船舶軸系扭振計算

1、船舶軸系扭振計算1 已知條件軸系原始資料柴油機(jī)減振器發(fā)電機(jī)型號：型式和型號型式和型號沖程數(shù)：制造廠制造廠氣缸數(shù)：主動輪慣量交/直流缸徑：從動輪慣量額定功率行程：剛度（靜/動）額定轉(zhuǎn)速V型角阻尼因子（或損失系數(shù)）轉(zhuǎn)子慣量發(fā)火順序傳動齒輪箱額定功率型式和型號水力測功器額定轉(zhuǎn)速制造廠型式和型號最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速正車總速比制造廠平均有效壓力正/倒車各級速比轉(zhuǎn)動慣量（空氣中）機(jī)械效率彈性聯(lián)軸器（氣胎離合器）往復(fù)部件重量型式和型號連桿長度制造廠阻尼因子額定扭矩螺旋槳主/從動輪慣量型式剛度（靜/動）定/可調(diào)槳損失系數(shù)直徑持續(xù)許用扭矩盤面比瞬時許用扭矩螺距比許用最大扭角葉片數(shù)轉(zhuǎn)動慣量（空氣中）材料導(dǎo)流管型號2 當(dāng)量

2、系統(tǒng)2.1慣量計算（或給定）2.2 剛度計算（或給定）2.3 當(dāng)量系統(tǒng)轉(zhuǎn)化，即將系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成慣量剛度系統(tǒng)，并給出當(dāng)量系統(tǒng)圖以及相關(guān)參數(shù)（見表）當(dāng)量系統(tǒng)參數(shù)質(zhì)量序號質(zhì)量名稱轉(zhuǎn)動慣量Kg.m2剛度N.m/rad軸最小外徑Cm軸內(nèi)徑Cm傳動比發(fā)火間隔角AB3 固有頻率計算（自由振動計算并畫出振型圖）Holzer表質(zhì)量號123456789IkKWk12n4 共振轉(zhuǎn)速計算扭振固有頻率 Hz N=9.55*n =60f r/minN-固有頻率（r/min）f-Hz對于每個振型固有頻率的共振轉(zhuǎn)速 r/minV簡諧次數(shù)對四沖程柴油機(jī)v=0.5,1,1.5二沖程：v=1,2,3對螺旋槳：v=I*Zp,I=1,2,

3、3Zp螺旋槳葉片數(shù)應(yīng)計算的簡諧次數(shù)范圍：Ne柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速r/minNmin-柴油機(jī)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速r/min5強(qiáng)迫振動計算(動力放大系數(shù)法的計算步驟)步驟1：激勵計算氣體壓力產(chǎn)生的激勵力矩 N.mD氣缸直徑（cm）R曲柄半徑(cm)Cv簡諧系數(shù)(N/mm2)簡諧系數(shù)的計算 N/mm2av、bv系數(shù)，由柴油機(jī)制造廠提供。無確切資料可按CCS給定表計算Pi-平均指示壓力N/mm2平均指示壓力的計算：推進(jìn)用柴油機(jī)：發(fā)電用柴油機(jī)：(0.95<nc/ne<1.1)空負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)柴油機(jī)（離合器脫開。柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速比nc/ne<0.95）P柴油機(jī)額定功率，kWPg發(fā)電機(jī)額定功率,kWZ氣缸數(shù)

4、ms沖程數(shù)，四沖程ms=4,二沖程ms =2;ne柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速r/minnc共振轉(zhuǎn)速r/minm-柴油機(jī)額定工況下的機(jī)械效率g-發(fā)電機(jī)效率，無確切數(shù)據(jù)時取0.9d-從動部件效率，對發(fā)電機(jī)為g往復(fù)慣性力產(chǎn)生的激勵力矩Mt合成切向力簡諧系數(shù)螺旋槳激勵力矩 N.mZp-螺旋槳葉片數(shù)Mkzp-諧次kzp的激勵力矩幅值kzp-諧次kzp的激勵力矩與槳葉中心線間的相位角一般而言，螺旋槳激勵力矩較小，可以忽略。但對于主諧次v=Zp或v=2Zp的激勵，有時應(yīng)予以注意。柴油機(jī)激勵力矩功對直列柴油機(jī)，相對振幅和：對V型機(jī)：ak-第k缸質(zhì)量點(diǎn)相對振幅Z氣缸數(shù)1,k第k缸與第1缸間的發(fā)火間隔角,rad1,2兩列相同

5、編號氣缸間的發(fā)火夾角考慮螺旋槳激勵時的系統(tǒng)激勵力矩功 N.m步驟2：計算第1慣性圓盤的平衡振幅第1慣性圓盤的平衡振幅步驟3：計算各部件的動力放大系數(shù)柴油機(jī)的放大系數(shù)e-阻尼因子，由船槳廠家提供，一般取e0.04n-系統(tǒng)慣性圓盤總數(shù)Z-柴油機(jī)氣缸數(shù)螺旋槳放大系數(shù)-扭振園頻率(rad/s)cp-螺旋槳阻尼系數(shù)螺旋槳阻尼系數(shù)： (N.m.s/rad)np-額定轉(zhuǎn)速時螺旋槳吸收的功率(kW)nc -共振轉(zhuǎn)速r/minNe-柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速(r/min)a-系數(shù)A值的確定Dp-螺旋槳直徑(m)Zp-螺旋槳葉數(shù)V常數(shù)，當(dāng)Zp4時，V1；當(dāng)Zp=3或5時，V4/3若計算得a<19.5,取a=19.5；a

6、>51,取a=51,在缺乏螺旋槳資料的情況下，取a=30軸系放大系數(shù)表示除曲軸及彈性聯(lián)軸器等彈性元件外的所有軸段彈性聯(lián)軸器放大系數(shù)Kr-彈性聯(lián)軸器的剛度(N.m/rad)r-彈性聯(lián)軸器主、從動端間相對振幅差r損失系數(shù)減振器放大系數(shù)硅油減振器放大系數(shù)：Id減振器轉(zhuǎn)動慣量d減振器相對振幅d-阻尼因子，由廠家提供阻尼彈性減振器：Kd-減振器的剛度(N.m/rad)d-減振器主、從動端間相對振幅差r損失系數(shù)直流發(fā)電機(jī)放大系數(shù)Ag-發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相對振幅Cg-阻尼系數(shù)Tg-發(fā)電機(jī)軸扭矩（N.m）Ng-發(fā)電機(jī)軸轉(zhuǎn)速(r/min)g-系數(shù)，取124135步驟4：求總的放大系數(shù)步驟5：計算第1質(zhì)量的振幅AQ

7、×A1st步驟6：軸段共振應(yīng)力計算步驟7：共振力矩計算齒輪嚙合力矩G主動齒輪質(zhì)量號彈性聯(lián)軸器振動扭矩V聯(lián)軸器主動端質(zhì)量號發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子處振動慣性力矩步驟8：非共振計算步驟9：扭振許用應(yīng)力計算（按CCS96規(guī)范）步驟10：作出扭振應(yīng)力或振幅轉(zhuǎn)速曲線能量法計算步驟：步驟1 相對振幅矢量和的計算（如為一般軸系，可省略）步驟2 激勵力矩計算Mv（若為柴油機(jī)軸系，方法同動力放大系數(shù)法步驟1；若為一般軸系，則已知條件給定）步驟3：激勵力矩功的計算 步驟4：阻尼功的計算各部件的阻尼功柴油機(jī)阻尼功減振器阻尼功硅油減振器：阻尼減振器：螺旋槳阻尼功軸段阻尼功彈性聯(lián)軸器阻尼功水力測功器阻尼功發(fā)電機(jī)阻尼功部件外

8、阻尼功的計算：阻尼力矩 阻尼系數(shù)在一個循環(huán)內(nèi)的阻尼功阻尼因子單位振幅阻尼功步驟5：阻尼力矩功Wc的計算(為系統(tǒng)各部件總阻尼功之和)步驟6：求第1質(zhì)量振幅A1 步驟711同動力放大系數(shù)法步驟610強(qiáng)迫振動計算結(jié)果表：節(jié)次諧次共振轉(zhuǎn)速r/min相對振幅矢量和曲軸應(yīng)力N/mm2中間軸應(yīng)力N/mm2槳軸應(yīng)力N/mm2聯(lián)軸器振動扭矩N.m嚙合處振動扭矩N.m6 一缸不發(fā)火的扭振計算1）不發(fā)火氣缸的平均指示壓力近似為零，相應(yīng)的氣體簡諧系數(shù)為bv；其他氣缸的平均指示壓力pimis為： N/mm2；式中：z-氣缸數(shù),pi按前面計算公式計算。2）相應(yīng)的Cimis為：3）一缸不發(fā)火影響系數(shù)為:式中：Cv、Cvmi

9、s分別為正常發(fā)火與一缸不發(fā)火時的簡諧系數(shù)；、分別為正常發(fā)火與一缸不發(fā)火時的相對振幅矢量和，其中按下式計算：不發(fā)火缸，其他氣缸為1；4）一缸不發(fā)火的振幅、應(yīng)力和扭矩： 第1質(zhì)量振幅為： 軸段應(yīng)力為： 齒輪嚙合處振動扭矩為：彈性聯(lián)軸器振動扭矩為：7 柴油機(jī)激勵的不均勻柴油機(jī)各缸在允許誤差范圍內(nèi)存在各缸負(fù)荷不均勻情況。因此，柴油機(jī)各缸的激勵實(shí)際是不均勻的。柴油機(jī)激勵的不均勻使軸系的扭振特性惡劣。軸系運(yùn)行時，這種激勵的不均勻一般是：(1) 柴油機(jī)型式不同，激勵不均勻情況不同。二沖程柴油機(jī)各缸激勵力矩之差一般為5%；四沖程柴油機(jī)各缸激勵力矩之差一般為10%；(2) 在軸系的不同運(yùn)行狀態(tài)，柴油機(jī)激勵不均勻

10、對軸系扭振特性的影響不同。一般，一缸熄火時的軸系扭振特性受到的影響程度要比軸系正常運(yùn)行時更大。(3) 復(fù)雜軸系考慮柴油機(jī)激勵的不均勻時，如多機(jī)軸系除各缸激勵不均勻外，同時，還應(yīng)考慮各臺柴油機(jī)激勵的相位角對這種不均勻產(chǎn)生的影響。8 衡準(zhǔn)(摘自：中國船級社鋼質(zhì)海船入級規(guī)范（2006）第3分冊第12章第2節(jié))8.1簡介軸系扭振計算衡準(zhǔn)基本上按規(guī)范要求的內(nèi)容。同時規(guī)范允許某些部件采用制造廠提供的標(biāo)準(zhǔn)或國際船級社協(xié)會(IACS)統(tǒng)一要求作為衡準(zhǔn)。8.2 適用范圍 (1)主柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng),但對僅在港口航行的船舶且主推進(jìn)柴油機(jī)額定功率小于110kW者除外; (2)重要用途的額定功率等于或大于110kW的輔柴

11、油機(jī)系統(tǒng); (3)渦輪機(jī)或電力推進(jìn)系統(tǒng)。8.3 扭振計算書扭振計算書應(yīng)包括:機(jī)型、額定功率、額定轉(zhuǎn)速、軸系布置圖、軸材料的抗拉強(qiáng)度、系統(tǒng)的扭振當(dāng)量參數(shù)及必要的說明、所要求的各節(jié)振動的霍爾茨表以及相應(yīng)的相對振幅矢量和、主要諧次的振動響應(yīng)計算及相應(yīng)的許用值。8.3.2 如果裝置在使用中存在不同工況時,如帶離合器、多機(jī)并車、軸帶發(fā)電機(jī)等等,均需按不同工況分別進(jìn)行扭振計算。如果備用的螺旋槳與工作的螺旋槳結(jié)構(gòu)尺寸有較大差別時,則還應(yīng)對安裝備用螺旋槳的系統(tǒng)進(jìn)行扭振計算。 8.3.4 對長期使用的特殊轉(zhuǎn)速要求,如可調(diào)槳的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍,軸帶發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍等,也應(yīng)加以說明。 8.3.5 對可調(diào)槳軸系,應(yīng)對

12、螺距為零和最大時的扭振進(jìn)行計算。8.3.6 對裝有彈性聯(lián)軸器或齒輪傳動裝置的軸系,應(yīng)對1缸熄火和1缸故障(無壓縮)情況進(jìn)行扭振計算。8.3.7 一般應(yīng)計算0.8nmin1.2ne (nmin為最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速,r/min)范圍內(nèi)直到12次簡諧的振動情況。對柴油機(jī)推進(jìn)軸系,還應(yīng)計算超過1.2ne的1節(jié)主簡諧產(chǎn)生的非共振情況。8.4 許用應(yīng)力計算軸系扭振許用應(yīng)力時,以軸的基本直徑為基礎(chǔ),而不計應(yīng)力集中的影響。即對曲軸以曲柄銷直徑為準(zhǔn),對中間軸以軸的最小直徑為準(zhǔn),對螺旋槳軸以其后軸承到隔艙壁密封填料函之間的最小直徑為準(zhǔn)。8.4.2 主推進(jìn)柴油機(jī)曲軸的扭振許用應(yīng)力應(yīng)不超過按下式計算所得之值:運(yùn)轉(zhuǎn)工況轉(zhuǎn)速比

13、范圍扭振許用應(yīng)力(N/mm2)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)瞬時運(yùn)轉(zhuǎn)式中：d軸段的基本直徑（規(guī)范中規(guī)定計算振型扭振應(yīng)力時，應(yīng)以軸的最小直徑為基礎(chǔ)，軸系應(yīng)力集中的影響可略而不計）； 轉(zhuǎn)速比，nc為共振轉(zhuǎn)速，r/min；ne為額定轉(zhuǎn)速，r/min圖1 推進(jìn)軸系柴油機(jī)曲軸扭振許用應(yīng)力 圖2 推力軸、中間軸、螺旋槳軸和尾管軸扭振許用應(yīng)力推力軸、中間軸、螺旋槳軸和尾管軸的扭振許用應(yīng)力應(yīng)不超過按下式計算所得之值:運(yùn)轉(zhuǎn)工況轉(zhuǎn)速比范圍扭振許用應(yīng)力(N/mm2)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)瞬時運(yùn)轉(zhuǎn)式中：CW材料系數(shù)：Rm軸材料的抗拉強(qiáng)度，對中間軸采用碳鋼和錳鋼時，如Rm>600N/mm2時，取600 N/mm2；對中間軸采用合金鋼時，如Rm>

14、;800N/mm2時，取800 N/mm2；對螺旋槳軸和尾軸，如Rm>600N/mm2時，取600 N/mm2；CK形狀系數(shù)，見表；CD尺度系數(shù)： 轉(zhuǎn)速比，nc為共振轉(zhuǎn)速，r/min；ne為額定轉(zhuǎn)速，r/min形狀系數(shù)CK 表8.4.4發(fā)電用柴油機(jī)及重要用途的輔柴油機(jī)曲軸與傳動軸,以及恒速運(yùn)轉(zhuǎn)的推進(jìn)柴油機(jī)曲軸,其扭振許用應(yīng)力應(yīng)不超過按下式計算所得之值：運(yùn)轉(zhuǎn)工況轉(zhuǎn)速比范圍扭振許用應(yīng)力(N/mm2)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)瞬時運(yùn)轉(zhuǎn)式中：d軸段的基本直徑（規(guī)范中規(guī)定計算振型扭振應(yīng)力時，應(yīng)以軸的最小直徑為基礎(chǔ)，軸系應(yīng)力集中的影響可略而不計）；轉(zhuǎn)速比，nc為共振轉(zhuǎn)速，r/min；ne為額定轉(zhuǎn)速，r/min8.4.

15、5 對恒速運(yùn)轉(zhuǎn)的推進(jìn)軸系,軸的扭振許用應(yīng)力可適當(dāng)提高,但應(yīng)經(jīng)CCS批準(zhǔn)。圖3 輔柴油機(jī)曲軸許用應(yīng)力 圖4 發(fā)電機(jī)許用振動扭矩 圖5 齒輪的許用振動扭矩8.4.5 當(dāng)和中軸材料抗拉強(qiáng)度大于430N/mm2時，則扭振許用應(yīng)力可用下式計算： （N/mm2）8.4.6 發(fā)電機(jī)的附加要求 (1) 在額定工況下,交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子處的合成振幅應(yīng)不大于3.5°(電角)。(2)施加在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子處的振動慣性扭矩,在r =0.951.10范圍內(nèi)應(yīng)不超過±2Me (Me 額定轉(zhuǎn)速時的平均扭矩), 在r <0.95范圍內(nèi)應(yīng)不超過±6Me。 8.4.7 齒輪的許用扭矩:齒輪傳動裝置中的齒

16、輪嚙合處的振動扭矩,在r =0.91.05范圍內(nèi)一般應(yīng)不超過全負(fù)荷平均扭矩的1/3。如果輪齒齒面接觸應(yīng)力和齒根彎曲應(yīng)力小于CCS“齒輪強(qiáng)度評定指南”規(guī)定的許用值時,則可以考慮采用較高的振動扭矩值。8.4.7彈性聯(lián)軸器的許用扭矩:彈性聯(lián)軸器的彈性元件,在持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時的振動扭矩應(yīng)不超過其許用交變扭矩值;瞬時運(yùn)轉(zhuǎn)時應(yīng)不超過其瞬時運(yùn)轉(zhuǎn)的許用交變扭矩值。8.4.8 其他(1) 在柴油機(jī)常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)或特殊使用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),不應(yīng)產(chǎn)生危險的共振轉(zhuǎn)速。 (2) 在r = 0.85時,由共振上波坡產(chǎn)生的扭振應(yīng)力應(yīng)不超過持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)許用應(yīng)力c。(3) 在r = 0.851.05范圍內(nèi),由共振和重要的非共振產(chǎn)生的合成應(yīng)力,

17、應(yīng)不超過規(guī)定的扭振許用應(yīng)力的1.5倍。 (4) 根據(jù)制造廠提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)或詳細(xì)計算資料,經(jīng)CCS審查同意,可采用制造廠提供的扭振許用應(yīng)力(或扭矩)值。(5) 曲軸扭振許用應(yīng)力也可按照國際船級社協(xié)會統(tǒng)一要求計算,但應(yīng)按CCS柴油機(jī)曲軸強(qiáng)度評定指南提交計算書。9 振動的轉(zhuǎn)速禁區(qū)9.1 如果軸系振動的振幅或應(yīng)力或扭矩超過本章規(guī)定的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的許用值時,則在這個共振轉(zhuǎn)速Nc附近應(yīng)設(shè)"轉(zhuǎn)速禁區(qū)"。在此禁區(qū)內(nèi),機(jī)器不應(yīng)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。9.2 應(yīng)避開的轉(zhuǎn)速范圍如下:9.3 如果振幅或應(yīng)力或扭矩接近瞬時運(yùn)轉(zhuǎn)許用值時,則轉(zhuǎn)速禁區(qū)應(yīng)適當(dāng)擴(kuò)大;反之如稍超過持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)許用值時,轉(zhuǎn)速禁區(qū)可適當(dāng)縮小。9.4 轉(zhuǎn)速禁區(qū)也可由實(shí)測確定，即可取超過持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)許用值的轉(zhuǎn)速,并適當(dāng)計入轉(zhuǎn)速表的誤差。9.5 因扭振而引起齒輪齒擊，或彈性元件的振動扭矩大于持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的許用交變扭矩時，應(yīng)設(shè)轉(zhuǎn)速禁區(qū)。9.6 如設(shè)轉(zhuǎn)速禁區(qū),則轉(zhuǎn)速表在轉(zhuǎn)速禁區(qū)附近的讀數(shù)誤差應(yīng)在±2%以內(nèi)。9.7 所設(shè)轉(zhuǎn)速禁區(qū)應(yīng)在轉(zhuǎn)速表上用紅色標(biāo)明,并應(yīng)在操縱臺前設(shè)告示牌。10 振動測量10.1 柴油機(jī)制造廠應(yīng)在臺架上對所設(shè)計的或有重大修改的柴油機(jī)進(jìn)行扭振和縱振(如有要求時)測量,并校核其當(dāng)量參數(shù)值。 10.2 CCS可根據(jù)所提供的振動計算方法、振幅或應(yīng)力或扭矩大小等情況,決定是否需要用實(shí)測來驗證。如提供類似裝置的實(shí)測報告并符合本章規(guī)定者