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振动噪声控制与排放(1)

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振动噪声控制与排放(1)_第1页
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柴油机振动、噪声柴油机振动、噪声控制与废气排放控制与废气排放胡以怀胡以怀本学期教学内容本学期教学内容第一章振动及控制理论第一章振动及控制理论第二章船舶振声鼓励源第二章船舶振声鼓励源第三章船舶机械振动及控制第三章船舶机械振动及控制第五章噪声及控制理论第五章噪声及控制理论第六章船舶噪声控制第六章船舶噪声控制第七章柴油机排放及控制第七章柴油机排放及控制 1807年第一艘蒸汽机动力船年第一艘蒸汽机动力船“克莱蒙特建成;克莱蒙特建成; 1904年柴油机年柴油机用于船舶推进用于船舶推进20世纪世纪50年代后,船舶功率和航速迅速增大,高强年代后,船舶功率和航速迅速增大,高强度钢使用度钢使用过大的船舶振动称为有害振动,它会:引起船体结构和机械部件的疲劳破坏;造成船舶仪表、机械设备的失效和失灵;影响船员和旅客的正常工作和生活船舶噪声还会使:船员感到疲劳;降低船员的听力和工作效率;危及船员的身心健康和船舶的航行平安;影响客轮的居住舒适性;影响舰艇的作战隐蔽性船体振动、噪声的鼓励源主要有:柴油主机和螺旋桨产生的周期性鼓励力;辅机的不均衡力、轴系安装不良、周期性波浪载荷;船舶附属体舵、水翼、潜艇升降噪声等所产生的流体动载荷。

船舶机械振动、噪声的控制措施:1设计控制 在船舶设计阶段通过减小鼓励力和力矩,减弱噪声源及其传递和改变振动的固有频率或鼓励频率防止工作范围内强共振等2使用控制 在船舶使用阶段发现振动、噪声问题时那么通过增加阻尼和吸声材料以吸收振声能量和装设减振、防噪装置以减小振声的危害等措施来实现 一般来说“防胜于治,在船舶设计阶段通过对力矩的振动预报和噪声预报来控制振动、噪声通常是最有效、最经济的措施 船舶柴油机在运行时会排放出大量的氧化硫SOx、氧化氮NOx、碳烟微粒PM和一氧化碳CO等,对大气环境造成严重污染 世界各港口国对船舶防污染管理与设施的检查日趋严格,这些都使得船舶防污染受到前所未有的重视第一章 振动及控制理论一、无阻尼自由振动系统运动微分方程为:其中自由振动频率:初相位:二、有阻尼自由振动系统运动微分方程为:设其通解为式中X、s为待定常数,X为实数,s为复数将其代入1.1-4式,得得特征方程为那么特征根式中设n称为无阻尼自由振动频率固有振动频率,称为粘滞阻尼因子或阻尼率特征根为讨论:1. 当 0 1 时过阻尼情况得两个实数特征根那么有 这时系统不产生振动,很快就趋近于平衡位置如图1.1-3所示。

从物理意义上看,说明阻尼较大时,由初始鼓励输入系统的能量很快就被消耗掉了,而系统来不及产生振动 3. 当1 时临界阻尼情况,得两个重根那么有 这种情况下的运动也是非周期性的4. 当 0 时, x(t)那么表现为一种增幅振动三、有阻尼系统的简谐强迫振动 单自由度有阻尼强迫振动的微分方程为:设 为频率比,那么有:幅频特性相频特性讨论:1鼓励频率很低时,即2鼓励频率很高时,即3 四、有阻尼一般强迫振动 可以看作是由一系列简谐鼓励组成的,其响应也是一系列谐波响应的叠加课后作业:1想一想日常生活中遇到的共振的实例? 第二章 船舶振声鼓励源波浪冲击、爆炸冲击波、火炮发射后座力、抛锚等引起的非周期性鼓励;汽轮机、电动机等回转机械鼓励力易满足静、动平衡条件;发电机、空压机、泵浦的鼓励力引起局部结构的振动;柴油机、螺旋桨的周期性鼓励力船舶振动主要鼓励源2.1柴油机鼓励力一、往复惯性力1. 单缸往复惯性力 略去频率为4以上的高阶项,得 那么:2. 单缸离心惯性力 是一阶鼓励力3. 多缸机惯性力 以三缸二冲程柴油机为例,发火顺序为132,发火间隔角1200一阶往复惯性力合力:二阶往复惯性力合力:垂直与水平离心力合力分别为4. 多缸机惯性力矩一阶往复惯性力矩:二阶往复惯性力矩:离心惯性力矩:离心惯性力矩: 如果各合力和合力矩都等于零,那么认为柴油机是平衡的。

但如果各合力和合力矩都等于零,那么认为柴油机是平衡的但实际上机体是弹性体,受力后会发生变形,从而传递鼓励力到船体实际上机体是弹性体,受力后会发生变形,从而传递鼓励力到船体上 如果以上的合力和合力矩考虑到三阶为止都等于零,即可如果以上的合力和合力矩考虑到三阶为止都等于零,即可认为该柴油机是平衡的由于它们的作用形态都是对外而表现出来认为该柴油机是平衡的由于它们的作用形态都是对外而表现出来的,因此也称它们为外力和外力矩,其值取决于运动部件的质量、的,因此也称它们为外力和外力矩,其值取决于运动部件的质量、发火顺序、缸数和曲柄排列等中选用存在有不平衡惯性力和力矩发火顺序、缸数和曲柄排列等中选用存在有不平衡惯性力和力矩的柴油机作为船舶主机时,那么会激起船体的振动作用在垂直平的柴油机作为船舶主机时,那么会激起船体的振动作用在垂直平面内的垂向力及纵摇力矩是船舶垂向振动的鼓励力,当其频率与船面内的垂向力及纵摇力矩是船舶垂向振动的鼓励力,当其频率与船体垂向弯曲振动某阶的固有频率相等或接近时,就会激起较大的垂体垂向弯曲振动某阶的固有频率相等或接近时,就会激起较大的垂向振动响应向振动响应二、倾覆力矩活塞承受的力指向气缸壁的侧向压力PN,PNPtg侧推力PN相对于机座形成一力矩 MTPNH=TR,为倾覆力矩。

转矩MT与倾覆力矩PNH在数值上相等,即转矩MT是随曲柄转角成周期性变化的,它的大小与曲柄转角有关,是时间的函数,用傅里叶级数可表示为倾覆力矩Mt会引起船体的横摇振动,扭矩MT会引起轴系的扭转振动2.2 2.2 螺旋桨鼓励力螺旋桨鼓励力一、外表力一、外表力 螺旋桨回转时作用在它附近船体外表上的变动水压力螺旋桨回转时作用在它附近船体外表上的变动水压力1 1载荷效应:随着螺旋桨的旋转,桨叶周期性地时而载荷效应:随着螺旋桨的旋转,桨叶周期性地时而接近该点,时而远离该点因此,由涡引起该点的压力也接近该点,时而远离该点因此,由涡引起该点的压力也相应地时大时小呈周期性地变化,这是产生脉冲压力的起相应地时大时小呈周期性地变化,这是产生脉冲压力的起因之一涡强度与螺旋桨载荷有关涡强度与螺旋桨载荷有关2 2叶厚效应:流场中某一点叶厚效应:流场中某一点P P处所受压力必将随着圆柱处所受压力必将随着圆柱接近和远离该点而发生周期性变化,是桨叶具有厚度而引接近和远离该点而发生周期性变化,是桨叶具有厚度而引起的 当船体尾部的流场不均匀时,这种脉动压力就会增大其主要频率成分为螺旋桨叶频和叶频的整数倍,其大小取决于桨叶的几何要素、船体尾部线形、伴流特征、桨轴转速、功率、螺旋桨叶梢与尾壳板之间的间隙,以及螺旋桨的叶片数等。

二、 轴承力 螺旋桨旋转时产生的流体力推力和旋转力,通过轴系、轴承传给船体的鼓励力 各叶片的推力不尽相同,且合力中心不通过螺旋桨架轴,形成 My,Mz 各叶片的旋转阻力不相同,形成侧向分力Fy,Fz 轴承力是由螺旋桨盘面内伴流不均所产生的,其影响因素有:1螺旋桨的制造精度: 质量不均匀、螺距不等,螺旋桨旋转中心与桨轴不同心它产生轴频鼓励力2 螺旋桨盘面内的伴流场: 单桨船的轴承力大于双桨船; 单桨四叶船的推力波最大; 单桨五叶船的垂向弯矩波动最大2.3 其他鼓励力一、波浪鼓励力1 轻载时船首底部出水后再入水时产生的冲击;2 满载时船首甲板上浪的冲击;3 船首部外板的外飘波浪冲击 船与波浪的遭遇频率 : 其中: vs- 航速; - 船与波浪间的夹角,迎浪为00,顺浪为1800; - 波长 在一定海况下,只要改变航向角或船的航速即可改变,从而防止发生波激振动二、 回转机械的鼓励力1. 风机的质量偏心 2. 电动机的鼓励力 频率为轴频率三、轴系鼓励力1. 轴系质量偏心 会形成轴系回转运动2. 联轴节3. 排气压力波: 4. 舵2.3 振动、噪声的容许标准一、振动的危害1使船员、旅客极度不适,易疲劳、有损健康,机器仪表失常、失灵损坏;2高应力区船体结构出现裂缝、疲劳破坏;3影响人员工作、健康及舰船的作战性能和潜艇的隐蔽性。

人体固有频率在69 Hz之间:12.5 Hz范围,感到压力与振动;67 Hz范围,感到晕船、恶心、呕吐;1620 Hz范围,感到噪声二、ISO组织规定,在180Hz范围内人体忍受振动的三种限界:1 舒适性限界RC,不能保证舒适感的限界;2 疲劳限界FDP,出现疲劳,导致工作效率衰退的限界;3 耐久限界RC,不能保证人员健康的限界;图2.4-2 垂向振动的FDP限界三、船舶振动衡准1. 海船适用于20米以上的钢质海上运输船舶对水平振动耐受程度低于垂向振动以及逗留时间等不同,分为类区和类区,各以上、下限界线把振动程度划分为三种情况I类区:指船上生活区及连续工作4h和超过4h的区域,如驾驶室、报务室、集控室II类区:指船人员工作和逗留时间小于4h的区域在下限界线以下者,认为振动轻微,不影响人员的正常生活和工作;超过上限界线时,那么振动剧烈,严重影响生活和工作;落在上、下限界线以内时,那么属于尚能容许的程度2. 内河船适用于30米以上的钢质运输船舶各类内河船的垂向振动加速度单幅值按下式划分为三个区域式中: 频率Hz,小于8赫时以8赫计; k 随船舶类型和舱室而异的系数,k1.02.0 衡准系数 0.035 良好 0.035 0.047 不允许 水平振动的标准取为垂向振动的0.75倍。

第三章 船舶机械振动控制 防振:在船体设计阶段 减振:在船舶使用阶段 根本原理: 1. 防止共振:改变固有频率或鼓励频率; 2. 减小鼓励力; 3. 减小振动的传递3.1 柴油机振动控制一、防止共振选择主机应配合螺旋桨,尤其应防止在主机常用转速下的低阶共振使一、二阶固有频率与鼓励频率分别错开15和20,便可收到很好的效果二、减小鼓励力对于存在外部不平衡力或不平衡力矩的柴油机,加装平衡装置和平衡器来减小鼓励力和鼓励力矩平衡补偿装置是使偏心质量以和主机激振频率相同的转速旋转,产生补偿力或力矩以抵消柴油机不平衡力,减少它们对振动的影响有离心力平衡重、平衡轴系、电动平衡器来抵消柴油机不平衡力有:一次力矩平衡器二次力矩平衡器组合式平衡器三、减小振动的传递1. 隔振器 在机座下部装设,使 主要用于副机有:橡胶减振器:结构简单、有较好的隔声、缓冲和减振效果,但易老化金属弹簧减振器:性能稳定,但内阻小、高频震动及声振动的隔绝性能差所要求的减振器应该柔软些,这通常只有对高速柴油机才能实现将此装置用于转速不变的辅机,效果会更好2. 防振支撑 针对长冲程和超长冲程主机的横向振动问题 机械式支撑 摩擦式支撑 液压式支撑3.2 螺旋桨振动控制一、改善伴流1. 尾部设计 根据船模试验,单桨船U型尾的轴向伴流较V型尾均匀。

球型尾和开式尾间隙大 ,伴流变化小 ,脉动压力小 ,推力系数较高 用尾垂线前0.1LL为船长处的船体横剖面的形状参数=a/b来判别U型和V型,它表示船体剖面在水线处的斜率 U型尾可明显改善伴流; 单桨船采用U型尾或球型尾; 双桨船采用V型尾2. 装尾鳍 V型与U型的差异仅在于缺少阴影局部,以两个三角形构架充实该局部也能起到上述特征的作用,实现由V向U的转化恰当设计这种构架在横向和纵向的形状和尺寸,便是所谓的导流鳍 导流鳍:起整流作用,使伴流场均匀; 水滴型导流帽舵上:改善螺旋桨去流的不均匀性;3. 控制去倒角 去流角是船体纵剖面与后体水线之间的夹角,增加去流角会导致平均伴流和船舶阻力增高,从而使螺旋桨的载荷加大 单桨船去流角 0.3MPa,燃油消耗率ge214g/(kWh)时,NOx限值为29g/(kWh);在燃油消耗率ge = 214g/(kWh)268g/(kWh)时,NOx限值为25g/(kWh) 14g/(kWh);在燃油消耗率ge 268 g/(kWh)时,NOx限值为11g/(kWh)二、排放法规2.国际海事组织排放限值; ?MARPLO73/78公约?中有关船舶造成大气污染的新附那么中的规定,对船舶主机排放限制更为苛刻。

其对排放限制主要有两点其一,有关NOx限值: 低速机(n。

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