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1、任务任务10.1 柴油机的振动与平衡柴油机的振动与平衡Company Logo知识目标知识目标掌握柴油机主要运动件的受力和运动特点；熟悉柴油机产生振动的形式和机理；掌握柴油机振动平衡的基本措施。项目介绍项目介绍能力目标能力目标具备识别柴油机各种振动并采取相应减避振措施的基本能力。1任务任务10.1 柴油机的振动与平衡柴油机的振动与平衡Company Logo10.1.1活塞、连杆的运动及受力活塞、连杆的运动及受力 柴油机在一定的工况下运转时，活塞作往复运动，曲轴作回转运动，连杆小端随活塞作往复运动，连杆大端随曲柄销作回转运动，杆身绕销或十字头销摆动，曲柄连杆机构这种复杂运动，必然要产生周期性变
2、化的不平衡力和力矩。 船舶推进轴系在实际运转中受到各种冲击和激振力或力矩的作用，可能引起轴系损坏或影响船舶正常航行。对柴油机动力装置，主要有以下几种激振力： （1）柴油机气缸气体力、运动部件惯性力与重力等产生的作用在曲轴、曲柄销上的交变切向力和径向力。（2）螺旋桨在径向和周向都很不均匀的三维伴流场中运转时所受到的交变纵向和横向推力和力矩。（3）轴系部件运转时产生的激振力和力矩。 2Company Logo10.1.1.1活塞连杆的运动（活塞连杆的运动（由活塞（或活塞十字头组件）、连杆和曲轴组成的运动机构称为曲柄连杆机构）1.活塞的位移活塞的位移x- B点沿着气缸中心线在上下止点O和O之间作往复
3、运动，它与上止点O间的距离连杆假设曲柄按顺时针方向运动,从图中的几何关系可以得出简化得式中，为曲轴转角；为连杆摆角；为连杆比，表示曲轴半径与连杆长度之比，即R/L，一般1/31/5。OA为曲柄3Company Logo2.活塞的速度活塞的速度v活塞速度vdx/dt，由活塞位移对时间的微分得活塞速度的近似公式为可见可见, ，活塞位移，活塞位移v可看成可看成由由v1和和v2两个速度叠加而成两个速度叠加而成(vv1+v2, v1Rsin, v22Rsin2/4)3.活塞的加速度活塞的加速度a活塞加速度度adv/dt，由活塞速度对时间的微分得活塞加速度的近似公式为可见，活塞位移可见，活塞位移a也可也可
4、看成由看成由a1和和a2两个速两个速度叠加而成度叠加而成(aa1+a2, a1R2cos, a2R2cos2)4.连杆的运动连杆的运动上式对时间微分可得到连杆摆动的角速度为(1) sin达最大值时，达最大值时，也达到最大也达到最大值；（值；（2）cossec达最大值时；达最大值时；（3）当）当90或或270时，时，sinsec3达到最大值时，所以角加达到最大值时，所以角加速度速度1达到最大值。达到最大值。4Company Logo10.1.1.2曲柄连杆机构的受力分析曲柄连杆机构的受力分析-主要有气体力Fg、往复惯性力Fj、回转惯性力FR和连杆力偶ML1.合力合力F在活塞上作用的气体力Fg和往
5、复惯性力Fj的合力F为FFg+Fj，合力F作用在气缸中心线连杆小端处. 图图10-3 曲柄连杆机构受力分析曲柄连杆机构受力分析2.侧推力侧推力FN与连杆推力与连杆推力FL3.切向力切向力FT和法向力和法向力Fz5Company Logo4.柴油机的输出力矩和倾覆力矩柴油机的输出力矩和倾覆力矩输出力矩作用在柴油机之外被驱动的机械上(如螺旋桨、发电机），而倾覆力矩则作用在柴油机机体上,二者不能抵消.切向力FT对曲轴中心线形成的力矩FTR为柴油机的单缸输出力矩单缸输出力矩。多多缸柴油机的总切向力缸柴油机的总切向力FT等于各缸切向力之和，其对曲轴所产生的回转力矩即为曲轴的输出力矩FTR，其大小也是交变
6、的。曲轴在回转中角速度的变化情况用回转不均匀度来表示，回转不均匀度表明柴油机回转的不稳定程度(柴油机气缸数目越多，转动惯量越大回转不均匀度越小).610.1.2柴油机的振动与平衡柴油机的振动与平衡Company Logo10.1.2.1柴油机振动的危害柴油机振动的危害-产生撞击、变形，影响可靠性、耐久性；使工作条件恶化，损害健康，甚至因疲劳而酿成事故；对于大型低速柴油机可能引起船体振动，危害船舶安全。消减振动消减振动-平衡法。平衡法。采用某种形式的平衡器以消除或减小引起振动的不平衡力（力矩）。10.1.2.2单缸柴油机的振动与平衡单缸柴油机的振动与平衡1.单缸柴油机中的振动（单缸柴油机中的振动
7、（它们引起的振动通过柴油机的支撑传递出来，造成整机的振动）是气体力是气体力Fg和往复惯性和往复惯性力力Fj在曲柄连在曲柄连杆机构的传杆机构的传递过程中产递过程中产生的生的. MD的大小的大小和方向交变，和方向交变，使柴油机产使柴油机产生左右摇摆生左右摇摆性振动（横性振动（横向振动）。向振动）。由连杆运动由连杆运动产生的，作产生的，作用在连杆摆用在连杆摆动平面且大动平面且大小、方向交小、方向交变的一个不变的一个不平衡力，引平衡力，引起柴油机左起柴油机左右摆动。右摆动。因数值较小，因数值较小，引起的振动引起的振动不大不大7Company Logo2.单缸柴油机的平衡单缸柴油机的平衡为消除振动，安装
8、平衡补偿装置-设置一些偏心质量，让它们以和柴油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的不平衡力（力矩）。具有这种平衡补偿作用的装置，统称平衡器。（1）回转惯性力（离心力）FR的平衡（2）往复惯性力Fj的平衡。得到平衡一次往复惯性力和二次往复惯性力的方法（正反转矢量平衡法），其原理如图（a）、（b）。使m1r12= mjR2/2，即m1r1 = mjR /2；并且使m2r2(2)2=mjR(2)2/4，即m2r2 = mjR /48Company Logo（3）倾覆力矩MD-MD无法平衡，只能依靠强大的地基由机座的地脚螺栓来承受）（4）连杆力偶ML-一般都忽略其影响，不采取平衡措
9、施当曲柄在上止点时，平衡一次、二次往复惯当曲柄在上止点时，平衡一次、二次往复惯性力的平衡重应当垂直朝下。齿轮系的传动性力的平衡重应当垂直朝下。齿轮系的传动保证了平衡重的角速度和相位。齿轮系的传保证了平衡重的角速度和相位。齿轮系的传动保证了平衡重的角速度和相位。高速小型动保证了平衡重的角速度和相位。高速小型柴油机的平衡重都做成长条状。在齿轮上布柴油机的平衡重都做成长条状。在齿轮上布置所需要的平衡重有一定困难，大多沿发动置所需要的平衡重有一定困难，大多沿发动机的纵向延伸，安排在曲轴箱的底部或柴油机的纵向延伸，安排在曲轴箱的底部或柴油机腰部两侧，称机腰部两侧，称“正反转平衡轮系正反转平衡轮系”。9C
10、ompany Logo10.1.2.3多缸柴油机的振动与平衡多缸柴油机的振动与平衡振动力源：振动力源：（1）多缸柴油机的合成离心惯）多缸柴油机的合成离心惯性力性力FR（ FR0）（2）多缸柴油机的惯性力矩）多缸柴油机的惯性力矩（一次力矩的垂直分量M1V，包括离心力矩的垂直分量MRv和一次往复惯性力矩Mj1；一次力矩的水平分量M1H，即离心力矩的水平分量MRH；二次力矩的垂直分量M2V，即二次往复惯性力矩Mj2。）（3）总倾覆力矩）总倾覆力矩MD。对于7缸以下的柴油机会产生H型的振动，即使柴油机整体发出横向摇动，其振动的阶次为气缸数的整数倍；对于6缸以上的柴油机，则会产生X型振动，即使柴油机机体
11、产生扭曲，其主要振动阶次为气缸数的一半。（4）总连杆力偶）总连杆力偶ML（总连杆力偶对于柴油机振动的影响很小，一般可忽略不计）10Company Logo2.多缸柴油机的平衡多缸柴油机的平衡（1）一次力矩的平衡）一次力矩的平衡（包括合成离心力矩和一次往复惯性力矩），通常采用在曲轴上装平衡重的方法加以控制，图（a）为MAN B&W公司设计的一种可调式平衡重，可以把力矩的垂直分量减少到一个很低的数值。用安装在链条驱动轮和张紧轮上的一次力矩平衡器来控制水平力矩（极少）如图（b）。一般在柴油机上并不配置一次力矩平衡器。（2）二次力矩的平衡）二次力矩的平衡-仅为二次往复惯性力矩，只有垂直分量。为使投资效
12、益达到最佳，二次力矩平衡器的安装方法通常有以下：不安装二次力矩平衡器-较小的机型如S26MC、L35MC、L42MC等。仅在柴油机的一端安装二次力矩平衡器。如果船体振动的节点在柴油机的一端，由于在节点处安装平衡器没有效果，一般在柴油机的另一端安装二次平衡力矩，如图10-10所示。11Company Logo在柴油机的两端安装二次力矩平衡器-船体振动的节点在柴油机的中部，必须在柴油机的首尾两端安装二次力矩平衡器，以完全抵消二次力矩。安装电动平衡器-电动平衡器一般装在舵机室的甲板处，它对于节点的位置不敏感，而且此处的振幅最大，可以得到最佳的平衡效果。12Company Logo（3）总倾覆力矩）总
13、倾覆力矩MD的控制的控制-传动幅值不大，对总倾覆力矩引起的振动一般不予平衡。特殊情况，若MD引起的横向振动十分严重，可能激励船体强烈振动时，为了减除这种振动，可采用液力或机械支撑。消除横向摇动的支撑情况，液力支撑可增加机体刚性，提高固有频率，避免低谐次共振；还有一定阻尼作用，降低振幅。13任务任务10.2 推进轴系的振动与平衡推进轴系的振动与平衡Company Logo知识目标知识目标掌握轴系扭转振动的模型及特性、临界转速的概念及特点；熟悉轴系产生纵振的原因和机理；掌握轴系扭振和纵振的减避振措施。项目介绍项目介绍能力目标能力目标具备识别柴油机各种扭振和纵振并采取相应减避振措施的基本能力。14任
14、务任务10.2 推进轴系的振动与平衡推进轴系的振动与平衡Company Logo10.2.1轴系的扭转振动轴系的扭转振动-轴系在柴油机、螺旋桨等周期性激振力矩作用下所产生的周向交变运动及相应变形我国钢质海船入级建造规范钢质海船入级建造规范要求除仅仅在港口航行且主推进柴油机额定功率小于110kW的柴油机推进轴系外，所有的柴油机推进系统；重要用途额定功率大于110kW的辅柴油机系统要进行扭振计算并提交审查。对于已批准安装的轴系其后又作更改的，需根据情况重新进行扭振计算并提交审查，并由船级祛除决定是否需要进行实船测量。若计算和测试的扭振应力超过规范规定的许用应力，不得使用，必须采取避振和减振措施。1
15、5Company Logo10.2.1.1轴系的当量扭振系统轴系的当量扭振系统轴系-由减振器、曲轴及相连的活塞连杆机构、推力轴、飞轮、中间轴、尾轴及螺旋桨组成扭振系统-柴油机及轴系转化为若干个只有柔度而无转动惯量的轴段和互相连接起来的只有转动惯量而无柔度的集中质量组成的扭振系统.绘图时，轴的柔度越大，绘图时，轴的柔度越大，将轴画得越长；转动惯量将轴画得越长；转动惯量越大时，将质量画得越大，越大时，将质量画得越大，或离轴线越远。或离轴线越远。16Company Logo10.2.1.2二、三、多质量系统的自由扭转振动特性二、三、多质量系统的自由扭转振动特性1.双质量系统自由振动特性双质量系统自由
16、振动特性双质量系统在无阻尼自由扭转振动时特点：（1）两质量都进行简谐振动，频率、相位相同，振动方向相反；（2）两质量的振幅之比与转动惯量成反比（3）自振频率只取决于系统中的转动惯量和轴的柔度，与外力矩大小无关。双质量自由扭转振动的振型可用振型图(扭振系统中各点振动振幅的曲线)表示.在轴段上的某点，其扭振振幅始终为零，该点称为节（结）点（扭矩最大，有发热、发蓝现象）两质量自由扭振只有一个振型图，即单节点振型，且节点靠近转动惯量较大处。17Company Logo2.三质量系统的自由扭转振动特性三质量系统的自由扭转振动特性机舱在尾部的轴系，可以把曲柄连杆机构合并成一个集中转动质量，飞轮为第二个转动
17、质量，螺旋桨为。简化为三个集中质量、二个轴段组成的三质量当量扭振系统特点：（1）由两种简谐振动相加而成的； （2）具有两种自振频率（单节圆频率数值较低，双节圆频率数值较高），圆频率数值取决于系统各质量的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（低圆频率下是单节点振动；在高圆频率下是双节点振动，有两节点，质量越大离节点越近，振幅越小，节点多落在柔度较大的轴段上）。18Company Logo3.多质量系统的自由扭转振动特性多质量系统的自由扭转振动特性特点：（1）每个质量的无阻尼扭转均为（n-1）种简谐振动相加而成；（2）多质量的无阻尼自由扭振系统具有（n-1）个自振频率，分别为单
18、节（e1）、双节（e2）、三节（e3），（n-1）节（e（n-1）自振频率，且单节圆频率最低，（n-1）节圆频率频率最高，即e1e2e3，12的简谐力矩的影响。当柴油机的缸数是螺旋桨叶数的整数倍时，轴系设计和螺旋桨安装要注意避免由于螺旋桨激振力矩而引起轴系扭振增大Mm为一个气缸的平均扭矩；为一个气缸的平均扭矩；为简谐为简谐次数次数(表示曲轴一转中激振力矩作用表示曲轴一转中激振力矩作用的次数的次数),对二冲程机对二冲程机, =1,2,3,4，对四冲程机，对四冲程机，=1/2,1,3/2,2,5/2；M为第为第次简谐力矩振幅；次简谐力矩振幅；为第为第次简谐力矩的初相位；次简谐力矩的初相位；为柴油机
19、的为柴油机的回转角速度回转角速度, =60n/2。20Company Logo2）扭转振动的阻尼（主要有柴油机阻尼、轴段阻尼、螺旋桨阻尼。各种阻尼的比例随机器类型、装置结构、运转速度的不同而异）3）轴系的强制扭转振动特性（1）轴系的共振。轴系共振时，强制振动的振型同该自振频率相同的自由振动形式相似，由于阻尼的存在，振幅不会持续地增大而变成无穷大，但要达到最大值，产生的附加扭矩和扭振附加应力也达到最大值，有可能造成轴系损坏。（2）临界转速（交点对应的转速）和主临界转速（临界转速可分为主临界转速与副临界转速）第次简谐力矩的圆频率为简谐次数为的简谐扭矩的圆频率与柴油机转速成正比，为线性关系。节数多的
20、振动形式的临界转速往往是由次数较高、幅值较小的激振力矩所引起；节数少的振动形式的临界转速往往是由次数较低、幅值较大的激振力矩所引起，产生的振幅较大，具有破坏性在共振研究中只研究自振频率为单节、双节和三节的振动4）现代船用大型柴油机的扭振特点单缸功率大，缸数少，使得柴油机输出扭矩更加不均匀，使激振力矩增加；长行程使各缸转动惯量增加，轴系的自振频率降低，在运转范围内易出现简谐力矩振幅大）激起的扭振敬拜；柴油机回转不均匀，必须引起螺旋桨推力不均匀，易激发轴系的纵振和船体振动。2110.2.2轴系的扭转振动轴系的扭转振动Company Logo10.2.2.1轴系扭振的转速禁区、轴系扭振的减振避振措施
21、轴系扭振的转速禁区、轴系扭振的减振避振措施1、船舶轴系扭转振动许用应力和与转速禁区、船舶轴系扭转振动许用应力和与转速禁区如果扭振应力或扭矩超过持续运转的许用值时，或当扭振引起齿轮齿击、弹性元件的交变扭矩大于持续运转的许用交变扭矩时，则应在这个共振转速区nc附近设“转速禁区”,禁区范围为根据扭振应力或扭矩超过许用值的多少，禁区范围可适当扩大或减小。通常，对单节振动该禁区范围可取10%n，双节以上振动可取5%n。在r=0.851.03范围内，共振和重要非共振产生的合成应力，应不超过c的1.5倍。2.扭转振动的减振措施扭转振动的减振措施对于现代大型低速柴油机:4缸机通常把共振转速移至高于标定转速40
22、%50%处；5缸机在柴油机的自由端加装一个副飞轮或降低轴径尺寸并选用高抗拉强度的材料，使共振转速低于常用转速；对于6缸柴油机，最常用的方法是设置转速禁区；而7缸以上的柴油机通常不存在转速禁区。22Company Logo 10.2.2.2减振器的作用、类型及维护管理减振器的作用、类型及维护管理1.减振器的作用及类型减振器的作用及类型两个作用：两个作用：一是在轴系中增加一个质量和一段弹性轴，可以改变振型、节点位置和自振频率；二是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。三种类型：三种类型：动力型动力型、阻尼型阻尼型和动力阻尼型动力阻尼型动力型动力型减振器用弹簧或短
23、轴与曲轴连接，使两者具有相同的自振频率，只适用于定速运行的柴油机（如柴油发电机）。阻尼型阻尼型减振器用阻尼消耗激振能，达到减振的目的。硅油减振器是常见的阻尼型减振器。图为硅油减振器结构图。动力阻尼型动力阻尼型减振器兼有动力型和阻尼型两种减振器的减振作用2.减振器的维护管理减振器的维护管理阻尼式减振器（如硅油减振器）：若阻尼液不漏失，一般不必进行拆修。动力式减振器（如套筒弹簧式）：运行中应保证充满滑油（通常由曲轴箱滑油供应）。检查、清洗曲轴的滑油通道注意检查、清洗减振器滑油通道。保证多层套筒弹簧的每片弹簧均处于完好状态，若一片弹簧损坏则应整套弹簧换新。1-外壳；外壳；2-惯性盘；惯性盘；3-表铜
24、衬套；表铜衬套；4-硅油硅油23Company Logo 10.2.2.3弹性联轴器的作用、类型及维护管理弹性联轴器的作用、类型及维护管理 1、弹性联轴器的作用及类型、弹性联轴器的作用及类型 作用：作用：可降低轴系对中性的要求；可使临界转速远低于柴油机的最低稳定转速，可使柴油机无“转速禁区”，达到避振的目的；具有阻尼作用，因而可限制共振振幅和共振应力，具有减振作用。类型类型（按弹性元件的材质分）：液力型、橡胶型（常用）、金属板簧型（常用）、复合型。2.弹性联轴器的维护管理弹性联轴器的维护管理弹性联轴器的最高使用环境温度不得高于60，最低使用温度为10。安装与工作时应防止接触油脂、焊接火花、酸类
25、、有机溶剂、紫外线等。联轴器的输入端与输出端连接方向不得颠倒。当轴系发生强烈的扭转振动时，应迅速降低柴油机转速，在远离“转速禁区“处运行，直至扭振减轻或消失为止。同时应尽快分析和判明发生扭振的原因原因：原因：减振器或联轴器性减振器或联轴器性能变化，如弹簧折断、阻尼能变化，如弹簧折断、阻尼液漏失、使用温度过高液漏失、使用温度过高激振力矩变化，如各缸负激振力矩变化，如各缸负荷严重不均、单杠断油或封荷严重不均、单杠断油或封缸运行等；缸运行等；轴系自振频率变化，如轴轴系自振频率变化，如轴有裂纹或缸套在轴上的零件有裂纹或缸套在轴上的零件松动等）松动等）2410.2.3轴系的纵向振动轴系的纵向振动Comp
26、any Logo10.2.3.1轴系纵向振动及其危害轴系纵向振动及其危害轴系纵向振动轴系纵向振动-轴系在外力作用下，沿轴线方向产生的周期性变形现象.纵振激振力-主要是气缸内的气体压力和往复运动部件产生的惯性力通过连杆作用在曲柄销上的径向分量和螺旋桨在不均匀伴流场中产生的周期性轴向激振力.危害性危害性:1）导致柴油机、传动装置和轴系的故障。如曲轴弯曲疲劳破坏；推力轴承的松动；尾轴管的早期磨损；传动齿轮的破坏和磨损等。2）作用在推力轴承上的轴向力作用在柴油机的机体上并引起船体构件及上层建筑的附加振动。中国船级社要求对于大中国船级社要求对于大型低速二冲程柴油机推型低速二冲程柴油机推进轴系，必须提交其
27、轴进轴系，必须提交其轴系的纵向振动特性并获系的纵向振动特性并获得船级社的应批准。得船级社的应批准。25Company Logo10.2.3.2轴系纵向振动的减振措施轴系纵向振动的减振措施1.推进轴系纵向振动的衡量标准推进轴系纵向振动的衡量标准我国船级社钢质海船入级规范要求瞬时通过的允许纵振幅值，一般不超过计算值的1.5倍。如果超过持续运转的许用值，则应设转速禁区。一般在r=0.85时由共振或上坡波产生的纵振振幅应不超过持续运转许用值，在r=1.0时由共振或下坡波产生的纵振振幅也应不超过持续运转许用值。2.纵向振动的消减和回避纵向振动的消减和回避1)调频。调整系统纵振固有频率的基本方法是改变轴段
28、的纵向刚度、集中质量调频。调整系统纵振固有频率的基本方法是改变轴段的纵向刚度、集中质量及分布。及分布。2）减少输入系统的激振能量如改变发火顺序（对主简谐引起的纵振无效）、）减少输入系统的激振能量如改变发火顺序（对主简谐引起的纵振无效）、改善伴流提高螺旋桨的设计水平和加工精度、调整螺旋桨和柴油机曲轴间的夹改善伴流提高螺旋桨的设计水平和加工精度、调整螺旋桨和柴油机曲轴间的夹角。角。3）避免扭转）避免扭转-纵向耦和振动。改变纵振固有频率，拉开扭振与纵振临界转速的纵向耦和振动。改变纵振固有频率，拉开扭振与纵振临界转速的距离，能有效地降低扭振距离，能有效地降低扭振-纵振耦合响应。纵振耦合响应。26Company Logo4)配置减振器配置减振器-安装纵向振动减振安装纵向振动减振器（最有效方法）。对于某些柴油机，器（最有效方法）。对于某些柴油机，如果机体振动过大，则需在机器上部如果机体振动过大，则需在机器上部安装纵向支撑。安装纵向支撑。几乎所有新型低速二冲程柴油机都配有纵振减振器。5RTA62U柴油机安装纵振减振器的减振效果27Company LOGO28
