第七章船舶推進軸系的扭轉(zhuǎn)振動與控制

第七章船舶推進軸系扭轉(zhuǎn)振動及其控制

§4-1概述軸系振動有：扭轉(zhuǎn)振動、回轉(zhuǎn)振動（橫振）、縱向振動。其中以扭轉(zhuǎn)振動為主，當(dāng)周期性的交變力矩作用的頻率與自振頻率相同時，將產(chǎn)生共振。我國“船規(guī)”規(guī)定220kW（300HP）以上的船舶都要申報扭振計算書。一、扭振的概述1、軸系扭振的成因及危害軸系本身具有扭轉(zhuǎn)振動的基本特性：彈性與慣性軸系承受不均勻的干擾力矩當(dāng)扭轉(zhuǎn)振動所產(chǎn)生的應(yīng)力超過許用值時，會對軸系產(chǎn)生極大的破壞作用。二、船舶規(guī)范三、扭轉(zhuǎn)振動的基本概念1、扭擺有阻尼的強迫振動圖示的單質(zhì)量系統(tǒng)，軸只計柔度，不計慣量，圓盤只計慣量，忽略彈性。穩(wěn)太時S+U+R+T=0慣性力矩彈性力矩阻尼力矩干擾力矩

為自由振動時的解無阻尼時，即n=0

放大系數(shù)討論：

小結(jié)：1）系統(tǒng)自振頻率僅與結(jié)構(gòu)有關(guān)2）強迫振動頻率與干擾力矩頻率相同，但由于阻尼存在，共振時，強迫振動的相位落后于干擾力矩相位/2，并產(chǎn)生動力放大。3）減振方法：增加阻尼，改變自振頻率及改變干擾力矩。2、雙質(zhì)量系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動兩質(zhì)量均作簡諧振動，頻率相同，初相位相等，振幅不同，慣量大的振幅小，慣量小的振幅大，且振動方向永遠相反。振型圖A1A2e12A1A2A3A3e12e23A1A2O單結(jié)雙結(jié)單結(jié)取A1=1，A2=-I1/I2，O為結(jié)點，振幅為0，應(yīng)力最大，雙質(zhì)量只有一個結(jié)點。三質(zhì)量系統(tǒng)有兩個自振頻率，單結(jié)或雙結(jié)，即兩個結(jié)點。n個質(zhì)量就有n-1個振型，n-1個自振頻率?！?-2推進軸系扭振計算一、推進軸系的?；；瓌t：1）以每一曲柄回轉(zhuǎn)平面中心線為單缸運動質(zhì)量的集中點2）發(fā)動機輸出端之后，以具有較大轉(zhuǎn)動慣量部件的中心線作為質(zhì)量的集中點3）對于軸系的轉(zhuǎn)動慣量，當(dāng)軸段較短時可以忽略或把它平均分配到飛輪和螺旋槳的質(zhì)量上4）齒輪傳動時，把主、從動齒輪的轉(zhuǎn)動慣量按傳動比合并成一質(zhì)量，落點在主動齒輪中心線上5）兩相鄰集中質(zhì)量之間的連接軸，按柔度作為該兩質(zhì)量中心的當(dāng)量軸段長6）軸系中有彈性聯(lián)軸器或氣胎離合器時，應(yīng)把它們的主、從動部分分為兩集中質(zhì)量7）軸系中有液力偶合器時為界，分成兩個獨立的扭振系統(tǒng)8）被發(fā)動機拖動的機械，轉(zhuǎn)動慣量大的也要作一集中質(zhì)量二、多質(zhì)量系統(tǒng)無阻尼簡諧振動計算應(yīng)力標(biāo)尺實際應(yīng)力為減少累計誤差，通常采用無因次計算。名稱轉(zhuǎn)動慣量柔度振幅彈性力矩有因次IKeK,K+1AKn2Uk,,k+1=(AK+1-AK)/eK,K+1無因次K=IK/ISEK,K+1=eK,K+1/eSK=AK/AS=ISeS

n2K,K+1=eSuK,K+1/AS經(jīng)過無因次變換以后，計算方程變?yōu)椋?=11,2=112=1-1,2E1,22,3=1,2+223=2-2,3E2,3??????K=K-1-K-1,KEK-1,KK,K+1=K-1,K+KK??????n=n-1-n-1,nEn-1,nn,n+1=n-1,n+nn=0三、軸系扭振的強迫振動計算1、干擾力矩及其共振轉(zhuǎn)速柴油機動力裝置，氣體壓力是不均勻的，其所產(chǎn)生的扭矩也在變化，其它部件產(chǎn)生的力矩不均勻性與之相比可不計。n個質(zhì)量系統(tǒng)的運動狀態(tài)方程用矩陣可表示為：設(shè)多缸柴油機第K個缸輸出的扭矩為Mg（K）為簡諧系數(shù)，對二沖程柴油機=1，2，3，……12,對四沖程柴油機=1/2，1，1.5，……10臨界轉(zhuǎn)速nc：共振工況下相應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速并不是只有一各。因為干擾力矩的頻率為，只要=n就會發(fā)生共振，所以臨界轉(zhuǎn)速通常要指明幾結(jié)幾次。共振時：=n若此時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為Nn，n=2Nn/60Nn=9.55n只要n=Nn，n就是臨界轉(zhuǎn)速ncn=nmin~nmax

2、干擾力矩所作的功1）單個干擾力矩所作的功2）多個干擾力矩所作的功假定各缸壓力相同M1=M2=M3=…..但各缸作用的時間不同，它取決于發(fā)火順序和發(fā)火間隔角，如果第k個缸與第一缸的發(fā)火間隔角為1，k，干擾力矩相位差為1，k干擾力矩基本矢量圖特征：1）矢量的個數(shù)等于氣缸數(shù)2）當(dāng)=qk是為主簡諧，相應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速為主臨界轉(zhuǎn)速，q為曲柄端面圖上曲柄數(shù)，k=1，2，3……3）>q矢量圖重復(fù)。對V型機為V型機夾角，為左右列同排編號氣缸發(fā)火間隔角3、用能量法求解強迫振動振幅（A1）在進行強迫振動時假定：1）共振工況是穩(wěn)定的。即干擾力矩輸入的能量全部被阻尼所消耗2）共振工況下，與系統(tǒng)自振頻率不等的各諧次干擾力矩所引起的振幅遠小于與系統(tǒng)自振頻率相等的那一簡諧干擾力矩所引起的振幅，只考慮=m3）共振時，引起共振的干擾力矩頻率與系統(tǒng)自振頻率相等，共振振型和對應(yīng)的系統(tǒng)自由振動振型相似，振幅按比例放大。系統(tǒng)阻尼和阻尼功4、用放大系數(shù)法求解強迫振動振幅（A1）對單質(zhì)量系統(tǒng)m=A1/Ast

在多質(zhì)量系統(tǒng)中，放大系數(shù)m0表示系統(tǒng)在一組具有相同諧次的干擾力矩作用下產(chǎn)生強迫振動的振幅A1與將干擾力矩的幅值作為靜力矩作用在系統(tǒng)上同一質(zhì)量（第一質(zhì)量）的平衡振幅Ast的比值。靜力矩所作的功=系統(tǒng)的彈性勢能

m0=A1/Ast一個循環(huán)靜力矩所作的功為彈性勢能第一質(zhì)量的實際振幅可以比較容易的從實船中測得，這樣就可以確定放大系數(shù)。根據(jù)實測資料和經(jīng)驗，各部件的放大系數(shù)如212頁表6-7四、非共振計算假定：1）非共振振型和自由振動振型相同

2）只考慮共振時的某一諧次干擾力矩

3）非共振情況下阻尼作用與共振時相同§4-3推進軸系振動的計算一、簡單回避法劃禁區(qū)（0.8~1.05）ne不能劃禁區(qū)二、調(diào)頻避振法1、改變系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量I通常是改變飛輪的重量，飛輪的轉(zhuǎn)動慣量增加，系統(tǒng)自振頻率下降并使結(jié)點向飛輪靠攏，槳振幅加大，槳阻尼大，消耗功大。要考慮雙結(jié)頻率的改變。2、改變系統(tǒng)柔度1）改變軸系長度，增加長度NI下降2）加裝彈性聯(lián)軸器3）增大軸直徑3、選定適當(dāng)?shù)穆菪龢獞T量三、增加系統(tǒng)阻尼在系統(tǒng)中裝阻尼減振器某四沖程五缸柴油機（1-5-2-3-4-1）軸系模型圖如下，物理參數(shù)如表，nmin=40，nmax=105序號1234~789101112轉(zhuǎn)動慣量kgm25.981.08