船用柴油机振动系统介绍
试析船舶柴油机轴系运动结构振动
试析船舶柴油机轴系运动结构振动摘要：本文以船用PA6 -280柴油机为背景，通过柴油机主要运动部件及轴系建模与运动仿真，探索柴油机隔振装置及轴系在各支承条件下动力学特性，分析了船体结构在柴油机振动激励下的响应与受力，得到柴油机振动沿主轴承及隔振装置向船体结构的传递特性。
关键词：船舶柴油机；轴系运动；结构；振动随着柴油机强化指标不断提高，各运动机构的工作条件更加苛刻，要求具有较高的强度、刚度与良好的动态特性。
本文以PA6 -280 柴油机为背景，利用三维建模软件，建立柴油机主要运动部件及船舶轴系、螺旋桨、船体等三维实体模型。
用软件装配功能，将其装配成一个包括柴油机动力装置及推进器在内的船体结构。
以此为基础，将模型导入仿真软件，对各部件添加约束与仿真参数，以模拟船舶动力及推进装置动态特性。
一、柴油机轴系运动概述与建模船舶柴油机轴系由传递主机功率用的传动轴、减速器、联轴节等组成。
轴系基本任务是将柴油机功率传给螺旋桨，使螺旋桨转动并推动船舶前进。
同时，轴系还将螺旋桨产生的轴向推力通过轴系及推力轴承传给船体。
在柴油机轴系及船舶振动严格控制下，轴系常用高弹联轴节或万向节，来适应柴油机运动所导致的轴系不对中。
因此，船舶柴油机轴系仿真模型应该包括曲轴、主机的输出法兰和螺旋桨之间的轴段、各轴承座以及轴段中的各种附件。
对PA6 -280柴油机主要运动部件结构、尺寸参数进行建模时，以不影响柴油机及轴系主要功能为前提，合理简化模型。
所建立的三维实体仿真模型包括柴油机各缸活塞与连杆、曲轴、传动轴、螺旋桨及船体等结构。
利用软件，根据各部件相对运动，将上述部件装配成一个包括柴油机动力装置、推进器及船体结构在内的模型。
二、柴油机轴系运动仿真模型与参数的确定为便于比较各条件下柴油机运动学规律、动力学特性和船体结构振动，分别在3 种不同情况下对动力学参数进行仿真分析：l）在台架刚性固定条件下，对柴油机主要运动部件位移、速度、加速度进行运动仿真分析；对活塞顶部压力、连杆小端受力、曲柄销的切向力和法向力进行动力学仿真分析。
船用柴油机振动系统介绍
图6－7 多缸柴扭振减振器
曲轴首端法兰
图11-24 纵振减振器
装有泵站和控制箱的气缸 控制箱
图11-13 液压式支撑示意图
泵站
多缸柴油机的合成惯性力为零，不会 造成柴油机的振动，而合成惯性力矩和总 倾覆力矩是造成多缸柴油机振动的激振力 源。各合成惯性力矩的作用性质，可将其 归纳为：
1) 一次力矩的垂直分量，即合成离心力矩的 垂直分量和合成一次往复惯性力矩；
2) 一次力矩的水平分量，即合成离心力矩的 水平分量；
3) 二次力矩的垂直分量，即合成二次往复惯 性力矩
船舶轴系扭振计算与测量分析简介
船舶轴系扭振计算与测量分析简介高莹莹(青岛齐耀瓦锡兰菱重麟山船用柴油机有限公司技术部)摘要：随着现代船舶计算的发展,船舶轴系扭转振动成为船舶动力装置安全运行的重要因素之一,各船级社规范也对船舶轴系扭振提出了计算和实测的要求，本文结合实例对船轴系用霍尔茨法进行自由振动计算和采用能量法进行共振计算进行了简单介绍,结合实船的扭振测量的结果和理论计算结果进行对比分析.结果表明,采用精确的原始轴系数据和柴油机参数,使得扭振计算的理论结果和实测结果非常吻合,本船的理论计算值符合实船状况,转速禁区设定正确.关键词:当量系统霍尔茨法能量法测量修正随着船舶工业的发展,造船数量和吨位不断增大,造船行业对造船技术的工艺和质量要求越来越高。
高质量、高效率的生产设计离不开现代化的技术支持。
然而船舶柴油机轴系的扭转振动是影响船舶动力装置安全运行的重要动力特性之一。
轴系振动计算不但对深入研究船舶推进轴系的可靠性、安全性、用于动力装置故障诊断等具有重要意义，而且是船舶推进轴系设计、制造、安装和检验比不可少的环节之一，为推进装置可靠安全运行提供了有力保障。
基于此，本文结合一30万吨VLCC船舶的轴系实例对船舶柴油机扭振计算和测量分析做了简要的概述。
1，当量系统的转化根据有关轴系振动理论，船舶柴油机及推进轴系实际就是一个多质量有阻尼强迫振动系统。
实际计算分析中，可以将其转化成为若干用无惯量的轴连接起来的集中质量系统，称之为当量扭振系统。
为了使转化后的当量扭振系统能代表实际的轴系的扭振特性，一般要求：当量扭振系统的固有频率应与实际系统的固有频率基本相等；其振型与实际的振型相似。
如下图Fig.1为一30万吨VLCC油轮轴系的当量扭振系统模型。
该船安装的是瓦锡兰7RT-flex82T电喷柴油机，主机的额定功率31640Kw，额定转速80rpm。
中间轴长9927mm，直径700mm，抗拉强度为590N/mm2;螺旋桨轴长10233mm，艉轴承处直径850mm，抗拉强度为590N/mm2。
船用柴油机发电机组振动问题的解决方法
船用柴油机发电机组振动问题的解决方法文/刘大琼４． 工件安装方法工件以工件端面和外圆为定位基准进行定位，利用液压缸产生的拉力，使弹簧夹头收紧，产生的夹紧力，进行夹紧。
５． 夹具特点（１）结构简单，制造容易，操作方便。
（２）夹具调整后，长期稳定可靠。
（３）使用液压为夹紧力，可实现无级调压，调整方便。
夹具采用了液压夹紧系统，这种系统动作迅速、反应快，并且可以实现自动化控制，以便实现自动化生产。
可以通过增加调整压力继电器方式提高夹紧力，解决液压系统夹紧力变化的问题。
（４）夹紧方便，效率高。
（５）因为夹具具有自定心功能，不用反复对刀，一次对正后，只需装夹工件，按序操作，即可保证精度。
（６）夹具采用模块化设计，更改小部分零部件，即可加工同类，不同尽寸的零件。
（７）零件加工过程，几乎所有的安装都可用同一套夹具，有利于夹具的生产制造。
（８）本设计夹具的定位装置采用了定位环和弹性夹头结构。
通过更换不同的尺寸定位环和弹性夹头，即可加工外圈直径为３０￣６０ｍｍ管圈零件。
本夹具具有自身的优势，即“通用”和“高效”。
当装夹同一类型不同尺寸工件时，只要更换不同的弹簧夹头和定位环即可，而传统加工方法其中三爪卡盘装夹后，又要进行重新对刀校正，效率低下。
通用高效内夹式弹簧夹具，装夹后，不用重新对刀，采用液压系统作，装夹时间短，效率高。
采用论文所述的夹具缩短了辅助时间，避免了大量的计算，大大提高了生产率，非常适合大批量生产使用。
通过上述分析可知，采用该结构的夹具在技术性和经济性方面具有明显优势。
这种夹具的定位可靠，夹紧迅速，可以实现自动化操作。
它既可以用在单件加工上，也可以用在批量生产上。
由于采用了模块结构，可以在现有主体结构的基础上更换有关模块，使其能够用来夹紧同一类型不同尺寸的零件，这样它的应用范围就可以进一步扩大， 因此具有良好的经济效益。
实践证明，应用该夹具在机床上加工该工件，装卸方便快捷可靠，劳动强度低，生产效率显著提高。
第十一章船舶主机轴系振动
扭转
核算
一、扭摆扭转振动的特性
1 ．无阻尼扭转振动
节点
在某一转角位移下，圆盘受到
惯性力矩： I
弹性力矩： K / e 则得平衡方程：
k 0 I k I 0程，得：
α =360°
x=0
即 x=R
2.活塞的速度
R sin x
R
4
2 sin 2
= 0
α=0° α=180°
1 x 2 x
x
α ＜90 °或 α ＞ 270°时的某位置 3.活塞的加速度
2 x R cos
xmax x
R
4
(2 ) 2 cos 2
第十二章 柴油机及 推进轴系的振动
1.影响结构强度和正常工作；
S L
Aˊ
2.影响轴承的润滑和磨损；
3.引起船体振动、机体损坏等。
第一节 活塞、连杆的 运动及其作用力
－、活塞的运动
1．活塞的位移
R = S/2 连杆比λ
λ = R/L = 1/3~1/5
A"
x R(1 cos ) 4R (1 cos 2 )
方向向下
1 2 x x
0
max R 2 (1 ) x x max R 2 (1 ) 方向向上 180 x x 0 在 90或 270的某位置 x
二、连杆的运动
sin
2α
R
R 4
二次往复惯性力
ω ω 2ω 2α 2α 2ω
α
α
一次往复惯性力
即曲柄在上止点时，平衡重应当垂直朝下。
船舶机械振动及控制
船舶机械振动及控制对船舶的机械有害振动的控制措施主要有防振和减振两个方面，防振是指在船舶设计阶段就考虑到振动的容许标准而采取降低振动的措施，减振则是指使营运船舶的振动下降到容许的标准。
防振措施和减振措施仅仅是对象的差异及处理的角度有些不同，其基本原理是一样的，即：（1）避免共振。
改变结构的固有频率或激励频率防止共振的产生。
（2）减小激励力。
进行动平衡或结构改型减小激励幅值。
（3）减小振动或激励力的传递。
增加阻尼以防止吸收振动能量，装设减振装置以达到减小幅值的目的。
一柴油机振动控制柴油机时引起船体振动的主要激励源之一，因此在船舶设计初期，选择什么样的机型是至关重要的。
在满足功率等指标的情况下，应注意选择具有较小不平衡力和不平衡力矩的柴油机做主机。
柴油机的缸数越多，其一般平衡性就越好。
（一）防止共振选择主机时应配合螺旋桨考虑是否与船体发生低阶共振的可能性，尤其应避免在主机常用转速下的低阶共振问题。
在设计阶段，先计算船体总振动的几个主要谐次的固有频率，以避免与柴油机和螺旋桨的各阶激励力共振。
主机的选型应与减速齿轮箱、螺旋桨在一起考虑，在改变主机营运转速较困难时，也可改变变齿轮箱减速比或改变螺旋桨页数以达到改变激励频率的目的。
（二）减小激励力对于存在外部不平衡力或者不平衡力矩柴油机，可以通过安装平衡补偿装置来减小振动激励力。
这是一种普遍应用的防止有害振动的措施。
平衡补偿装置是使偏心质量以与主机激励频率相同的转速旋转，产生补偿力或者力矩以抵消柴油机的不平衡力，减少他们对振动的影响。
按运转驱动方式可将平衡器分为两大类：一是由电动机驱动，或称电动平衡器；二是由曲轴驱动直接附装在主机上。
按被平衡激励的形式又可以分为一次力矩平衡器、二次力矩平衡器和组合平衡器。
电动平衡器一般安装在船体垂向振动振幅相当大的舵机底甲板上。
（三）减小振动传递1，隔振器对于不平衡的主机或辅机可以在机座下装设隔振器，以减小主机激励力对船体的传递。
船用柴油发电机组非线性隔振系统动态特性分析
学 计算 结果 中对 结 果 贡献 量 较 大 的频 率 还 有 ２ Ｈ ，Ｉ ５ ｚ 『 『 ｊ
实验结 果 中这个 频率 对振 动速 度 贡献 量 较小 。对 于 出
现 ２ Ｈ ， 者通 过去 掉 气 缸 压力 而 利 用 运 动 驱 动等 疗 ５ ｚ作
图 １ 组件 问的约束关 系
Ｆ ｇ １ Ｔ ｅ ｃ ｎ ｔ ｉ ｅａ ｉｎ ｏ ｕ ａ ｓ ｍｂｙ ｉ ． ｈ ｏ ｓｒ ｎ ｒ ｌｔ ｆｓ ｂ ｓ ｅ ｌ ａ ｏ
第一作者 高浩鹏 男 ， 博士生 ， ８ １ ６年生 ９
通讯作者 黄映云 男 ， 教授 ， 博士生导师 ，９０年生 １６
振 动 与 冲 击
２ １ 第 ３ 奄 ０１ （ ）
在Ｂ １缸缸 盖输 出端 侧面 ， 测点 ４在 Ａ侧 自由端 机脚 附
近 的机 体上 ， 测 点 测 得 的 振 动 速 度 有 效 值 如 表 １所 各
１ 线 性 隔振 系 统 的 建 模 与 实 验 验 证
１１ 多体动 力 学模型 的 建立 ． 本 文对 柴油 发 电 机组 进 行 三 维 实 体 建 模 ， 通 过 并 Ｃ Ｅ技术 建立 机 组 的 多体 动 力 学模 型 ； 模 型 的 多体 Ａ 该 动 力学 边界 条 件 较 为 复 杂 Ｊ主要 包 括 柴 油 机 发 火 顺 ，
Ｆ ｇ ２ Ｔ ｅ ｍｏ ｅ ｆｄｅ ｅ ａ ｄ ｖｂ ａｉｎ ｉｏａｉ ｎ ｓ ｓ ｍ ｉ ． ｈ ｄ ｌｏ ｉ ｓｌ ｎ ｉ ｒｔ ｓ ｌｔ ｙ ｔ ｏ ｏ ｅ
ｇ 巨
１ ２ 实 验 验 证 ．
删
柴油发 电机 组 的建 模 过 程 相 当 复 杂 ， 而模 型 的 然 正确 性直接 影 响 计 算 结 果 的 正 确 性 ， 以应 对 模 型 的 所 正 确性 进行 实 验 验证 。机组 零 部 件 众 多 ， 体 系统 复 多
舰船轴系在工作过程中可能产生的几种振动形式
1.舰船轴系在工作过程中可能产生哪几种振动形式? 各种振动产生的原因是什么? 各种振动形式的危害是什么?相应的减振与避振措施有哪些?轴系可能产生扭转振动、横向振动和纵向振动三种振动形式。
扭转振动是指轴系产生的周期性的扭转变形现象；扭转振动的危害主要表现形式为轴系的疲劳断裂，特别是柴油机曲轴的疲劳断裂:曲轴、中间轴断裂，弹性联轴节连接螺栓切断，弹性元件碎裂，传动齿轮齿面点蚀和齿断裂，凸轮轴断裂，轴段局部发热等。
采取的措施主要围绕：a. 减小激振能量、增加阻尼消耗能量；b. 调整自振频率；c. 划转速禁区来进行。
横向振动是由于轴系旋转件不平衡，及螺旋桨在不均匀的尾流场中工作产生的循环变化的弯曲力矩引起的周期性弯曲变形的现象；船舶推进轴系总振的消减与回避，也是从调频、配置减振器、减少输入系统的振动能量等方面考虑纵向振动是螺旋桨在不均匀的尾流场中工作，产生不均匀的推力及主机装置产生的不均匀的轴向力，使轴系产生的周期性的拉压变形现象横振的后果表现在：a.螺旋桨轴锥形大端处产生过大的弯曲应力，严重时会出现龟裂，以致折损等重大疲劳破坏事故。
b.尾管轴承早期磨损，并导致轴衬套腐蚀，密封装置损坏等故障。
c.船尾局部振动。
解决横向振动的根本在于减少向系统的振动能量输入，即减少轴系横振激振力。
2 当船舶推进装置为柴油机时，轴系激振力有哪些?①柴油机等效轴向激振力由缸内气体压力和运动件惯性产生的曲柄销处法向力P N会使曲柄销发生弯曲变形，从而使主轴颈相应产生纵向位移U N。
如同在曲轴中心线作用轴向力P a一样。
柴油机装置产生激振力矩3. 当船舶推进装置为汽轮机时，轴系激振力有哪些?汽轮机船上纵振激力主要是螺旋桨的交变推力，在柴油机船上则还有缸内气体压力和往复件的惯性力。
此外扭振也可能激起纵向振动，特别是在两者固有频率相近时，称为纵扭耦合振动。
汽轮机组低频激振力4.简述轴系强迫振动计算的能量法的三条假设。
（1）共振时系统振型与自由振动振型相同，振动时各质量同时到达最大值（位移）；（2）只有产生共振那次简谐力矩才作功；（3）干扰力矩做的功完全消耗在阻尼上。
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图6－7 多缸柴油机的外力矩 －
可调24 纵振减振器 11-
装有泵站和控制箱的气缸
控制箱
泵站
图11-13 液压式支撑示意图
第六章 柴油机及推进轴系的振动
船舶推进轴系产生： 船舶推进轴系产生： （1）扭转振动 （2）纵向振动 回旋(横向) （3）回旋(横向)振动 振动危害： 振动危害： （1）机件磨损增加或损坏 （2）降低柴油机经济性和可靠性 引起船体水平、垂向振动（对底脚螺栓、 （3）引起船体水平、垂向振动（对底脚螺栓、 贯穿螺栓影响大，对气缸盖影响小） 贯穿螺栓影响大，对气缸盖影响小） 影响船员工作条件， （4）影响船员工作条件，损害船员健康
多缸柴油机的合成惯性力为零， 多缸柴油机的合成惯性力为零 ， 不会 造成柴油机的振动， 造成柴油机的振动 ， 而合成惯性力矩和总 倾覆力矩是造成多缸柴油机振动的激振力 源 。 各合成惯性力矩的作用性质， 可将其 各合成惯性力矩的作用性质 ， 归纳为： 归纳为： 一次力矩的垂直分量， 1) 一次力矩的垂直分量，即合成离心力矩的 垂直分量和合成一次往复惯性力矩； 垂直分量和合成一次往复惯性力矩； 一次力矩的水平分量， 2) 一次力矩的水平分量，即合成离心力矩的 水平分量； 水平分量； 二次力矩的垂直分量， 3) 二次力矩的垂直分量，即合成二次往复惯 性力矩