第六章柴油机及轴系振动

称为连杆比，是柴油机的基本结构参 数。柴油机的约为1/5~1/3。
sin sin
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根据三角函数关系
有： 所以
sin 2 cos 2 1
cos 1 sin 2 1 2 sin 2
——此乃活塞位移的精确公式。
x R1 cos L 1 1 2 sin 2
F
R
MR
（3）合成往复惯性力，
（4）合成往复惯性力矩， （5）总倾覆力矩， （6）总连杆力偶等。
F
MD Mc
j
M j
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多缸机的平衡 1、离心力及离心力矩的平衡 离心力：在单列多缸柴油机中，一般多采用均匀分布的
曲柄排列方案，因此合成离心力都是自行平衡的。
离心力矩：可能存在不平衡的合成离心力矩。 需要平衡的是合成离心力矩
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三、曲柄连杆机构的作用力
1、气体力Fg：
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2 大小： Fg p g D 4 p 气缸中的压力，变化规律见p－V示功图
g
方向：缸内四周，内部平衡。 气体力产生的作用力在柴油机内部平衡，但产生的倾覆力矩MDg使 柴油机摆动。
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三、曲柄连杆机构的作用力
2、惯性力
1）往复惯性力Fj： 大小：
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四、减振和避振 船舶柴油机扭转振动的减振和避振，主要从以下 几个方面着手：减少扭转振动输入能量、调整系 统自振频率、设置转速禁区及配置减振器。
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1．减少简谐激励力矩的输入功
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在柴油机设计阶段，通常通过下面几个途径来减小激励力矩的输入： 1）改变发火顺序 对于直列式柴油机，改变发火顺序可使副临界转速变动而避开常 用转速范围，但不影响主临界转速。 2）改变振型 如在曲轴自由端或中间轴的双节点振幅较大处装设副飞轮，可使 轴系的频率和振型发生变化，使临界转速离开常用转速范围，还 可使扭振振幅减小。如调整主机飞轮惯量，可改变曲轴中节点位 置，减小主谐量对轴系的激振能量。 3）合理选择桨叶安装位置 合理选择螺旋桨桨叶安装位置，可以减小其激振能，同时注意不 使用与柴油机主谐量相同的桨叶叶数。
某些情况为了减振、防振，需加大摩擦阻尼。
2、阻尼振动：在回复力和阻力作用下的振动。

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简谐振动的概念三
3、受迫振动与共振
周期性外力的持续作用下发生的振动。 振动引起振幅的大小，不仅与周期性外力的大小有关，而且和外力 的频率和振动体的固有频率有关。
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当外力 的频率与振动体固有频率接近或相等时，振动引起的振幅会 急剧增大——共振。
K ——刚度； I ——转动惯量
自振频率随刚度K的增大而增大；随转动惯量的增大 而减小。
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三、强制扭转振动
临界转速
临界转速可分为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。例如四冲程六缸机，曲轴每转发火缸 数为3，则主谐量的ν=3、6、9……，它们引起主共振， 相应的转速即为主临界转速。在主临界转速，各缸激振 力矩方向相同，它将激起强烈的扭振，在常用转速范围 内应该避开。 副临界转速为主临界转速以外的所有临界转速
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第六章 柴油机及轴系振动
——熊振林
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一、概述
简谐振动的概念一
1、自由振动 机械振动： 物体在一定位置附近所作的来回往复运动称为机械振动。 简谐振动：最简单最基本的振动就是简谐振动。一切复杂的振动可看 作是若干简谐振动的合成。 周期T：每隔一固定时间，运动状态就重复一次，此固定时间为周期 ； 频率f：单位时间内振动的次数。（根据定义，频率与周期成反比。 ） 圆频率ω1：2π秒内振动的次数。ω1＝2πf＝2π / T。 振幅A：振动时物体偏离平衡位置的最大值。
子、附件等设备的损坏及柴油机装置本身的损坏，以致影响整个 船舶的正常使用，并可能造成威胁船舶安全的后果。 要使柴油机具有良好的动力性能，必须正确分析振动力源的特性 ，采取各种措施，减小、消除振动。对于往复惯性力源及回转惯 性力源，一般采用平衡方法来消除或减小其影响，这种方法称为 柴油机平衡。
柴油机平衡：
F j m j x
R 2 (cos cos2 ) x
R (2 ) 2 cos 2 4
F j (m j R 2 cos m j
Fj1 mj R 2 cos

F j 2 m j
方向：与加速度的方向相反，与气缸中心线平行。在上止点时向上， 下止点时向下。 作用点：简化为连杆小端轴承中心。 该力使柴油机上下振动，并和气体力一起形成倾覆力矩。
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低速机往往采用整体平衡法或分段（不规则）平 衡法。中、高速机用各缸平衡法。
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2、往复惯性力及惯性力矩的平衡 通常只需平衡惯性力矩，一般只进行外部平衡。
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平衡装置按传动方式的平衡方法
1、双轴平衡装置：两根平衡轴的一端均有齿轮传动，使之产生同步反向 转动。轴两端装有两个平衡重，每两个平衡重的离心力合成一个垂 直方向的作用力，轴两端作用力的大小相等方向相反。这样当由平 衡重形成的力矩与合成往复惯性力矩的大小相等而方向相反时，达 到了平衡目的。
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平衡装置按传动方式的平衡方法
2、首尾齿轮传动式平衡装置：为首尾齿轮传动式平衡装置 。首尾两端分别用齿轮传动两个同步反转的平衡重，以 在柴油机纵剖面内产生一个平衡合成往复惯性力矩的平 衡力矩。这种平衡装置多用于大、中型低速及中速柴油 机上。这样可以省去过长的平衡轴。
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平衡装置按传动方式的平衡方法
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1 2 2 1 2 cos 1 sin 1 (1 cos 2 ) 2 4
此乃活塞位移的近似公式（在工程上已足够精确）
x R(1 cos ) L(1 cos ) R x R(1 cos ) (1 cos 2 ) 4
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第一节 活塞、连杆的运动及受力
一、曲柄连杆机构的运动 1、 活塞位移x
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x L R R cos L cos
R( 1 cos ) L( 1 cos )
由几何关系可得 ：
R sin L sin
令曲柄半径与连杆长度为 则有：

sin R L sin
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2、活塞的速度、加速度
1）速度：将活塞的位移x对时间t微分，得活塞的速度v:
2）加速度：
x R (sin

2
sin 2 s 2 ) x
活塞速度的变化规律： 上止点时v＝0中部v最大下止点v＝ 0中部最大上止点为0，活塞 最大速度处于比中点略高一些位置，位置取决于。上、下止点附近因速 度为零，无法建立液体动力润滑。 活塞加速度的变化规律： 在上、下止点达到最大值。在上止点方向朝下；下止点方向朝上。
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振动的概念二

振动过程：如图所示 从振动的成因分析可知：物体的自由振动与其本身的回复力和物体 所具有的惯性有关。 自振频率ω1
k m
其他振动形式由于回复力和惯性的形式不同，尽管频率的表达式 可能不同，但它说明：振动系统的频率完全由该系统本身的各个参 数决定，因此称它为固有频率。 特点：振幅逐渐减小、振动频率变慢（周期延长）。
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不平衡合成离心力矩的平衡方法：
（1）各缸平衡法： 特点：内部平衡，外部平衡；但平衡重块多， 曲轴转动惯量大，扭振谐振频率下降，对轴 系的扭转振动不利。 （2）整体平衡法： 特点：在曲轴首尾两个曲柄上各加一对方向相反 的平衡重块，消除全部曲柄的合成离心力矩 。它的优点是曲轴重量最轻，但不能做到内 部平衡，只能达到外部平衡 （3）分段平衡法：将曲轴分成两段（或数段）， 而后分别对各段所存在的合成不平衡离心力 矩采取平衡措施。这是一种折衷方案，平衡 不彻底。 （4）不规则平衡法：与分段平衡法一样，只是分 段不规则。挑选若干个曲柄（曲轴自然分段 的两端或能使平衡重块尽可能接近正放位置 的曲柄）配置平衡重块，最后达到平衡掉本 段合成离心力矩的目的。优缺点同分段平衡 法。


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活塞的位移
将 cos 1 2 sin 2 依照二项式定理展开，可得： 1 2 2 1 4 4 1 6 6 cos 1 sin 3 sin 4 sin 2 2 23 因为： R 取值为1/5-1/3。则 以上数值很小省略。 L 得：
3、链条传动式平衡装置 该平衡装置实质上与首 尾齿轮传动式完全一样 。新型低速柴油机用以 平衡合成一次和二次往 复惯性力矩的正、反转 平衡重均由曲轴或凸轮 轴通过链条传动，这种 装置又称力矩补偿器。
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第三节 轴系扭转振动和减振
轴系振动形式： 有回转（横向）振动、纵向振动及扭转振动三种振动形式。其中以 扭转振动最为常见、危害性最大。 危害： 强烈的扭转振动会使轴段疲劳断裂，轴系附件（连接螺栓、联轴节 等）损坏，喷油、气阀等定时遭到破坏，从而造成柴油机经济性变 差。强烈的扭转振动还会影响柴油机的平衡性，诱发轴系产生强烈 的回转振动和纵向振动，加剧柴油机的噪音。 世界各大船级社的规范都对柴油机轴系扭转振动制订了严格的控制 条款。
R (2 ) 2 cos 2 4
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三、曲柄连杆机构的作用力 2）离心惯性力FR：
Fr mR R 2
大小：
方向：离心向外，随曲柄旋转。 作用线：与曲柄中心线重合。