1、本 科 毕 业 论 文（ 20 届 ）浅析“育鲲”轮轴系振动及减振措施所 在 学 院专 业 班 级 轮 机 工 程学 生 姓 名指 导 教 师完 成 日 期内 容 摘 要推 进 轴 系 由 于 主 机 不 均 匀 传 递 力 矩 、 安 装 上 的 不 对 中 、 材 料 的 不 均 匀 、 加 工 的不 精 确 ， 以 及 自 身 质 量 的 不 平 衡 ， 可 以 产 生 轴 系 的 扭 转 振 动 和 纵 向 振 动 。 螺 旋 桨 的激 振 力 可 以 使 船 舶 推 进 轴 系 产 生 扭 转 、 纵 向 振 动 以 及 这 些 振 动 形 式 的 耦 合 。 为 了 改善 这 种
2、不 平 衡 力 和 力 矩 对 轴 系 造 成 的 不 良 影 响 ， 必 须 采 取 一 定 的 平 衡 补 偿 措 施 ， 把它 们 控 制 在 一 定 的 范 围 之 内 。 本 文 首 先 从 振 动 的 基 本 概 念 入 手 ， 介 绍 了 轴 系 振 动 的机 理 、 种 类 及 相 应 的 减 振 措 施 ， 然 后 浅 析 所 在 实 习 船 “育 鲲 ”轮 所 采 取 的 减振 措 施 及 减 振 效 果 。 本 文 结 尾 ， 对 减 小 轴 系 振 动 的 方 法 作 了 总 结 ， 并 提 出 了 在 运 行管 理 中 所 应 注 意 的 事 项 。关 键 词 :推
3、进 轴 系 不 平 衡 力 矩 振 动 减 振 措 施 效 果 分 析 ABSTRACT: Torsional and vertical vibrations of propelling shafts can be caused due to such occasions as the uneven moment transmitting of the main engine, the misalignments of mounting, the uneven material, the inaccurate processing and the unbalance of its own ma
4、ss. Also, the excitation force from propellers can engender these vibrations as well as their coupling. In order to weaken these bad influences on the shafts caused by the unbalanced force and torque， some compensated measures must be adopted, keeping the bad influence in a certain range. Firstly, t
5、his paper presents the basic conception of vibrations, and then the mechanism of shafts vibrations, the types, and the corresponding measures. After that, this thesis analyses the measures adopted on yukun and the corresponding results. At the ending of this paper, the measures of dampening vibratio
6、ns are summarized and also the announcements during the running and managing period.Keywords: propelling shafts unbalanced torque measures of dampening vibrations analyzing of the dampening results 目录前 言 .51 轴 系 振 动 的 机 理 .61.1 振 动 的 基 本 概 念 .61.1.1 自 由 振 动 .61.1.2 强 迫 振 动 .61.2 引 起 轴 系 振 动 的 激 振 力
7、和 激 振 力 矩 .71.2.1 柴 油 机 引 起 的 激 振 力 和 激 振 力 矩 .71.2.2 螺 旋 桨 所 产 生 的 激 振 力 和 力 矩 .82 轴 系 的 扭 转 振 动 及 减 振 措 施 .92.1 轴 系 的 扭 转 振 动 .92.1.1 扭 转 振 动 .92.1.2 扭 振 的 危 害 .92.2 轴 系 扭 转 振 动 的 力 学 简 化 模 型 .92.2.1 当 量 扭 振 系 统 .92.2.2 三 质 量 系 统 的 自 由 扭 转 振 动 特 性 .92.3 现 代 船 用 大 型 柴 油 机 的 扭 振 特 点 .102.4 调 距 桨 对 轴
8、 系 扭 振 的 影 响 .112.5 轴 系 扭 转 振 动 的 减 振 措 施 .113 轴 系 的 纵 向 振 动 及 减 振 措 施 .133.1 轴 系 的 纵 向 振 动 机 理 及 危 害 .133.1.1 轴 系 的 纵 向 振 动 .133.1.2 产 生 船 舶 推 进 轴 系 纵 向 振 动 的 主 要 因 素 .133.1.3 推 进 轴 系 纵 向 振 动 的 危 害 性 .133.2 柴 油 机 推 进 轴 系 纵 振 力 学 模 型 .133.3 推 进 轴 系 纵 振 的 衡 量 标 准 .143.4 回 避 纵 向 振 动 的 措 施 .144“育 鲲 ”轮
9、所 采 取 的 减 振 措 施 及 效 果 分 析 .164.1 育 鲲 轮 轴 系 的 组 成 .164.2 育 鲲 轮 轴 系 所 采 取 的 减 振 措 施 .174.3 减 振 效 果 分 析 .174.4 减 振 器 减 振 研 究 .184.5 轴 向 振 动 监 测 .205 总 结 .21致 谢 .22【 参 考 文 献 】 .23前 言船 舶 轴 系 是 推 动 船 舶 前 进 的 关 键 部 位 ,如 果 轴 系 发 生 故 障 ,轻 者 影 响 船 舶 的安 全 航 行 ,重 者 会 造 成 重 大 事 故 而 带 来 巨 大 损 失 ,因 此 如 何 保 证 船 舶 推
10、 进 轴 系 安全 运 转 ,是 造 船 和 航 运 界 极 为 重 视 的 问 题 ,也 是 船 检 部 门 认 真 研 究 的 重 要 问 题 之 一 。船 舶 在 航 行 中 ,轴 系 承 受 着 各 种 各 样 (包 括 不 变 的 和 可 变 的 )复 杂 的 负 荷 ,这些 复 杂 的 负 荷 是 造 成 船 舶 轴 系 破 坏 的 主 要 原 因 。 轴 系 在 运 转 中 产 生 的 主 要 应 力 有 :(1)传 递 扭 矩 产 生 的 剪 切 应 力 ;(2)轴 系 校 中 产 生 的 剪 切 和 弯 曲 应 力 ;(3)扭 转 振 动 产 生 的 扭 转 应 力 ;(4)
11、纵 向 振 动 产 生 的 弯 曲 和 拉 压 应 力 ;(5)回 旋 振 动 产 生 的 弯 曲 应 力 ;(6)螺 旋 浆 激 振 力 产 生 的 扭 转 和 弯 曲 应 力 。为 了 提 高 经 济 性 ， 现 代 柴 油 机 普 遍 采 用 了 增 大 行 程 缸 径 比 、 降 低 转 速 、 提 高 燃烧 压 力 等 措 施 ， 这 使 得 柴 油 机 和 推 进 轴 系 的 振 动 问 题 更 加 严 重 。 因 而 必 须 采 取 一 定的 补 偿 措 施 ， 把 它 们 控 制 在 一 个 限 定 的 范 围 之 内 ， 减 轻 对 轴 系 造 成 的 不 良 影 响 。其
12、中 纵 向 振 动 、 扭 转 振 动 是 产 生 轴 系 疲 劳 破 坏 的 两 大 主 要 因 素 。 本 文 主 要 介 绍这 两 种 振 动 的 产 生 机 理 、 危 害 及 相 应 的 减 振 措 施 ， 并 简 要 分 析 所 在 实 习 “育鲲 ”轮 采 取 的 减 振 措 施 及 减 振 效 果 。浅析“育鲲”轮轴系振动及减振措施1 轴 系 振 动 的 机 理1.1 振 动 的 基 本 概 念船 舶 及 动 力 装 置 都 可 以 看 成 是 由 质 量 或 惯 性 元 件 、 弹 性 元 件 和 阻 尼 原 件 组 合 而成 的 振 动 系 统 。 振 动 系 统 在 受
13、到 周 期 性 的 激 振 力 或 力 矩 的 作 用 下 就 会 振 动 。 对 于 船舶 动 力 装 置 ， 柴 油 机 和 螺 旋 桨 则 是 两 个 主 要 的 周 期 性 激 振 力 源 。为 了 分 析 和 控 制 不 同 类 型 的 振 动 ,可 以 从 单 质 量 简 化 模 型 入 手 ,如 图 1-1 所示 。1.1.1 自 由 振 动图 1-1.单质量振动系统的振动模型图如 果 质 量 为 m 的 物 体 离 开 平 衡 位 置 （ X=0） ， 它 就 会 以 某 一 特 定 的 频 率在 初 始 位 置 附 近 振 动 ， 振 动 方 程 为 ： =Asin( t+
14、)式 中 ： A振 幅 ；自 由 振 动 的 圆 频 率 ， = =2振 动 的 初 相 位这 种 振 动 即 为 自 由 振 动 ， 其 振 动 频 率 称 为 系 统 的 固 有 频 率 ， 它 只 与 系 统 的 质 量和 弹 簧 刚 度 有 关 ， 而 与 其 它 外 界 因 素 无 关 。1.1.2 强 迫 振 动由 于 有 阻 尼 的 存 在 ， 自 由 振 动 的 振 幅 会 逐 渐 衰 减 ， 所 以 自 由 振 动 不 会 长 期 存 在 。若 要 使 振 动 维 持 下 去 ， 就 必 须 不 断 向 系 统 输 入 能 量 ， 才 能 克 服 阻 尼 ， 维 持 系 统
15、的 振 动 状 态 。 能 够 使 系 统 持 续 振 动 的 力 称 为 激 振 力 。 这 是 一 种 周 期 性 变 化 的 力F（ t） = sin(i t+ )式 中 ： 第 i 次 激 振 力 的 幅 值 ；第 i 次 激 振 力 的 相 位 ；激 振 力 的 圆 频 率 ；i简 谐 次 数 ， i=1,2,3,4， 。1.2 引 起 轴 系 振 动 的 激 振 力 和 激 振 力 矩1.2.1 柴 油 机 引 起 的 激 振 力 和 激 振 力 矩作 用 在 曲 柄 连 杆 机 构 上 的 气 体 力 Fg 和 往 复 惯 性 力 Fj 的 合 力 为 F,作 用 在气 缸 中
16、心 线 连 杆 小 端 处 。 由 于 气 体 力 Fg 个 个 和 往 复 惯 性 力 Fj 都 随 曲 轴 转 角变 化 ,其 合 力 F 的 大 小 和 方 向 也 随 曲 轴 转 角 而 变 化 。 作 用 力 F 在 活 塞 销 处 分 解为 两 个 力 :一 个 分 力 发 Fn 垂 直 于 气 缸 壁 ,称 为 侧 推 力 ;另 一 个 分 力 FL 沿 连 杆 中心 线 ,称 为 连 杆 推 力 。 连 杆 推 力 Fl 在 曲 柄 销 处 又 可 分 解 为 两 个 分 力 ： 垂 直 于 曲 柄中 心 线 的 切 向 力 Ft 和 沿 着 曲 柄 中 心 线 的 径 向 力
17、 Fz。 切 向 力 Ft 是 柴 油 机 曲 轴的 驱 动 力 ， 也 是 引 起 轴 系 的 扭 转 振 动 的 激 振 力 ， 径 向 力 Fz 则 是 引 起 轴 系 轴 向振 动 的 激 振 力 。 如 图 所 示 ：图 1-2 曲 柄 连 杆 机 构 上 的 受 力 分 析1.2.2 螺 旋 桨 所 产 生 的 激 振 力 和 力 矩螺 旋 桨 所 产 生 的 激 振 力 矩 是 螺 旋 桨 在 不 均 匀 的 伴 流 场 中 运 转 时 ， 由 作 用 在 桨 叶上 的 力 引 起 的 。 其 变 化 频 率 为 叶 频 或 倍 叶 频 。一 般 认 为 螺 旋 桨 交 变 的
18、回 转 力 矩 是 轴 系 扭 振 的 激 振 力 源 ， 而 交 变 的 推 力 是 轴 系轴 向 振 动 的 激 振 力 源 ， 螺 旋 桨 在 不 均 匀 的 伴 流 场 中 产 生 的 横 向 力 和 力 矩 则 会 引 起 轴系 的 横 振 。 如 果 螺 旋 桨 和 柴 油 机 的 激 振 力 频 率 和 相 位 相 同 时 ， 将 会 使 轴 系 的扭 转 振 动 加 剧 。2 轴 系 的 扭 转 振 动 及 减 振 措 施2.1 轴 系 的 扭 转 振 动2.1.1 扭 转 振 动 轴 系 在 柴 油 机 、 螺 旋 桨 等 周 期 性 的 激 振 力 矩 作 用 下 所 产
19、生 的 周 向 交 变 运 动 及 相应 变 形 称 为 轴 系 的 扭 转 振 动 。2.1.2 扭 振 的 危 害扭 转 振 动 产 生 的 主 要 危 害 有 ： 轴 系 裂 纹 和 断 裂 ； 减 速 齿 轮 间 撞 击 ， 齿 面 点 蚀及 断 齿 ； 联 轴 器 连 接 螺 栓 切 断 ， 橡 胶 联 轴 器 撕 裂 ； 发 动 机 零 部 件 磨 损 加 快 ； 发 电 机组 输 出 不 允 许 的 电 压 波 动 ； 出 现 扭 转 纵 向 耦 合 振 动 。2.2 轴 系 扭 转 振 动 的 力 学 简 化 模 型2.2.1 当 量 扭 振 系 统为 了 便 于 研 究 分
20、析 ,通 常 把 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 。 这 种转 化 系 统 称 为 柴 油 机 及 其 轴 系 的 当 量 扭 振 系 统 。 如 图 2-1 所 示 。图 2-1 轴 系 的 当 量 扭 转 系 统2.2.2 三 质 量 系 统 的 自 由 扭 转 振 动 特 性“育 鲲 ”轮 为 艉 机 舱 型 ， 可 以 把 曲 柄 连 杆 机 构 合 并 成 一 个 集 中 转 动 质 量 ， 飞 轮为
21、 第 二 个 转 动 质 量 ， 螺 旋 桨 为 第 三 个 转 动 质 量 。 由 此 可 以 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 ， 如 图 2-2 所 示 。 设 振 动 质 量 1、 2、 3 的转 动 惯 量 为 I1、 I2、 I3， 振 动 质 量 1 与 2， 2 与 3 之 间 轴 的 柔 度 为 e12， e23，振 动 无 阻 尼 。 可 得 三 质 量 无 阻 尼 自 由 振 动 方 程 式 ：1=A1(1)sin(e1t+1)+A1(2)sin(e2t+2)2=A2(1)sin(e1t+1)+A2(2)
22、sin(e2t+2)3=A3(1)sin(e1t+1)+A3(2)sin(e2t+2)231223122 4Iee 2121Ie 3223Ie式 中 :we1,we2-三 质 量 无 阻 尼 自 由 振 动 系 统 的 两 种 圆 频 率 ， 其 中 we1 称 单 节圆 频 率 ， we2 称 双 节 圆 频 率 ， 且 we1we2；A1（ 1） 、 A2（ 1） 、 A3（ 1） 三 个 质 量 以 圆 频 率 we1 振 动 时 的 振 幅 ；A1（ 2） 、 A2（ 2） 、 A3（ 2） 三 个 质 量 以 圆 频 率 we2 振 动 时 的 振 幅 ； 1、 2在 两 种 圆 频
23、 率 we1,we2 振 动 时 的 初 相 位 。由 以 上 可 知 :1)三 质 量 系 统 无 阻 尼 自 由 扭 转 振 动 是 由 两 种 简 谐 振 动 相 加 而 成 的 ;2)三 质 量 扭 振 系 统 具 有 两 种 自 振 频 率 ,其 中 e1 称 单 节 圆 频 率 , 数 值 较低 , e2 称 双 节 圆 频 率 ,数 值 较 高 , 即 e1 e2。 其 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 的 。 在 低 圆 频 率 e1 下 的 振 动 是 单节 振 动 。 在 高 圆 频 率 e2 下 的 振 动 是 双 节 振 动 ,它 有 两 个 节 点 , 质 量 愈 大 离 节点 愈 近 ,振 幅 愈 小 ,节 点 多 落 在 柔 度 较 大 的 轴 段 上 。 图 2-2 三 质 量 扭 振 系 统2.3 现 代 船 用 大 型 柴 油 机 的 扭 振 特 点现 代 船 用 柴 油 机 的 发 展 趋 势 是 长 行 程 、 单 杠 功 率 大 、 缸 数 少 ， 这 使 得 柴 油 机 输出 扭 矩 更 加 不 均 匀 ,激 振 力 矩 增 加 ， 轴 系 的 自 振 频 率 降 低 ,易 出 现 由 低 次 简 谐 力
