船用柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)子_軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)的研制

1、*來稿日期:2007-07-18*基金項(xiàng)目:上海市啟明星計(jì)劃資助項(xiàng)目(06QB14037""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""&quo

2、t;"""""""""""#""""""""""""""""""""""$%$""""""""""""""""

3、""""""$【摘要】根據(jù)大功率低速船用柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性,研究了動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)原則、各個(gè)組成部分的功能、動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)具有的性能等問題,最后,成功研制出一臺(tái)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)可用于研究系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)、頻率響應(yīng)、軸心軌跡,檢測(cè)氣缸內(nèi)的壓力變化規(guī)律,控制曲軸的轉(zhuǎn)速和氣缸內(nèi)的壓力等。關(guān)鍵詞:試驗(yàn)臺(tái);曲軸轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng);柴油機(jī);動(dòng)力學(xué)響應(yīng)【Abstract 】According to the dynamic characteristics of crank shaft rotor -bearing system u

4、sed indiesel engine,the design principle,sub-system and performance of tester is researched.The tester is made successfully at last.The tester can be used to research the time history,frequency response and axis track of the crank shaft,to measure the pressure in the cylinder,to control the speed of

5、 the crank shaft and pressure in the cylinder.Key words:Tester ;Crank shaft rotor-bearing system ;Diesel engine ;Dynamics response中圖分類號(hào):TH113.1,TH132.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A船用柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)的研制*張青雷1,2張鎖懷3(1上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院,上海200023(2上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200030(3上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械與自動(dòng)化工程學(xué)院,上海200235Research on the tester o

6、f crank shaft rotor-bearing system used in ship diesel engineZHANG Qing-lei 1,2,ZHANG Suo-huai 3(1Shanghai Electrdic Group Co.,Ltd.Central Academe ,Shanghai 200023,China (2Shanghai Jiaotong University ,M achinery and Pouer Engineering Institute ,Shanghai 200030,China (3Shanghai Institute of Technolo

7、gy ,Shanghai 200235,China 將根據(jù)大功率低速船用柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)子-滑動(dòng)軸承系統(tǒng)的特點(diǎn),在理論分析的基礎(chǔ)上,研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)臺(tái),用于研究曲軸在機(jī)械加工過程和使用過程中的振動(dòng)問題,以提高曲軸的加工精度,減少柴油機(jī)的振動(dòng),提高其工作效率和壽命,減少對(duì)環(huán)境的影響。1設(shè)計(jì)原則在設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)時(shí),遵循了幾個(gè)原則,以保證研究大型船用柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能時(shí)的有效性。1.1曲軸結(jié)構(gòu)相似在設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)時(shí),即要針對(duì)正在國產(chǎn)化的大型船用柴油機(jī)4-6S60MC-C (8030曲軸的特點(diǎn),也要考慮試驗(yàn)臺(tái)的通用性。如圖1所示,為柴油機(jī)4-6S60MC-C (8030曲軸,為半組合式、

8、6拐、紅套結(jié)構(gòu)。所以,試驗(yàn)臺(tái)曲軸也應(yīng)設(shè)計(jì)成相似結(jié)構(gòu)。柴油機(jī)4-6S60MC-C (8030曲軸在連桿軸頸兩側(cè)設(shè)置徑向、圓瓦滑動(dòng)軸承,以便承受徑向載荷;鏈輪端使用推力滑動(dòng)軸承,以便承受軸向載荷。所以,曲軸轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)一般屬于過定位結(jié)構(gòu),計(jì)算滑動(dòng)軸承的平衡點(diǎn)時(shí),需要使用變形協(xié)調(diào)條件。由于試驗(yàn)臺(tái)曲軸與實(shí)際柴油機(jī)曲軸尺寸、承受的載荷、自身剛度等相差較大,因此,滑動(dòng)軸承的性能參數(shù)如間隙比、寬徑比、軸頸直徑等都需要大量反復(fù)計(jì)算,才能確定。圖1柴油機(jī)4-6S60MC-C (8030曲軸1.2振型相同由于滑動(dòng)軸承的剛度和阻尼隨轉(zhuǎn)速、載荷大小等變化,因此,在大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),使試驗(yàn)臺(tái)曲軸的振型與實(shí)際曲軸的振型完全

9、相同是不可能的,只能在局部轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),使其振型相同,在其它轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),振型盡可能接近或近似相同。剛支形式反映了曲軸轉(zhuǎn)子的固有特性,通過大量計(jì)算分析, 可以確定試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)子的大致結(jié)構(gòu)尺寸。文章編號(hào):1001-3997(200804-0118-03第4期-118-2008年4月Machinery Design &Manufacture 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造如圖2圖5所示,分別為柴油機(jī)曲軸和試驗(yàn)臺(tái)曲軸的前兩階剛支振型。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),計(jì)算了前十階剛支振型。圖2柴油機(jī)曲軸第一階剛支振型圖3試驗(yàn)臺(tái)曲軸第一階剛支振型圖4柴油機(jī)曲軸第二階剛支振型圖5試驗(yàn)臺(tái)曲軸第一階剛支振型當(dāng)使用滑動(dòng)軸承支承曲軸時(shí),要根據(jù)試驗(yàn)

10、臺(tái)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、載荷大小確定軸承的性能參數(shù)(主要是寬徑比和間隙比,軸承形式相同,以保證滑動(dòng)軸承支承條件下,試驗(yàn)臺(tái)曲軸的前5階振型與實(shí)際柴油機(jī)曲軸的振型相同,高階振型相近。這樣才能滿足在曲軸加工和工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),研究曲軸轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的要求。1.3載荷方式相同試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)額定功率為5.5Kw ,額定轉(zhuǎn)速105r/min ,在(10200r/min 范圍內(nèi),轉(zhuǎn)速可調(diào),采用變頻調(diào)速方式。加載系統(tǒng)由活塞、氣缸體、節(jié)流閥組成,根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)速、連桿長度、活塞直徑、氣缸體內(nèi)氣體排放的速度等參數(shù),可以控制施加在活塞上的載荷大小;根據(jù)試驗(yàn)要求,可以用節(jié)流閥調(diào)節(jié)載荷大小和載荷的變化規(guī)律,而且,根據(jù)試驗(yàn)需要,每

11、一個(gè)活塞上的載荷大小和變化規(guī)律可以不同,以模擬實(shí)際系統(tǒng)存在的載荷不均勻問題。通過壓力傳感器,可以測(cè)量出實(shí)際施加在活塞上的載荷,進(jìn)一步就可以計(jì)算出活塞上的載荷大小。柴油機(jī)的功率流向?yàn)?柴油燃燒引起氣體壓力急劇上升,推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng),活塞通過連桿推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn),曲軸通過端部聯(lián)軸器將功率輸送出去。試驗(yàn)臺(tái)的功率流向?yàn)?電動(dòng)機(jī)通過減速器減速增力后,由聯(lián)軸器帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn),曲軸軸頸通過連桿推動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng),從而壓縮氣缸體中的空氣,使空氣壓力增大,在活塞上產(chǎn)生阻力。雖然試驗(yàn)臺(tái)與柴油機(jī)的功率流向不同,但就曲軸、滑動(dòng)軸承承受的載荷而言,沒有區(qū)別,因此,其動(dòng)力學(xué)性能具有可比性或相似性。通過調(diào)整壓縮比可以改變氣缸體中的最

12、大壓力,從而改變載荷的大小。通過改變氣缸體外接節(jié)流閥的開度,也可以改變載荷的大小,同時(shí)還可以改變載荷的變化方式。2液壓潤滑系統(tǒng)液壓系統(tǒng)原理圖,如圖6所示,由油泵、減壓閥、溢流閥、截止閥、油管、油箱、過濾器及分配器等部分組成,用于向滑動(dòng)軸承提供具有一定壓力和流量的液壓油,使滑動(dòng)軸承在試驗(yàn)轉(zhuǎn)速下,建立良好的動(dòng)壓油膜,滿足滑動(dòng)軸承的工作要求。同時(shí)向活塞、連桿軸頸、活塞銷等部位提供潤滑油。液壓系統(tǒng)的流量和壓力可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。 圖6液壓系統(tǒng)原理圖液壓系統(tǒng)工作時(shí),油泵通過濾油網(wǎng)將潤滑油送至濾油器進(jìn)一步過濾;在濾油器的出口安裝有壓力表和溢流閥,用于觀察油壓和調(diào)整油壓;壓力調(diào)整好以后,壓力恒定的潤滑油通過

13、分配器分別送至動(dòng)壓滑動(dòng)軸承和需要潤滑的運(yùn)動(dòng)副處;使用后的潤滑油流落到箱體底部,同時(shí)也將運(yùn)動(dòng)副處由于摩擦產(chǎn)生的熱量帶走,通過回油管上的磁性濾油器過濾后,將摩擦副產(chǎn)生的鐵屑過濾掉,再回到油箱,以形成液壓循環(huán)系統(tǒng)。由于無高溫燃燒過程,所以,不需要強(qiáng)制冷卻。試驗(yàn)臺(tái)的開式結(jié)構(gòu)、金屬之間的熱傳導(dǎo)、潤滑油均有利于散熱,當(dāng)連續(xù)工作時(shí),試驗(yàn)臺(tái)溫度不至于上升太高。3測(cè)試與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)測(cè)試與數(shù)據(jù)系統(tǒng),如圖7所示,由渦流傳感器、壓力傳感器、前置功率放大器、電纜線、數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換板、數(shù)據(jù)采集與分析軟件、計(jì)算機(jī)等組成。M分配器溢流閥空氣濾清器液位計(jì)壓力表濾油器電動(dòng)機(jī)濾油網(wǎng)球閥油泵URES(m 7.878e-0037.275

14、e-0036.614e-0035.981e-0034.717e-0034.085e-0033.453e-0032.821e-0032.189e-0031.557e-0039.247e-0042.926e-004URES(m 2.353e-0012.157e-0011.761e-0011.765e-0011.569e-0011.372e-0011.175e-0019.804e-0027.843e-0025.882e-0023.921e-0021.351e-0022.922e-008URES(m 5.918e-0035.426e-0034.934e-0034.441e-0033.949e-0033

15、.456e-0032.964e-0032.471e-0031.979e-0031.487e-0039.943e-0045.019e-0049.484e-006URES(m 1.789e-0011.141e-001e-001e-0011.195e-0011.045e-0018.972e-0017.485e-0025.999e-0024.512e-0023.025e-0021.538e-0025.139e-004第4期-119-張青雷等:船用柴油機(jī)曲軸轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)的研制*由于曲軸屬于回轉(zhuǎn)零件,無法安裝接觸式傳感器,因此,只能在滑動(dòng)軸承軸頸附近,安裝相互垂直的渦流傳感器,用以測(cè)量曲軸軸

16、頸在相互垂直方向上的振動(dòng)位移,合成后,可以得到軸頸中心的運(yùn)動(dòng)軌跡,了解曲軸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律;壓力傳感器用于拾取六個(gè)氣缸內(nèi)部的壓力信號(hào)。對(duì)渦流傳感器和壓力傳感器拾取的信號(hào)進(jìn)行在線采集、存儲(chǔ)后,可用于將來進(jìn)一步進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析、載荷變化規(guī)律分析與控制,當(dāng)然,也可以在線顯示時(shí)間域的振動(dòng)信號(hào)和壓力信號(hào)。圖7測(cè)試系統(tǒng)原理圖數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集板及相關(guān)的專用軟件組成,以VB 為開發(fā)平臺(tái)。根據(jù)動(dòng)力學(xué)理論編制的振動(dòng)性能分析軟件,其主要功能包括:時(shí)間響應(yīng)分析、頻譜分析、軸心軌跡分析、相位分析、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與調(diào)用、變換不同通道的數(shù)據(jù)顯示內(nèi)容、設(shè)置采樣頻率和采樣數(shù)據(jù)長度等;軟件也可以根據(jù)加載系統(tǒng)壓力傳感器拾取的載

17、荷信號(hào),進(jìn)行載荷分析,用以計(jì)算施加在不同活塞上的載荷大小及變化規(guī)律。該軟件與控制系統(tǒng)配合,通過向變頻器輸出控制信號(hào),還可以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、啟動(dòng)、停止,控制與節(jié)流閥安裝在一起的電磁閥的開閉狀態(tài),以控制氣缸內(nèi)氣體的排放規(guī)律,從而控制載荷的施加方式。該系統(tǒng)還設(shè)計(jì)有安全保護(hù)措施,根據(jù)設(shè)定的最大氣缸內(nèi)壓力和每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的最大振幅,當(dāng)振動(dòng)異常、壓力異常時(shí),可及時(shí)停機(jī),以保證人身和設(shè)備安全。4試驗(yàn)臺(tái)功能根據(jù)上述過程設(shè)計(jì)的曲軸轉(zhuǎn)子-滑動(dòng)軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)臺(tái),如圖8所示,可進(jìn)行各種各樣的動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究。圖8曲軸轉(zhuǎn)子-滑動(dòng)軸承系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)4.1空載試驗(yàn)(1從靜止?fàn)顟B(tài)到工作轉(zhuǎn)速、或120%工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),不同轉(zhuǎn)速下的

18、動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析,包括時(shí)間響應(yīng)、頻譜分析、軸向軌跡分析等。(2研究曲軸轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)固有頻率的變化規(guī)律。(3振幅-頻率特性研究,可以發(fā)現(xiàn)在不同載荷、不同轉(zhuǎn)速下,曲軸振幅隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律,全面了解曲軸轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)對(duì)外界激勵(lì)的響應(yīng)特性。4.2載荷試驗(yàn)(1給定不同載荷,從靜止?fàn)顟B(tài)到工作轉(zhuǎn)速、或120%工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),不同轉(zhuǎn)速下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析,包括時(shí)間響應(yīng)、頻譜分析、軸心軌跡分析等。(2研究曲軸轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)固有頻率隨轉(zhuǎn)速和載荷的變化規(guī)律。(3振幅-頻率特性。可以研究在不同載荷、不同轉(zhuǎn)速下,曲軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、彎曲振動(dòng)、軸向振動(dòng)或者耦合振動(dòng)時(shí)的振幅隨載荷和轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律,全面了解曲軸轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)對(duì)外界激勵(lì)、轉(zhuǎn)速、載荷變化等因素的響應(yīng)特性。4.3載荷變化試驗(yàn)無論是柴油機(jī),還是蒸汽機(jī)、