D683ZLCAB型船用柴油机扭振计算.doc

摘要 D683ZLCAB型船用柴油机是作为船用主机的高速柴油机，对该机进行了台架试验轴系扭转振动计算及台架扭转振动测量，计算与实测结果值的误差小于4％计算曲轴单节点最大共振扭振应力、合成扭振应力、双节点最大共振扭振应力和双节点最大合成扭振应力均低于按我国《钢质海船入级与建造规范》确定的相应的扭振许用应力值因此，D683ZLCAB型船用柴油机台架试验轴系在运转转速范围内该轴系各轴段的扭振应力满足我国《钢质海船入级与建造规范》要求目录一、台架轴系组成二、台架轴系原始参数 1. 柴油机相关参数 2. 柱销式橡胶联轴节参数3.WE42N型水涡流测功器参数三、台架轴系扭振当量系统及其参数四、台架轴系扭振当量系统自由扭转振动特性计算1.需计算的固有频率最高值Fmax2.自由振动计算结果五、台架轴系扭振实测结果与分析1.测量仪器与测点布置 2.测试工况和测量方法 3.扭振测量结果六、主要谐次激起曲轴的最大扭振应力计算1.单节点扭振曲轴的最大扭振应力计算 2.双节点扭振曲轴的最大扭振应力七、扭振许用应力计算八、曲轴最大扭振应力与相应扭振许用应力对比九、测功器轴段的扭振应力计算十、结论一、台架轴系组成D683ZLCAB型船用柴油机台架试验轴系由D683ZLCAB型柴油机飞轮通过柱销式橡胶联轴节与WE42N型水涡流测功器相连组成。

二、台架轴系原始参数 1. 柴油机相关参数柴油机型号 D683ZLCAB柴油机型式 四冲程、水冷、直列、直喷式燃烧室气缸数目 6缸径´行程 mm 114´135进气方式 增压、中冷标定功率 KW 205标定转速 r/min 22001h超负荷功率 KW 225.5超负荷功率时转速 r/min 2266稳态调速率 % 13.5最低稳定工作转速 r/min 800最高空车转速 r/min 2575曲轴材料抗拉强度 N/ mm2 760（牌号SAE1548）曲柄销（实心）直径 mm 76 发火顺序 1—5—3—6—2—4 硅油减振器惯性体转动惯量 kgf.cm.s2 1.24 有效转动惯量 kgf.cm.s2 0.75阻尼系数 kgf.cm.s/rad 7002. 柱销式橡胶联轴节参数主动体转动惯量 kgf.cm.s2 2.09从动体转动惯量 kgf.cm.s2 5.169动态扭转柔度 rad/ kgf.cm 0.34 ×10－6损失系数 0.203. WE42N型水涡流测功器参数转子转动惯量 kgf.cm.s2 2.1半根转子轴扭转柔度 rad/ kgf.cm 0.147814×10－6三、台架轴系扭振当量系统及其参数图1为D683ZLCAB型柴油机台架试验轴系扭振当量系统简图。

当量系统中各集中质量的名称、各集中质量的转动惯量值IK及各轴段的扭转柔度值EK，,K+1列于表1四、台架轴系扭振当量系统自由扭转振动特性计算1.需计算的固有频率最高值Fmax按我国<钢质海船入级与建造规范>（1996年版）中“一般应计算0.8nmin~1.2ne（ nmin及ne分别为柴油机的最低稳定工作转速及标定转速，r/min）范围内直到12次简谐的振动情况”的要求，本轴系需计算的固有频率最高值Fmax应为14.4 ne即Fmax=14.4´2200=31680c/min，对应的固有圆频率为Pmax=3317 1/s2.自由振动计算结果当量系统的自由振动特性参数按霍尔茨表格编制的电算程序计算，经计算，本轴系当量系统的四节点振动固有频率为33950 c/min，此值已超过需计算的固有频率最高值（31680c/min）因此，对本轴系扭振当量系统只需计算其单节点、双节点及三节点三种振动形式即可表2、表3及表4分别为本轴系扭振当量系统单节点、双节点及三节点自由振动计算结果以及在运转转速范围内出现共振的谐次、共振转速及相对振幅矢量和五、台架轴系扭振实测结果与分析1.测量仪器与测点布置扭振测量仪为南京东南大学研制的ANZT型扭振分析记录仪。

该仪所用组合式传感器的扭振信号齿轮（齿数为100）固定安装在曲轴自由端，故测得的扭振振幅是曲轴自由端也即当量系统中第1质量的扭振振幅 2.测试工况和测量方法扭振测量是在柴油机按推进特性工况下进行的扭振测量按转速分档进行，转速分档间隔转数为15转左右测量转速范围从1小时超负荷转速2266r/min至最低稳定工作转速800r/min3.扭振测量结果 图2、图3及图4是曲轴自由端（即当量系统第1质量）实测所得有比较明显共振峰或振幅相对较大的谐次振幅曲线表5是各主要谐次的共振峰值的汇总图2为6谐次和7.5谐次振幅曲线图，图中6谐次在1141r/min及2218r/min出现共振峰，前者共振频率为6846c/min，共振振幅为±0.05°（±50md）；后者共振频率为13308c/min，共振振幅为±0.105°（±105md）7.5谐次在889 r/min及1761 r/min出现共振峰，前者共振频率为6668c/min，共振振幅为±0.032°（±32md）；后者共振频率为13208c/min，共振振幅为±0.032°（±32md）图3为3次、9次及12次三个谐次的振幅曲线图，图中3谐次在测量转速范围内未出现共振峰，但振幅较大；9谐次在1541r/min出现共振峰，共振频率为13869c/min，共振振幅为±0.026°（±26md）；12谐次的振幅均很小，在1105r/min附近出现峰很钝的共振，其共振频率在13260c/min左右，共振振幅为±0.013°（±13md）。

图4为4.5次、6.5次及10.5次三个谐次的振幅曲线图，图中4.5谐次在1650r/min出现共振峰，共振频率为7425 c/min，共振振幅为±0.062°（±62md）；6.5谐次在1071 r/min出现共振，其共振频率为6962c/min，共振振幅为±0.024°（±24md）；10.5谐次的振幅也很小，共振峰也不很明显，在1283r/min附近出现有峰较钝的共振，共振频率在3472c/min左右，共振振幅为±0.012°（±12md）由这些实测共振频率可得，台架轴系在测量转速范围内出现两个振型的共振频率，其中一个低的共振频率的平均值为6975 c/min，它是由6次在1141r/min、6.5次在1071r/min、7.5次在889r/min及4.5次在1650r/min的共振频率求得；另一个高的共振频率的平均值为13423 c/min，它是由6次在2218 r/min、7.5次在1761r/min、9次在1541r/min以及10.5次和12次分别在1283r/min和1105r/min的共振频率求得将测量求得的二个共振频率6975c/min和13423c/min与表2及表3计算求得的台架轴系扭振当量系统的单节点固有振动频率F1=6924c/min及双节点固有振动频率F2=12883c/min对比可知，测量所得的共振频率6975c/min是台架轴系的单节点扭振共振频率，此频率的计算值比实测值低0.7%；测量所得的共振频率13423c/min是台架轴系的双节点扭振共振频率，此频率的计算值比实测值低4%。

这两种振型共振频率的计算值与实测值的误差均小于扭振所规定的允许偏差值5%，因此允许由轴系某一质量的实测振幅按自由振动计算所得的轴段相对扭振力矩推算得各轴段的实际扭振应力表4计算得该台架轴系在运转转速范围内还存在有由高谐次（8.5次以上谐次）激起的三节点扭振共振，但在运转转速范围内没有测到属三节点共振振峰，这也许是高谐次激起的三节点扭振十分微弱之故六、主要谐次激起曲轴的最大扭振应力计算本台架轴系在798r/min～2273r/min转速范围实测中只出现单节点和双节点两种振型的扭振，故这里只计算这两种振型由主要谐次激起曲轴的最大扭振应力1.单节点扭振曲轴的最大扭振应力计算实测得3次、4.5次、6次、6.5次及7.5次是激起台架轴系单节点扭振振幅较大的主要谐次，后四个谐次的共振转速低于标定转速2200r/min，它们分别为：1650r/min、1141r/min、1071r/min及889 r/min，它们与标定转速的比值r分别为：0.75、0.52、0.49及0.40这四个谐次的单节点共振振幅分别为：±0.062°、±0.05°、±0.024°、及±0.032°3谐次的共振转速超出这次最高测量转速，其理论计算值是2308r/min，按实测的单节点共振频率平均值6975c/min推算，3谐次的共振转速应为2325r/min。

在实测转速范围内3谐次的最大单节点扭振振幅值为±0.085°，出现在2273r/min（3谐次振幅从1300 r/min开始随转速降低而升高，到测量的最低转速798r/min时为±0.177°，此振幅可能是轴系的滚振），此转速与标定转速比值为1.03，该值接近1此时扭振许用应力值最小，而这时3谐次单节点扭振振幅最大，且比其他各主要谐次的共振振幅大许多，因此，这里只需计算由3谐次在2273r/min激起的曲轴单节点扭振应力即可 p 3.1416 Dc 3 = ×7.6 3 =86.19 c m3 16 16.由表2第4列各轴段相对扭振力矩值知，台架轴系单节点扭振时，曲轴轴段中第7、8轴段即第6气缸质量与飞轮质量之间的曲轴段上的相对扭振力矩最大，其值为M7，8＝2.022947×106 kgf.cm/rad该轴段中曲柄销的抗扭断面模数最小，因此，单节点扭振时第6曲柄销上的扭振应力最大曲柄销的直径DC＝7.6cm，其抗扭断面模数W7，8 = 单节点扭振时，第6曲柄销上的扭振应力t7，8按下式求得： M7，8 t7、8＝± A1 kgf/cm2 W7，8式中A1为计算转速（这里为2273r/min）下曲轴自由端测得的3次振幅，rad。

这里A1＝0.085/57.3＝1.483×10-3rad将M7，8、W7，8及A1值代入得： 2.022947×106 t7，8＝± ×1.48×103 86.19 ＝±34.82 kgf/cm2 或＝±3.482 。