第十一章柴油机和轴系振动及船舶推进装置.ppt

第一节 活塞、连杆的运动及受力一、活塞的运动二、连杆的运动三、 曲柄连杆机构的气体力和惯性力四、曲柄连杆机构作用力分析 next6711 当α=90°或270°时 x=R+λR/2＞R一、活塞的运动 x≈R(1-cos)+ (1-cos2)1．活塞的位移λ=R/L连杆比当α=0°时,x=0(上止点);当α=180°时,x=2R=S(下止点);2.活塞的速度 lX′≈Rωsin+         (2ω)sin2l当 =0°时(上止点)或 =180°时(下止点)          x′ =0l活塞运动的最大速度x′max则出现在α＜90°的某一位置3. 活塞的加速度 lX″≈Rω2cos+      (2ω) 2cos2l在α＜90°或α＞270°的某个位置x″ =0 •当α=0°时, x″max=Rω2 (1+λ),方向向下;•当α=180°时, x″= -Rω2(1-λ)，方向向上；2二、连杆的运动l当α=90°和α=270°时, β″达到最大值      β″与β方向相反•连杆的摆角 β=sin-1(λsin) •连杆摆动角速度 β′=λωcossecβ•连杆摆动角加速度               β″=-λ(1-λ2)ω2·sin·sec3β •当α=90°和270°时, 连杆在气缸中心线    两侧的摆角的绝对值达到最大值（右侧为正）•当α=0°和180°、β=0°时, 连杆摆动角    速度最快,其数值相等,方向相反。

2三、 曲柄连杆机构的气体力和惯性力1. 气体力Fg作用在活塞上的气体力Fg 为 :MLMLAMLBAB2、惯性力1）.运动部件的质量代换连杆质量的代换 mlmlA+mlB A小端小端大端连杆力偶ML•往复运动质量 mj=mp+mlA •不平衡回转质量 mR=mk+mlB ωl2) 往复惯性力一次往复惯性力mj/2 R ω同步反向转二次往复惯性力mj/2     R    2ω同步反向转 连杆在右时为顺时针，连杆在左时为逆时针 •3) 回转惯性力 FR=-mRR2方向与向心加速度的方向相反•4) 连杆力偶作用在连杆摆动平面内ML23. 切向力T和法向力Z 四、曲柄连杆机构作用力分析 1.合力FF=Fg+Fj2.侧推力FＮ和连杆推力FL4. 柴油机的输出力矩和倾 覆力矩– 动力矩: TR– 倾覆力矩: FHH =－TR输出力矩和倾覆力矩大小相等而方向相反1111角速度波动柴油机的单缸切向力曲线和总切向力曲线总切向力TΣ总切向力矩TΣ•R为曲轴的输出力矩，大小是交变的，一个循环变化i（气缸数）次柴油机的回转不均度2第二节 柴油机的振动与平衡柴油机的振动危害 一、单缸柴油机中的振动 二、单缸柴油机的平衡三、多缸柴油机的振动四、多缸柴油机的平衡23810一、单缸柴油机中的振动 1.气体力Fg在内部得到平衡, 但使机体产生拉伸应力且产生倾覆力矩。

2.往复惯性力Fj引起柴油机上下振动，还产生侧推力形成倾覆力矩 3.离心力FR使柴油机上下、左右方向振动4.倾覆力矩MD使柴油机左右摇摆振动(横向振动)5.连杆力偶ML引起柴油机左右摆动1二、单缸柴油机的平衡在曲柄臂配置平衡重块在曲柄臂配置平衡重块,使之使之产生的离心力与产生的离心力与FR相等1.离心力FR的平衡使两个质量m1以角速度ω作同步反方向回转,它们从下止点起转过的角度α与一次曲柄从上止点起转过的角度相同, 并且使2.往复惯性力Fj的平衡正反转矢量平衡法Fj1的平衡使两个质量m2以2ω作同步反方向回转,它们从下止点转过的角度2α与二次曲柄 从 上 止 点 转过的角度相同,并且使Fj2的平衡4.连杆力偶ML：由于连杆力偶ML较小, 不采取平衡措施3.倾覆力矩MD：依靠强大的地基由机座的地脚螺栓来承受  1三、多缸柴油机的振动1.多缸柴油机的惯性力•合成离心惯性力ΣFR ΣFR=0不会造成振动•合成往复惯性力ΣFj ΣFj1=0 ΣFj2=0多缸柴油机通常均可自身平衡, 不产生振动 2.多缸柴油机的惯性力矩（ ΣMR ΣMj多不为零）•合成离心力矩ΣMR： 垂直分量MRV使柴油机在纵平面内产生摆动 水平分量 MRH使柴油机在水平面内产生摆动 大小固定、相对于曲柄的位置固定、以ω于曲柄同步回转。

包括 一次往复惯性力矩ΣMj1 二次往复惯性力矩ΣMj2•合成往复惯性力矩ΣMj使柴油机在纵向平面内产生摆动3.总倾覆力矩ΣMD使固定件产生左右摇摆4.总连杆力偶ΣML 影响很小, 可忽略不计1若单位功率不平衡力矩           小于60N • m/kW      可不安装平衡装置           大于200N • m/kW    建议安装平衡装置           在60~200N • m/kW 视情而定四、多缸柴油机的平衡1.柴油机的外部平衡和内部平衡 l内部平衡 •外部平衡 在多缸柴油机中,如果通过某种适当的曲柄排列或者采取措施使 ΣFR=0；ΣMR=0；ΣFj1=0；ΣM j1=0； ΣFj2=0； ΣΜj2=0则称柴油机达到了外部平衡采取某些措施分别使各缸的惯性力得到平衡(一般只使离心力得到平衡)以改善柴油机内部受力情况的方法称为内部平衡12112、离心惯性力及力矩的平衡各缸平衡法分段平衡法整体平衡法不规则平衡法3、往复惯性力矩的平衡4.总倾覆力矩ΣMD的控制l十字头低速机 液力或机械 支撑•中高速机 弹性支承1第三节 轴系的扭转振动 轴系在柴油机、螺旋桨等周期性的激振力矩作用下所产生的周向交变运动及相应变形称为轴系的扭转振动。

扭转振动:扭振的危害：轴系裂纹和断裂损坏传动齿轮、联轴器等等第四节 轴系的扭转振动一、扭摆扭转振动的特性二、轴系扭转振动的力学简化模型三、轴系的自由扭转振动特性 四、轴系的强制扭转振动38915一、扭摆扭转振动的特性3扭摆的有阻尼强制扭转振动1扭摆的无阻尼自由扭转振动2扭摆的有阻尼自由扭转振动4562扭摆：圆轴只有弹性而无转动惯量， 圆盘只有转动惯量而无弹性1扭摆的无阻尼自由扭转振动 φ＝Ａ·sin（ωet＋ε）特征：(1)是一种简谐振动(2)频率fe≈9.55ωe 只取决于(I、e)(3)振幅A大小取决于 外力矩大小3一、扭摆扭转振动的特性2扭摆的有阻尼自由扭转振动(2)自振圆频率ωe２－n２小于无阻尼自由振动圆频 率ωe，大小也与外力矩无关3n——阻尼比特征：(1)是简谐振动振幅是衰减的一定时间后其振 幅e－nt·Ａ→0，即扭振终止阻尼比n越大，衰 减愈快3扭摆的有阻尼强制扭转振动 系统共振(ωe＝ω) 激励力矩:Mt＝Ｍsinωt特征： (1)由强制振动φ１与有阻尼自由扭振φ２两种简谐振动合成的。

2)强制振动φ１是由激振力矩Mt激起的，其圆频率与激振力 矩圆频率相同3)强制振动φ１与激振力矩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使轴产生的扭转角4）A１大小主要取决于扭摆的自振圆频率ωe与阻尼比n736二、轴系扭转振动的力学简化模型通常把轴系转化为只有柔度而无转动惯量的轴段和只有转动惯量而无柔度的集中质量组成的扭振系统当量扭振系统二质量系统;三质量系统;……;n质量系统系统2三、轴系的自由扭转振动特性三、轴系的自由扭转振动特性 1.双质量系统无阻尼自由振动双质量系统无阻尼自由振动2.三质量系统的自由扭转振动特性3. n质量系统的无阻尼自由扭转振动特性质量系统的无阻尼自由扭转振动特性21011131.双质量系统无阻尼自由振动特点：(1)两质量都进行简谐振动 频率、初相位相同；方向相反 (2)两质量振幅与转动惯量成反比(3)自振圆频率取决于转动惯量和轴的柔度节(结)点节点处的扭矩最大两质量扭振只有一个节点，且节点靠近转动惯量较大处92三质量系统的自由扭转振动特性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) 由两种简谐振动相加而成;2) 两种自振频率, ωe1＜ωe2。

数值取决于转动惯量和轴段柔度3) 在不同圆频率下振动的振型是不同的 在低圆频率ωe1下的振动是单节振动 在高圆频率ωe2下的振动是双节振动,它有两个节点, 质量愈大离节点愈近,振幅愈小129113. n 质量系统的无阻尼自由扭转振动特性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) 每个质量扭振均为(n-1)种简谐振动相加而成;2) 有(n-1)个自振频率, ωe1＜ωe2＜ωe3＜…＜ωe(n-1)单节点振动振幅 最大,多节点振动的振幅递减;3) 有(n-1)个振型 即单节点、双节点、三节点……(n-1)节点自由 扭转振动振型91413四、轴系的强制扭转振动1.激振力矩2.轴系阻尼3.轴系的强制扭转振动特性 4.现代船用大型柴油机的扭振特点2161819201.激振力矩简谐次数γ越高，简谐力矩的振幅Mν越小，对扭振影响越小。

一般只考虑γ≤12的激振力矩γ-简谐次数(曲轴一转中激振力矩的作用次数）四冲程机γ= 、1、1 、2、…二冲程机γ=1、2、3、…ω-曲轴回转角速度，ω=2лn/601715162. 轴系阻尼1)柴油机阻尼2)轴段阻尼 3)螺旋桨阻尼153.轴系的强制扭转振动特性 当某次简谐力矩的变化频率等于轴系的某个自振频率时，轴系便会产生这个自振频率及振动形式下的共振产生共振转速称临界转速 1) 轴系的共振激振力矩频率f=νn 2)主临界转速与副临界转速 主临界转速为主共振的相应转速主共振是由简谐次数ν等于曲轴每转发火气缸数整数倍的激振力矩(称主谐量)所引起的共振二冲程机主谐量νk＝mi，四冲程机主谐量νk＝mi／２副临界转速为主临界转速以外的所有临界转速15 4.现代船用大型柴油机的扭振特点•现代船用大型柴油机发展的显著特点是：–长行程或超长行程；–单缸功率大、缸数少•现代船用大型柴油机的扭振特点– 使得柴油机输出扭矩更加不均匀,使激振力矩增加;– 轴系的自振频率降低,易出现由低次简谐力矩激起 的扭振共振;– 柴油机回转不均匀引起螺旋桨推力不均匀,易激 发轴系的纵振和船体振动。

15第四节 轴系扭转振动的减振措施 一、船舶轴系扭转振动许用应力和许用扭矩l《规范》对转速禁区的规定¡应在转速表上用红色标明¡在操纵台前设示告牌¡在常用转速(r＝０.８～１.０５）范围内，不允许存在转速禁区在r＝０．９～１．０３范围内，应尽可能不用减小振幅的方法来消除转速禁区•转速禁区：–扭振应力或扭矩超过持续运转的许用值时–扭振引起齿轮齿击、弹性元件的交变扭矩大于持续运转的许用交变扭矩时•转速禁区范围–对单节振动该禁区范围可取±10%nc–双节以上振动可取±5%nc二、扭转振动的减振和避振措施 1.“转速禁区”回避法2.频率调整法 3.减小激振能法 4.阻尼减振法 改变发火次序和纽振系统振型等改变系统自振频率三、减振器与弹性联轴器1扭振减振器 l类型：动力型阻尼型动力阻尼型 •作用:其一 改变振型、节点位置和自振频率;其二 在轴系扭振时产生一个附加阻尼作用以消 耗输入轴系的激振能,限制扭振振幅增大动力阻尼型阻尼型2、弹性联轴器 l作用：¡传递输出功率；¡避振(降低自振频率）; 减振（阻尼）;¡在齿轮传动装置中吸收脉冲冲击,防止齿轮敲击、点蚀和折断,减轻噪音;¡减弱轴系的横向振动、纵向振动,减低机架与船舶的各种振动,特别是上层建筑尾部的振动；¡还可以吸收螺旋桨处传来的局部冲击。

•类型：液力型、橡胶型、金属板簧型、复合型 C6第五节 轴系的纵向振动与消减 纵向振动: 轴系在外力作用下，沿轴线方向 产生周期性变形的现象危害：导致装置故障、船体振动轴系纵振的激振力l扭转振动激起轴系的纵向振动•螺旋桨在不均匀伴流场中产生的周期性轴向激振力•连杆作用在曲柄销上力的径向分力频纵振振型：一节，二节，等等各有对应的纵振率现代大型低速机纵振问题严重         —— 柴油机、螺旋桨的激振力增大；曲轴刚性差 《规范》要求曲轴自由端的允许振幅[Aa1］为轴系纵向振动的消减和回避 4) 配置减振器 1) 调频 改变轴段的纵向刚度、集中质量及分布 2) 减小输入系统的激振能量 改变发火次序等 ；改善桨的伴流，改善桨的设计等 3) 避免扭转—纵向耦合振动 。