第十一章柴油機和軸系振動及船舶推進裝置

第十一章柴油機和軸系振動及船舶推進裝置第一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)活塞、連桿的運動及受力一、活塞的運動二、連桿的運動三、曲柄連桿機構(gòu)的氣體力和慣性力四、曲柄連桿機構(gòu)作用力分析next6711第二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)α=90°或270°時

x=R+λR/2＞R一、活塞的運動x≈R(1-cos)+(1-cos2)1．活塞的位移λ=R/L連桿比當(dāng)α=0°時,x=0(上止點);當(dāng)α=180°時,x=2R=S(下止點);第三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五2.活塞的速度X′≈Rωsin+(2ω)sin2當(dāng)=0°時(上止點)或=180°時(下止點)x′=0活塞運動的最大速度x′max則出現(xiàn)在α＜90°的某一位置。第四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五3.活塞的加速度X″≈Rω2cos+(2ω)2cos2在α＜90°或α＞270°的某個位置x″=0

當(dāng)α=0°時,x″max=Rω2(1+λ),方向向下;當(dāng)α=180°時,x″=-Rω2(1-λ)，方向向上；2第五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五二、連桿的運動當(dāng)α=90°和α=270°時,β″達到最大值。

β″與β方向相反連桿的擺角β=sin-1(λsin)

連桿擺動角速度β′=λωcossecβ連桿擺動角加速度

β″=-λ(1-λ2)ω2·sin·sec3β當(dāng)α=90°和270°時,連桿在氣缸中心線兩側(cè)的擺角的絕對值達到最大值（右側(cè)為正）當(dāng)α=0°和180°、β=0°時,連桿擺動角速度最快,其數(shù)值相等,方向相反。2第六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五三、曲柄連桿機構(gòu)的氣體力和慣性力1.氣體力Fg作用在活塞上的氣體力Fg為:第七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五MLMLAMLBAB2、慣性力1）.運動部件的質(zhì)量代換連桿質(zhì)量的代換mlmlA+mlB

A小端小端大端連桿力偶ML往復(fù)運動質(zhì)量mj=mp+mlA

不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量mR=mk+mlB

第八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五ω2)往復(fù)慣性力一次往復(fù)慣性力mj/2Rω同步反向轉(zhuǎn)二次往復(fù)慣性力mj/2

R

2ω同步反向轉(zhuǎn)第九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五連桿在右時為順時針，連桿在左時為逆時針。

3)回轉(zhuǎn)慣性力

FR=-mRR2方向與向心加速度的方向相反4)連桿力偶作用在連桿擺動平面內(nèi)。ML2第十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五3.切向力T和法向力Z

四、曲柄連桿機構(gòu)作用力分析1.合力FF=Fg+Fj2.側(cè)推力FＮ和連桿推力FL4.柴油機的輸出力矩和傾覆力矩動力矩:TR傾覆力矩:FHH=－TR輸出力矩和傾覆力矩大小相等而方向相反11第十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五11第十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五角速度波動。柴油機的單缸切向力曲線和總切向力曲線總切向力TΣ總切向力矩TΣ?R為曲軸的輸出力矩，大小是交變的，一個循環(huán)變化i（氣缸數(shù)）次。第十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五柴油機的回轉(zhuǎn)不均度2第十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)柴油機的振動與平衡柴油機的振動危害

一、單缸柴油機中的振動

二、單缸柴油機的平衡三、多缸柴油機的振動四、多缸柴油機的平衡23810第十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五一、單缸柴油機中的振動

1.氣體力Fg在內(nèi)部得到平衡,但使機體產(chǎn)生拉伸應(yīng)力且產(chǎn)生傾覆力矩。

2.往復(fù)慣性力Fj引起柴油機上下振動，還產(chǎn)生側(cè)推力形成傾覆力矩。

3.離心力FR使柴油機上下、左右方向振動。4.傾覆力矩MD使柴油機左右搖擺振動(橫向振動)。5.連桿力偶ML引起柴油機左右擺動。1第十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五二、單缸柴油機的平衡在曲柄臂配置平衡重塊,使之產(chǎn)生的離心力與FR相等。1.離心力FR的平衡第十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五使兩個質(zhì)量m1以角速度ω作同步反方向回轉(zhuǎn),它們從下止點起轉(zhuǎn)過的角度α與一次曲柄從上止點起轉(zhuǎn)過的角度相同,并且使2.往復(fù)慣性力Fj的平衡正反轉(zhuǎn)矢量平衡法Fj1的平衡第十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五使兩個質(zhì)量m2以2ω作同步反方向回轉(zhuǎn),它們從下止點轉(zhuǎn)過的角度2α與二次曲柄從上止點轉(zhuǎn)過的角度相同,并且使Fj2的平衡第十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第二十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五4.連桿力偶ML：由于連桿力偶ML較小,不采取平衡措施3.傾覆力矩MD：依靠強大的地基由機座的地腳螺栓來承受

1第二十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五三、多缸柴油機的振動1.多缸柴油機的慣性力合成離心慣性力ΣFR

ΣFR=0不會造成振動合成往復(fù)慣性力ΣFj

ΣFj1=0ΣFj2=0多缸柴油機通常均可自身平衡,不產(chǎn)生振動。

2.多缸柴油機的慣性力矩（ΣMRΣMj多不為零）合成離心力矩ΣMR：垂直分量MRV使柴油機在縱平面內(nèi)產(chǎn)生擺動水平分量MRH使柴油機在水平面內(nèi)產(chǎn)生擺動大小固定、相對于曲柄的位置固定、以ω于曲柄同步回轉(zhuǎn)。第二十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五包括一次往復(fù)慣性力矩ΣMj1

二次往復(fù)慣性力矩ΣMj2合成往復(fù)慣性力矩ΣMj使柴油機在縱向平面內(nèi)產(chǎn)生擺動3.總傾覆力矩ΣMD使固定件產(chǎn)生左右搖擺4.總連桿力偶ΣML

影響很小,可忽略不計1第二十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五若單位功率不平衡力矩小于60N?m/kW可不安裝平衡裝置大于200N?m/kW建議安裝平衡裝置在60~200N?m/kW視情而定四、多缸柴油機的平衡第二十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五1.柴油機的外部平衡和內(nèi)部平衡

內(nèi)部平衡外部平衡在多缸柴油機中,如果通過某種適當(dāng)?shù)那帕谢蛘卟扇〈胧┦功睩R=0；ΣMR=0；ΣFj1=0；ΣMj1=0；ΣFj2=0；ΣΜj2=0則稱柴油機達到了外部平衡。采取某些措施分別使各缸的慣性力得到平衡(一般只使離心力得到平衡)以改善柴油機內(nèi)部受力情況的方法稱為內(nèi)部平衡。12第二十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五11第二十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五2、離心慣性力及力矩的平衡各缸平衡法分段平衡法整體平衡法不規(guī)則平衡法第二十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五3、往復(fù)慣性力矩的平衡第二十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五4.總傾覆力矩ΣMD的控制十字頭低速機液力或機械支撐中高速機彈性支承1第二十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié)軸系的扭轉(zhuǎn)振動軸系在柴油機、螺旋槳等周期性的激振力矩作用下所產(chǎn)生的周向交變運動及相應(yīng)變形稱為軸系的扭轉(zhuǎn)振動。扭轉(zhuǎn)振動:扭振的危害：軸系裂紋和斷裂損壞傳動齒輪、聯(lián)軸器等等第三十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第四節(jié)軸系的扭轉(zhuǎn)振動一、扭擺扭轉(zhuǎn)振動的特性二、軸系扭轉(zhuǎn)振動的力學(xué)簡化模型三、軸系的自由扭轉(zhuǎn)振動特性四、軸系的強制扭轉(zhuǎn)振動38915第三十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五一、扭擺扭轉(zhuǎn)振動的特性3扭擺的有阻尼強制扭轉(zhuǎn)振動1扭擺的無阻尼自由扭轉(zhuǎn)振動2扭擺的有阻尼自由扭轉(zhuǎn)振動4562第三十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五扭擺：圓軸只有彈性而無轉(zhuǎn)動慣量，圓盤只有轉(zhuǎn)動慣量而無彈性1扭擺的無阻尼自由扭轉(zhuǎn)振動φ＝Ａ·sin（ωet＋ε）特征：(1)是一種簡諧振動(2)頻率fe≈9.55ωe只取決于(I、e)(3)振幅A大小取決于外力矩大小3一、扭擺扭轉(zhuǎn)振動的特性第三十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五2扭擺的有阻尼自由扭轉(zhuǎn)振動(2)自振圓頻率ωe２－n２小于無阻尼自由振動圓頻率ωe，大小也與外力矩?zé)o關(guān)。3n——阻尼比特征：(1)是簡諧振動。振幅是衰減的。一定時間后其振幅e－nt·Ａ→0，即扭振終止。阻尼比n越大，衰減愈快。第三十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五3扭擺的有阻尼強制扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)共振(ωe＝ω)激勵力矩:Mt＝Ｍsinωt特征：(1)由強制振動φ１與有阻尼自由扭振φ２兩種簡諧振動合成的。(2)強制振動φ１是由激振力矩Mt激起的，其圓頻率與激振力矩圓頻率相同。(3)強制振動φ１與激振力矩Mt在相位上不同步。

φ１比Mt在相位上落后ψ角，而且其振幅A１也不同于由M使軸產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角。(4）A１大小主要取決于扭擺的自振圓頻率ωe與阻尼比n。73第三十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五6第三十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五二、軸系扭轉(zhuǎn)振動的力學(xué)簡化模型通常把軸系轉(zhuǎn)化為只有柔度而無轉(zhuǎn)動慣量的軸段和只有轉(zhuǎn)動慣量而無柔度的集中質(zhì)量組成的扭振系統(tǒng)。當(dāng)量扭振系統(tǒng)。二質(zhì)量系統(tǒng);三質(zhì)量系統(tǒng);……;n質(zhì)量系統(tǒng)系統(tǒng)2第三十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五三、軸系的自由扭轉(zhuǎn)振動特性

1.雙質(zhì)量系統(tǒng)無阻尼自由振動2.三質(zhì)量系統(tǒng)的自由扭轉(zhuǎn)振動特性3.n質(zhì)量系統(tǒng)的無阻尼自由扭轉(zhuǎn)振動特性2101113第三十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五1.雙質(zhì)量系統(tǒng)無阻尼自由振動特點：(1)兩質(zhì)量都進行簡諧振動頻率、初相位相同；方向相反(2)兩質(zhì)量振幅與轉(zhuǎn)動慣量成反比(3)自振圓頻率取決于轉(zhuǎn)動慣量和軸的柔度節(jié)(結(jié))點節(jié)點處的扭矩最大兩質(zhì)量扭振只有一個節(jié)點，且節(jié)點靠近轉(zhuǎn)動慣量較大處9第三十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五2三質(zhì)量系統(tǒng)的自由扭轉(zhuǎn)振動特性1=A1(1)sin(e1t+1)+A1(2)sin(e2t+2)2=A2(1)sin(e1t+1)+A2(2)sin(e2t+2)3=A3(1)sin(e1t+1)+A3(2)sin(e2t+2)1)由兩種簡諧振動相加而成;2)兩種自振頻率,ωe1＜ωe2。數(shù)值取決于轉(zhuǎn)動慣量和軸段柔度。3)在不同圓頻率下振動的振型是不同的。在低圓頻率ωe1下的振動是單節(jié)振動。在高圓頻率ωe2下的振動是雙節(jié)振動,它有兩個節(jié)點,質(zhì)量愈大離節(jié)點愈近,振幅愈小。129第四十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五11第四十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五3.n質(zhì)量系統(tǒng)的無阻尼自由扭轉(zhuǎn)振動特性1=A1(1)sin(e1t+1)+A1(2)sin(e2t+2)+……+A1(n-1)sin(e(n-1)t+n-1)2=A2(1)sin(e1t+1)+A2(2)sin(e2t+2)+……+A2(n-1)sin(e(n-1)t+n-1)…………n=An(1)sin(e1t+1)+An(2)sin(e2t+2)+……+An(n-1)sin(e(n-1)t+n-1)1)每個質(zhì)量扭振均為(n-1)種簡諧振動相加而成;2)有(n-1)個自振頻率,ωe1＜ωe2＜ωe3＜…＜ωe(n-1)。單節(jié)點振動振幅最大,多節(jié)點振動的振幅遞減;3)有(n-1)個振型即單節(jié)點、雙節(jié)點、三節(jié)點……(n-1)節(jié)點自由扭轉(zhuǎn)振動振型。914第四十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五13第四十三頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五四、軸系的強制扭轉(zhuǎn)振動1.激振力矩2.軸系阻尼3.軸系的強制扭轉(zhuǎn)振動特性

4.現(xiàn)代船用大型柴油機的扭振特點216181920第四十四頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五1.激振力矩簡諧次數(shù)γ越高，簡諧力矩的振幅Mν越小，對扭振影響越小。一般只考慮γ≤12的激振力矩。γ-簡諧次數(shù)(曲軸一轉(zhuǎn)中激振力矩的作用次數(shù)）四沖程機γ=、1、1、2、…二沖程機γ=1、2、3、…ω-曲軸回轉(zhuǎn)角速度，ω=2лn/601715第四十五頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五16第四十六頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五2.軸系阻尼1)柴油機阻尼2)軸段阻尼3)螺旋槳阻尼15第四十七頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五3.軸系的強制扭轉(zhuǎn)振動特性

當(dāng)某次簡諧力矩的變化頻率等于軸系的某個自振頻率時，軸系便會產(chǎn)生這個自振頻率及振動形式下的共振產(chǎn)生共振轉(zhuǎn)速稱臨界轉(zhuǎn)速1)軸系的共振激振力矩頻率f=νn2)主臨界轉(zhuǎn)速與副臨界轉(zhuǎn)速主臨界轉(zhuǎn)速為主共振的相應(yīng)轉(zhuǎn)速主共振是由簡諧次數(shù)ν等于曲軸每轉(zhuǎn)發(fā)火氣缸數(shù)整數(shù)倍的激振力矩(稱主諧量)所引起的共振。二沖程機主諧量νk＝mi，四沖程機主諧量νk＝mi／２副臨界轉(zhuǎn)速為主臨界轉(zhuǎn)速以外的所有臨界轉(zhuǎn)速15第四十八頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五

4.現(xiàn)代船用大型柴油機的扭振特點現(xiàn)代船用大型柴油機發(fā)展的顯著特點是：長行程或超長行程；單缸功率大、缸數(shù)少現(xiàn)代船用大型柴油機的扭振特點使得柴油機輸出扭矩更加不均勻,使激振力矩增加;軸系的自振頻率降低,易出現(xiàn)由低次簡諧力矩激起的扭振共振;柴油機回轉(zhuǎn)不均勻引起螺旋槳推力不均勻,易激發(fā)軸系的縱振和船體振動。

15第四十九頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五第四節(jié)軸系扭轉(zhuǎn)振動的減振措施

一、船舶軸系扭轉(zhuǎn)振動許用應(yīng)力和許用扭矩第五十頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五《規(guī)范》對轉(zhuǎn)速禁區(qū)的規(guī)定應(yīng)在轉(zhuǎn)速表上用紅色標(biāo)明在操縱臺前設(shè)示告牌。在常用轉(zhuǎn)速(r＝０.８～１.０５）范圍內(nèi)，不允許存在轉(zhuǎn)速禁區(qū)。

在r＝０．９～１．０３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)

轉(zhuǎn)速禁區(qū)：扭振應(yīng)力或扭矩超過持續(xù)運轉(zhuǎn)的許用值時扭振引起齒輪齒擊、彈性元件的交變扭矩大于持續(xù)運轉(zhuǎn)的許用交變扭矩時轉(zhuǎn)速禁區(qū)范圍對單節(jié)振動該禁區(qū)范圍可取±10%nc雙節(jié)以上振動可取±5%nc第五十一頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五二、扭轉(zhuǎn)振動的減振和避振措施

1.“轉(zhuǎn)速禁區(qū)”回避法2.頻率調(diào)整法3.減小激振能法4.阻尼減振法改變發(fā)火次序和紐振系統(tǒng)振型等改變系統(tǒng)自振頻率第五十二頁，共六十頁，編輯于2023年，星期五三、減振器與彈性聯(lián)軸器1扭振減振器類型：動力型阻尼型動力阻尼型作用:其一改變振型、節(jié)點位置和自振頻率;其二