发生危险,以及掌握如何避免这种危 险的实际措施。2 轴系扭转振动的主要激励源机械 2

6、006年 第4期 总 第33卷 维修与改造 59从船舶主机通过轴系传递功率至螺旋桨造成轴 段来回摆动,各轴段间的扭角也不相等,因此便产 生了扭转振动 1。柴油机组产生轴系振动的内在因 素是柴油机系统本身不但具有转动惯性,而且还有 弹性,也就是系统的固有振动频率;而产生振动的 外因是作用在柴油机组上周期性变化的激励力矩, 这些力矩是形成振动的能量来源。激励力矩主要来 自于以下因素:(1 气缸内的燃气爆发压力所产生的周期性变 化的侧推力和倾覆力矩;(2 活塞曲柄连杆机构的重力和往复运动产生 的惯性力;(3空压机压缩空气力产生的周期性变化力 矩;(4螺旋桨推力的波动力;(5减速齿轮的齿合误差传递力矩

7、的波动力。 其中气缸内的燃气爆发压力所产生的周期性变 化力矩,是系统产生扭转振动的主要原因,也是产 生扭振事故的主要因素。为阐述气体压力对柴油机 动力装置的影响,在此有必要对它应进行进一步的 分析计算。柴油机气缸内气体压力变化所产生的激 振力矩,实际上是以作用在曲柄销上的切向力变化 的形式反映出来。假设作用在活塞上气体力为 F g , 活塞组件往复运动所产生的往复惯性力为 F j ,则其 合力 F 为:F =F g +F j (1 如图 1所示, 合力 F 在活塞销处分解为两个力, 一个分力 F N 垂直于气缸壁, 称为侧推力; 另一个分 力 F L 沿着连杆中心线,称为连杆推力,这两个力的

8、大小分别为:F N =F tg (2 F L =F/cos (3 侧推力 F N 的大小和方向都是交变的,左右交 替, 对主轴承将产生一个大小为 M D =F N H 的倾覆 力矩,会引起柴油机的左右振动。 M D 无法平衡,通 常是依靠强大的地基由机座的地脚螺栓承受。 连杆推力 F L 也是交变的, 对主轴承将形成动力 矩,会引起曲轴系统的扭转振动。 F L 在曲柄销处分 解为两个分力:分力 F T 垂直于曲柄中心线,称为切 向作用力;分力 F Z 沿着连杆中心线,称为径向作用 力,这两个力的大小分别为:F T =F L sin(+= F sin(cos+(4F Z =F L cos(+ =

9、F cos(cos+(5 式 (4 可用曲柄转角 的形式来表示, 近似为:F T =(sin+sin22RL P g (6 式中:R 为曲柄半径; L 为连杆长度; P g 为气缸内 的爆发压力。切向作用力 F T 对曲轴中心线形成的回转力矩是 导致轴系发生扭转振动的主要原因。在所有这些激励力矩的作用下,轴系将按激励 力矩的频率进行强迫振动响应。 图 1 曲轴连杆机构的受力分析3 轴系扭转振动的振动响应在船舶柴油机工作时,不仅气缸内周期性变化 的气体压力所产生的周期性变化的扭矩可以分解成 无数个振幅不同、 频率不同及相角不同的干扰扭矩, 而且由于运动部件间的磨擦、轴段变形而产生的内 磨擦以及螺

10、旋桨在水中的阻力等,也会产生对干扰 力矩起抑制作用的阻尼,因此船舶柴油机组的轴系 实际上就是一个多质量有阻尼强制振动的系统。在 这样的一个系统中,由于柴油机工作时,气缸内的 燃气压力和运动部件所产生的惯性力都随曲轴转角 而变化,是一个可用傅立叶三角级数来表示的周期 函数。燃气压力和惯性力都可用不同周期的正弦曲 线来表示,因此柴油机的扭矩也是周期性的,因而 会引起曲轴系统的扭转振动,而且有多个扭转振动 固有振动频率。而以柴油机作为推进动力的船舶,60维修与改造 机械 2006年 第4期 总 第33卷由于轴系较长,相对而言扭转刚度较小,因此系统 固有频率较低,而柴油机的工作转速范围也较低, 这就有

11、可能出现激振力的频率与轴系固有频率相 同,从而产生共振现象并导致扭振应力的剧增,如 果共振现象导致的扭振应力剧增超过轴系所能承受 的应力时,轴系将会发生断裂的危险 2。船舶柴油机组在其运行工况范围内,其轴系总 是存在着多个扭转振动的共振转速,只是振动的振 幅和应力大小不同而已。就目前的船用中、低速柴 油机动力装置来说,除了某些自由端还带动其它一 些辅助机械, 同时又装有高弹性联轴器的轴系的中、 低速柴油机动力装置,在其运行工况范围内有可能 出现四节扭转振动形式外,其它的一般只会出现单 节、双节、三节这三种扭转振动形式。所以船舶柴 油机轴系设计制造及在船舶的营运过程中,须对单 节、双节、三节这三

12、种扭转振动形式予以足够的重 视。在某些情况下,副临界转速也会引起轴系中的 应力达到危险状态,导致轴系发生疲劳破坏,而且 最大的副临界转速经常出现在运行转速范围内,所 产生的扭振应力也是较大的,因此对副临界转速也 应予以足够的重视。4 总结以柴油机为动力的系统中,柴油机是主要振动 源,在柴油机组系统的设计制造及使用过程中,对 振动问题应足够重视, 采取防振和减振的控制措施: (1避免共振,将共振点附近转速划为禁区, 在此禁区内机器不应持续运转。(2 调整系统固有振动频率, 系统的固有频率 主要与刚度和转动惯量有关,变更系统的转动惯量 或刚度能够达到调整固有振动频率的目的。(3 降低激励力矩, 减

13、小振动或激励力的传递 等。增加阻尼以吸收振动能量,装设减振装置以达 到减少振幅的目的 3。在设计阶段便对激励力,结 构响应以及振动允许标准三者进行充分的分析,妥 善协调船舶性能,船体结构,螺旋桨和主机等设计 之间的关系,把柴油机引起的振动限制在容许的范 围内,以防轴系振动过剧而引发相应的事故,这不 仅可以保证柴油机组及其轴系的安全,确保船舶安 全航行,还可减少船舶运行时导致的船员工作生活 环境舒适性的影响。参考文献:1翁长俭 . 内河船舶的振动与躁声 M. 北京:人民交通出版社, 1981. 2张公安,等 . 船舶柴油机装置扭转振动事故与预防 M. 北京:人 民交通出版社, 19853程宪平

14、. 机电传动与控制 M. 武汉:华中理工大学出版社, 2000.(上接第 54页支持架固定在汽车水箱上。 在端盖上有一些孔, 水可以通过孔进行循环。在偏置弹簧下部设有调整 螺栓,可以用来调整偏压弹簧的初始压缩量。在水 箱温度低于 70时, 由于记忆合金弹簧的刚度较大, 压缩偏置弹簧,使轴和支持架压紧,阀门关闭。当 水箱温度高于 80后,记忆合金弹簧弹性变低,在 偏置弹簧的压缩下,轴与支持架分开,冷水通过阀 门进入循环。当水温低于 70时,温控器在记忆合 金弹簧的压缩下处于收缩状态,主阀门关闭。3 结论记忆合金弹簧在调温器中,既是温度的感知元 件又是阀门启闭的动作元件。此温控器结构简单, 加工方便,经济效益较好,并且由于记忆合金年能 获得较大的变形量,对温度比较敏感,阀门打开和 关闭比较迅速,克服了现有的石蜡控