第三節(jié) 軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

1、第三節(jié)第三節(jié) 軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)軸系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng) 船舶推進(jìn)軸系是一個(gè)既有扭轉(zhuǎn)彈性、又船舶推進(jìn)軸系是一個(gè)既有扭轉(zhuǎn)彈性、又有回轉(zhuǎn)質(zhì)量的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)。軸系扭轉(zhuǎn)振有回轉(zhuǎn)質(zhì)量的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)。軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)為邊旋轉(zhuǎn)邊做周向來回振動(dòng)，不可避免。動(dòng)為邊旋轉(zhuǎn)邊做周向來回振動(dòng)，不可避免。規(guī)范要求：功率大于規(guī)范要求：功率大于220220KWKW的柴油機(jī)推進(jìn)系的柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)、額定功率大于統(tǒng)、額定功率大于110110KWKW的柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)要進(jìn)行扭振計(jì)算并提交審查及實(shí)船測量，要進(jìn)行扭振計(jì)算并提交審查及實(shí)船測量，如計(jì)算及測試超過規(guī)定必須采取避振和減如計(jì)算及測試超過規(guī)定必須采取避振和減振措施振措施一、扭擺扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

2、的特性一、扭擺扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的特性扭擺是最簡單的扭振系統(tǒng)，圓軸只有彈性扭擺是最簡單的扭振系統(tǒng)，圓軸只有彈性而無轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，圓盤只有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而無彈性而無轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，圓盤只有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而無彈性1 1扭擺的無阻尼自由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)（不計(jì)任何阻尼）扭擺的無阻尼自由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)（不計(jì)任何阻尼）sinsin（e et t） 1 1）是一種簡諧振動(dòng)）是一種簡諧振動(dòng)2 2）振動(dòng)三要素：振幅、自振圓頻率、初相位）振動(dòng)三要素：振幅、自振圓頻率、初相位IeIKe12 2扭擺的有阻尼自由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)扭擺的有阻尼自由扭轉(zhuǎn)振動(dòng) （計(jì)及阻尼的自（計(jì)及阻尼的自由扭振）由扭振）是一種簡諧振動(dòng)。但其振幅衰減，自振圓是一種簡諧振動(dòng)。但其振幅衰減，自振圓頻率

3、減小，周期增長頻率減小，周期增長)sin(22tnAeent3 3扭擺的有阻尼強(qiáng)制扭轉(zhuǎn)振動(dòng)（持續(xù)簡諧力矩，扭擺的有阻尼強(qiáng)制扭轉(zhuǎn)振動(dòng)（持續(xù)簡諧力矩，并計(jì)及阻尼的扭振）并計(jì)及阻尼的扭振）激勵(lì)力矩激勵(lì)力矩M Mt tsintsint 1 1+ + 2 2)sin(22tnAeent1 1）由強(qiáng)制振動(dòng)）由強(qiáng)制振動(dòng)與有阻尼自由扭振與有阻尼自由扭振兩種兩種簡諧振動(dòng)合成，經(jīng)過一定時(shí)間后簡諧振動(dòng)合成，經(jīng)過一定時(shí)間后消失，消失，只剩下強(qiáng)制振動(dòng)只剩下強(qiáng)制振動(dòng)2 2）強(qiáng)制振動(dòng)強(qiáng)制振動(dòng)是由激振力矩是由激振力矩M Mt t激起的，且其激起的，且其圓頻率與激振力矩圓頻率相同，即皆為同一圓頻率與激振力矩圓頻率相同，即皆為同

4、一個(gè)個(gè)3 3）A A的大小主要取決于扭擺的自振圓頻率的大小主要取決于扭擺的自振圓頻率e e與阻尼比與阻尼比n n。在無阻尼在無阻尼( (nn）情況下，若情況下，若e e，則振動(dòng)振幅則振動(dòng)振幅A A；在有阻尼情在有阻尼情況下，若況下，若e e，則則A A不會(huì)無限大，但也不會(huì)無限大，但也為最大值，稱系統(tǒng)共振為最大值，稱系統(tǒng)共振 二、軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性二、軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性為便于研究分析為便于研究分析, ,通常把柴油機(jī)及軸系轉(zhuǎn)通常把柴油機(jī)及軸系轉(zhuǎn)化為若干個(gè)只有柔度而無轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的軸段和化為若干個(gè)只有柔度而無轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的軸段和只有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而無柔度的集中質(zhì)量組成的扭只有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而無柔度的集中質(zhì)量組成的扭振系統(tǒng)。

5、這種轉(zhuǎn)化系統(tǒng)稱為柴油機(jī)及其軸系振系統(tǒng)。這種轉(zhuǎn)化系統(tǒng)稱為柴油機(jī)及其軸系的當(dāng)量扭振系統(tǒng)。柴油機(jī)推進(jìn)軸系為多質(zhì)量、的當(dāng)量扭振系統(tǒng)。柴油機(jī)推進(jìn)軸系為多質(zhì)量、多軸段的當(dāng)量扭振系統(tǒng)多軸段的當(dāng)量扭振系統(tǒng)二質(zhì)量系統(tǒng)二質(zhì)量系統(tǒng)( (兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量、一個(gè)軸段兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量、一個(gè)軸段) )三質(zhì)量系統(tǒng)三質(zhì)量系統(tǒng)( (三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量、兩個(gè)軸段三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量、兩個(gè)軸段) )n n質(zhì)量系統(tǒng)質(zhì)量系統(tǒng) 三、軸系的自由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性三、軸系的自由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性1 1雙質(zhì)量系統(tǒng)自由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性雙質(zhì)量系統(tǒng)自由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性1 1）兩個(gè)質(zhì)量進(jìn)行一種簡諧振動(dòng)，頻率、初相）兩個(gè)質(zhì)量進(jìn)行一種簡諧振動(dòng)，頻率、初相位相同位相同2 2）兩個(gè)質(zhì)量的振幅之比與轉(zhuǎn)動(dòng)

6、慣量成反比且）兩個(gè)質(zhì)量的振幅之比與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成反比且反向反向3 3）自振圓頻率）自振圓頻率W We e隨轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大和軸柔度隨轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大和軸柔度的增大而降低的增大而降低4 4）軸段某點(diǎn)扭振振幅始終為）軸段某點(diǎn)扭振振幅始終為0 0，該點(diǎn)稱為節(jié)，該點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)處扭矩最大，振幅或扭轉(zhuǎn)角位移為點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)處扭矩最大，振幅或扭轉(zhuǎn)角位移為0 0，并有發(fā)熱、發(fā)藍(lán)現(xiàn)象。兩質(zhì)量自由扭振，并有發(fā)熱、發(fā)藍(lán)現(xiàn)象。兩質(zhì)量自由扭振只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，且節(jié)點(diǎn)靠近轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大處只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，且節(jié)點(diǎn)靠近轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大處2 2三質(zhì)量系統(tǒng)的自由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性三質(zhì)量系統(tǒng)的自由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性1 1）由兩種簡諧振動(dòng)相加而成，）由兩種簡諧振動(dòng)相加

7、而成， e1e1 e2e22) 2) e1e1的振動(dòng)是單節(jié)振動(dòng)，的振動(dòng)是單節(jié)振動(dòng)， e2e2的振動(dòng)是的振動(dòng)是雙節(jié)振動(dòng)，節(jié)點(diǎn)多落在柔度較大的軸段雙節(jié)振動(dòng)，節(jié)點(diǎn)多落在柔度較大的軸段上上3.3.個(gè)質(zhì)量系統(tǒng)的自由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性個(gè)質(zhì)量系統(tǒng)的自由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性1 1）每個(gè)質(zhì)量的無阻尼扭振均為（）每個(gè)質(zhì)量的無阻尼扭振均為（1 1）種簡諧）種簡諧振動(dòng)相加而成振動(dòng)相加而成2 2）具有（）具有（1 1）個(gè)自振圓頻率，）個(gè)自振圓頻率， e1e1最低，最低， en-1en-1最高最高, ,單節(jié)點(diǎn)振動(dòng)振幅最大，多節(jié)點(diǎn)振動(dòng)單節(jié)點(diǎn)振動(dòng)振幅最大，多節(jié)點(diǎn)振動(dòng)的振幅遞減的振幅遞減3 3）具有（）具有（1 1）個(gè)振型，在這（）個(gè)振型，

8、在這（1 1）種簡）種簡諧振動(dòng)中，只在發(fā)生單節(jié)、雙節(jié)、三節(jié)扭轉(zhuǎn)振諧振動(dòng)中，只在發(fā)生單節(jié)、雙節(jié)、三節(jié)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)才產(chǎn)生較大的扭振振幅，具有破壞性。由動(dòng)時(shí)才產(chǎn)生較大的扭振振幅，具有破壞性。由于扭振導(dǎo)致軸系損壞時(shí)，雙節(jié)點(diǎn)振動(dòng)損壞部位于扭振導(dǎo)致軸系損壞時(shí)，雙節(jié)點(diǎn)振動(dòng)損壞部位一般多出現(xiàn)在曲軸上，單節(jié)點(diǎn)振動(dòng)損壞部位多一般多出現(xiàn)在曲軸上，單節(jié)點(diǎn)振動(dòng)損壞部位多在中間軸上在中間軸上四、軸系的強(qiáng)制扭轉(zhuǎn)振動(dòng)四、軸系的強(qiáng)制扭轉(zhuǎn)振動(dòng)軸系在周期性變化的外力矩作用下產(chǎn)生的軸系在周期性變化的外力矩作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)稱為強(qiáng)制扭轉(zhuǎn)振動(dòng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)稱為強(qiáng)制扭轉(zhuǎn)振動(dòng)1 1激振力矩激振力矩1 1）氣體力產(chǎn)生的周期性變化力矩）氣體力產(chǎn)生的周

9、期性變化力矩主要激振力矩。簡諧次數(shù)越高，簡諧力矩主要激振力矩。簡諧次數(shù)越高，簡諧力矩的振幅越小，對(duì)扭振影響越小的振幅越小，對(duì)扭振影響越小2 2）曲柄連桿機(jī)構(gòu)的重力和往復(fù)慣性力產(chǎn)生的）曲柄連桿機(jī)構(gòu)的重力和往復(fù)慣性力產(chǎn)生的周期性變化力矩周期性變化力矩3 3）螺旋槳、發(fā)電機(jī)阻力矩）螺旋槳、發(fā)電機(jī)阻力矩當(dāng)柴油機(jī)缸數(shù)是螺旋槳葉數(shù)整數(shù)倍時(shí)對(duì)軸當(dāng)柴油機(jī)缸數(shù)是螺旋槳葉數(shù)整數(shù)倍時(shí)對(duì)軸系扭振影響大系扭振影響大2 2扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的阻尼扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的阻尼1 1）類型：柴油機(jī)阻尼、軸段阻尼、螺旋槳）類型：柴油機(jī)阻尼、軸段阻尼、螺旋槳阻尼阻尼2 2）對(duì)振動(dòng)影響：振幅減小、頻率減小、周）對(duì)振動(dòng)影響：振幅減小、頻率減小、周期增長、相

10、位滯后期增長、相位滯后3 3軸系的強(qiáng)制扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性軸系的強(qiáng)制扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性1 1）軸系的共振）軸系的共振（1 1）f=f= n n（2 2）引起柴油機(jī)共振的轉(zhuǎn)速叫共振轉(zhuǎn)速或引起柴油機(jī)共振的轉(zhuǎn)速叫共振轉(zhuǎn)速或臨界轉(zhuǎn)速臨界轉(zhuǎn)速（3 3）軸系在柴油機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)（）軸系在柴油機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)（n nminmin- -n nmaxmax）臨界轉(zhuǎn)速很多臨界轉(zhuǎn)速很多2 2）主臨界轉(zhuǎn)速與副臨界轉(zhuǎn)速）主臨界轉(zhuǎn)速與副臨界轉(zhuǎn)速（1 1）主臨界轉(zhuǎn)速）主臨界轉(zhuǎn)速主共振的相應(yīng)轉(zhuǎn)速，主共振是由簡諧次數(shù)主共振的相應(yīng)轉(zhuǎn)速，主共振是由簡諧次數(shù) 等于曲軸每轉(zhuǎn)發(fā)火氣缸數(shù)整數(shù)倍的激振力矩等于曲軸每轉(zhuǎn)發(fā)火氣缸數(shù)整數(shù)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, ,二沖程機(jī)二沖程機(jī)n nk k= =f fe e/( mi)/( mi)，四沖程機(jī)四沖程機(jī)n nk k=2f=2fe e/ / (mi)(mi)軸系發(fā)生單節(jié)共振時(shí)主諧量對(duì)軸的激振作用軸系發(fā)生單節(jié)共振時(shí)主諧量對(duì)軸的激振作用強(qiáng)烈，其共振振幅最大，最危險(xiǎn)強(qiáng)烈，其共振振幅最大，最危險(xiǎn)（2 2）副臨界轉(zhuǎn)速：主臨界轉(zhuǎn)速以外的所有臨）副臨界轉(zhuǎn)速：主臨界轉(zhuǎn)速以外的所有臨界轉(zhuǎn)速或副共振相應(yīng)的轉(zhuǎn)速界轉(zhuǎn)速或副共振相應(yīng)的轉(zhuǎn)速4 4封缸運(yùn)行時(shí)的扭振特點(diǎn)封缸運(yùn)行時(shí)的扭振特點(diǎn)1 1）封缸運(yùn)行類型）封缸運(yùn)行類型（1 1）單缸停油，運(yùn)動(dòng)件未拆除）單缸停油，運(yùn)動(dòng)件未拆

12、除（2 2）損壞運(yùn)動(dòng)件拆除）損壞運(yùn)動(dòng)件拆除2 2）相應(yīng)扭振特點(diǎn)）相應(yīng)扭振特點(diǎn)（1 1）運(yùn)動(dòng)件未拆除較常見，使扭振振幅和扭振應(yīng)）運(yùn)動(dòng)件未拆除較常見，使扭振振幅和扭振應(yīng)力增大，即扭振惡化力增大，即扭振惡化（2 2）運(yùn)動(dòng)件拆除對(duì)扭振影響最嚴(yán)重，使轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）運(yùn)動(dòng)件拆除對(duì)扭振影響最嚴(yán)重，使轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，固有頻率、固有振型發(fā)生變化，扭振振減小，固有頻率、固有振型發(fā)生變化，扭振振幅、應(yīng)力增大幅、應(yīng)力增大5 5現(xiàn)代船用大型柴油機(jī)的扭振特點(diǎn)現(xiàn)代船用大型柴油機(jī)的扭振特點(diǎn)使軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)加劇，中間軸產(chǎn)生過大的扭使軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)加劇，中間軸產(chǎn)生過大的扭振振幅和扭振附加應(yīng)力振振幅和扭振附加應(yīng)力五五 軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的減振措施軸

13、系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的減振措施一、船舶軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)許用應(yīng)力和許用扭矩一、船舶軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)許用應(yīng)力和許用扭矩1 1轉(zhuǎn)速比轉(zhuǎn)速比r=r=共振轉(zhuǎn)速共振轉(zhuǎn)速/ /標(biāo)定轉(zhuǎn)速標(biāo)定轉(zhuǎn)速= =n nc c / /n ne e2 2持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)工況持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)工況0 0 1.01.03 3危險(xiǎn)臨界轉(zhuǎn)速危險(xiǎn)臨界轉(zhuǎn)速1 1）扭振應(yīng)力或扭矩超過持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的許用值時(shí)的共振轉(zhuǎn)）扭振應(yīng)力或扭矩超過持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的許用值時(shí)的共振轉(zhuǎn)速速2 2）防止措施：（）防止措施：（1 1）設(shè)轉(zhuǎn)速禁區(qū)；（）設(shè)轉(zhuǎn)速禁區(qū)；（2 2）禁區(qū)內(nèi)不應(yīng)）禁區(qū)內(nèi)不應(yīng)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，允許快速超越；（持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，允許快速超越；（3 3）轉(zhuǎn)速表用紅色標(biāo)明，）轉(zhuǎn)速表用紅色標(biāo)明，并在操縱臺(tái)前設(shè)示告牌

14、并在操縱臺(tái)前設(shè)示告牌4 4常用轉(zhuǎn)速常用轉(zhuǎn)速0.80.81.051.05范圍內(nèi)不允許存在轉(zhuǎn)速禁區(qū)。范圍內(nèi)不允許存在轉(zhuǎn)速禁區(qū)。在在0.90.91.031.03范圍內(nèi)應(yīng)盡可能不用減小振幅的方范圍內(nèi)應(yīng)盡可能不用減小振幅的方法來消除轉(zhuǎn)速禁區(qū)法來消除轉(zhuǎn)速禁區(qū)二、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的減振措施回避法二、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的減振措施回避法1 1“轉(zhuǎn)速禁區(qū)轉(zhuǎn)速禁區(qū)”回避法回避法主要用在大型船用柴油機(jī)上主要用在大型船用柴油機(jī)上2 2頻率調(diào)整法頻率調(diào)整法1 1）改變系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加大飛輪慣量或加）改變系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加大飛輪慣量或加裝副飛輪以降低軸系單節(jié)、雙節(jié)自振頻率裝副飛輪以降低軸系單節(jié)、雙節(jié)自振頻率2 2）改變軸段的彈性增大軸徑或裝設(shè)

15、高彈性）改變軸段的彈性增大軸徑或裝設(shè)高彈性聯(lián)軸器（節(jié)）聯(lián)軸器（節(jié)）3 3減小激振能法減小激振能法1 1）改變發(fā)火順序以減小副諧量的激振能）改變發(fā)火順序以減小副諧量的激振能2 2）合理選擇螺旋槳以減小螺旋槳的激振能）合理選擇螺旋槳以減小螺旋槳的激振能4 4阻尼減振法設(shè)阻尼減振器阻尼減振法設(shè)阻尼減振器三、減振器與彈性聯(lián)軸器三、減振器與彈性聯(lián)軸器1 1扭振減振器（常裝在自由端，用于消耗激振能）扭振減振器（常裝在自由端，用于消耗激振能）1 1）作用：（）作用：（1 1）改變振型、節(jié)點(diǎn)位置和自振頻）改變振型、節(jié)點(diǎn)位置和自振頻率；（率；（2 2）限制扭振振幅增大）限制扭振振幅增大2 2）類型：）類型：（1

16、 1）動(dòng)力型只用于定速運(yùn)行柴油機(jī)）動(dòng)力型只用于定速運(yùn)行柴油機(jī)（2 2）阻尼型可減小振幅，常見為硅油減振）阻尼型可減小振幅，常見為硅油減振器器（3 3）動(dòng)力阻尼型）動(dòng)力阻尼型 常見有金屬簧片式和套筒彈常見有金屬簧片式和套筒彈簧式簧式2 2彈性聯(lián)軸器彈性聯(lián)軸器可使柴油機(jī)無轉(zhuǎn)速禁區(qū)，只對(duì)單節(jié)點(diǎn)振動(dòng)有可使柴油機(jī)無轉(zhuǎn)速禁區(qū)，只對(duì)單節(jié)點(diǎn)振動(dòng)有顯著減振效果顯著減振效果3 3減振器及彈性聯(lián)軸器的維護(hù)管理減振器及彈性聯(lián)軸器的維護(hù)管理1 1）減振器維護(hù)管理）減振器維護(hù)管理阻尼式應(yīng)保證阻尼液無漏失，無需定期拆阻尼式應(yīng)保證阻尼液無漏失，無需定期拆檢；動(dòng)力式運(yùn)行中應(yīng)保證彈簧片間充滿滑油，檢；動(dòng)力式運(yùn)行中應(yīng)保證彈簧片間充滿滑油，檢查中若發(fā)現(xiàn)一片彈簧損壞則換新該組彈簧檢查中若發(fā)現(xiàn)一片彈簧損壞則換新該組彈簧片片2 2）彈性聯(lián)軸器的管理）彈性聯(lián)軸器的管理（1 1）橡膠彈性聯(lián)軸器最高使用環(huán)境溫度不）橡