柴油机发电机组扭转振动分析(附件)
摘 要摘 要船用柴油机发电机组为船舶各种装置提供电力，在船上有着十分重要的作用。柴油机轴系的扭转振动直接影响该动力装置安全运行。因此，分析计算柴油机轴系的扭振特性是新船设计过程中的必要步骤。本文提出了一种扭振计算方法，用该方法对船用柴油机发电机组轴系的扭振特性进行分析，并与实验结果进行对比，验证了该方法的正确性。本文以5L21/31船用柴油机发电机组的轴系为研究对象，首先用集总参数法将实际轴系转换成集中质量系统，建立了扭转振动的模型；其次用化广义特征值问题为标准特征值问题求解自由振动方程，用频域叠加法求解强迫振动方程，再根据求解过程，用MATLAB软件编写程序，计算得到轴系的固有特性和强迫振动的相关结果，并且将强迫振动计算程序应用到其它机型，与国外计算结果进行对比，各谐次曲线重合，合成曲线趋势相同，数值接近。最后测量了该实验机组的喷油凸轮轴扭振特性，对比分析了实测结果与计算结果，各谐次振幅趋势相同，部分验证了计算程序的可行性。关键词：柴油机；扭转振动；自由振动；强迫振动 目 录
第一章 绪论 1
1.1选题背景 1
1.2 国内外扭振研究现状 1
1.3 轴系扭振计算方法 2
1.4 本文研究内容 4
第二章 扭振的计算模型及当量转化 5
2.1扭转振动的计算模型 5
2.2 扭振模型相关参数的当量化 6
2.2.1转动惯量 7
2.2.2 等效刚度 9
2.2.3 增、减速系统的当量转化 10
2.3 本章小结 11
第三章 自由振动计算 13
3.1 自由振动计算原理 13
3.2 自由振动编程及计算结果 15
3.3 本章小结 17
第四章 强制振动计算 18
4.1 激励的来源及其分析 18
4.1.1 轴系扭振振动的激振来源 18
4.1.2 轴系扭振振动的激振分析 19
4.2 强迫振动频域计算原理 21
4.3 扭振引起的附加振动力矩及应力 24
4.3.1 附加力矩 24
4.3.2扭振附加应力 25
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/> 第四章 强制振动计算 18
4.1 激励的来源及其分析 18
4.1.1 轴系扭振振动的激振来源 18
4.1.2 轴系扭振振动的激振分析 19
4.2 强迫振动频域计算原理 21
4.3 扭振引起的附加振动力矩及应力 24
4.3.1 附加力矩 24
4.3.2扭振附加应力 25
4.4 算例对比 25
4.5 强迫振动编程及计算结果 27
4.6本章小结 31
第五章 5L21/31柴油机台架实验 32
5.1测量系统及实验过程 32
5.2实验数据处理及对比 33
5.2.1 自由振动对比 33
5.2.2强迫振动对比 37
5.3 本章小结 39
结论 40
致谢 41
参考文献 42
第一章 绪论
1.1选题背景
柴油机具有良好的经济性、可靠性，因此广泛应用于国民经济的各个部门。由于其主要机件做往复性运动，以及工作的周期循环性，柴油机不可避免的产生较大的振动，不仅影响柴油机本身结构和系统的整体工作性能，也会使载体和与之连接的设备产生振动从而降低工作效能[1]。
轴系是柴油机曲轴和与其相连接的运动部件的总称，主要有减震器、中间轴、飞轮、推力盘、发电机或螺旋桨等。柴油机轴系的振动主要包括横向振动、纵向振动和扭转振动，其中扭振最为常见。因为实际轴系都是非刚性的，给激励后，假设没有阻尼，那么就会做周期性的弹性变形。当给轴系施加周期性的干扰力矩后，轴系就会做强迫振动。因为柴油机的激振力矩都是周期性的，所以轴系做周向交变运动，由此产生变形和附加应力。强烈的扭振会导致曲轴断裂这样的严重事故。同时由于轴系扭振引起的其他问题也比较多。如联轴器损坏、减速器内齿轮的点蚀、折断；另外由于曲轴扭振导致正时齿轮和凸轮轴的传动不稳定，导致喷油泵、气阀的定时开闭达不到设计效果，加大柴油机油耗，使柴油机整体性能下降，经济性变差。本文的研究对象5L21/31柴油机正是因为喷油器的损坏，使扭振增大，导致正时齿轮处的异常噪声，使该柴油机无法通过验收。强烈的扭振对柴油机的平衡性也会有影响，易诱发轴系的横向振动和纵向振动，增加柴油机噪声。由此可见，柴油机扭转振动的危害很大。
因此，世界多数国家的船舶检验机构规定：“功率大于110千瓦的内燃机装置的扭转振动计算和实测资料必须提出审批。”[2]当扭转振动各项数据超出规范限值时，不准出厂使用。我国船舶检验机构也有上述规定。新型船舶在设计建造时，必须交验轴系扭转振动的计算资料和实船轴系测试数据，二者结果必须相符，其误差不得超过规定的允许值。计算与实测二者是相互配合的，计算必须靠实测检验，而实际扭振测量由于测量点的限制，最重要的曲轴部分在机体内部无法测量，一般只能在柴油机自由端或飞轮端进行测量，所以所得结果是曲轴系统局部部件的振动数据，而无法了解整个轴系的全貌。因此曲轴系统扭转振动计算是柴油机轴系设计时必不可少的项目。
1.2 国内外研究现状
目前柴油机轴系的扭振理论分析、计算和数值解法等问题已经有比较完整的方法，但在具体的工程实践中总会遇到很多新问题，对扭振的计算提出许多新挑战。就基础研究而言，二次振动、偏振、滚振及部分气缸熄火等扭振特性研究工作正逐步深入。随着计算机技术和测试技术的进步，轴系扭振研究必将得到全面发展，并取得新的成就。在工程实践中，扭振的计算经常会遇到各种各样的困难。如通过计算柴油机各缸发火顺序对轴系扭振程度的影响，确定合理的发火顺序，如果计算方法选取不当可能会导致断轴等严重事故。再如某些重要设施的应急柴油发电机，由于其工作的特殊性，对其性能要求极高——数秒内启动并全负荷供电，这导致其启动时，气缸压力极高，对于这种冲击载荷下的扭振计算也十分复杂，需用多方法综合计算。德国MAN公司在我国对于该计算的价格高达数十万欧元。近年来，电控系统也应用到柴油机的控制当中，这也可能会导致了柴油机扭振加大，如广州黄埔船厂一批船因为扭振超标，不能交付使用，最后通过降低PID调节的各项参数的方法将扭振指标降低，最后顺利交付。扭振与电控系统的耦合问题是近年来的研究热点。
在船舶行业，柴油机是船舶的主要动力装置之一。随着各种新型船舶的建造，对柴油机扭振计算提出了许多新问题。如现在许多船舶使用柴燃联合动力或多台柴油机联合动力，这就造成功率匹配导致的扭振问题，还有在并车时，轴系惯量瞬间变化导致的冲击问题。出于环保的需要，现在许多船舶会在推进主轴上并联发电机，在正常航行时使用，以此减少排放。这种设计使轴系变得复杂，扭振计算也更加困难。
在其他行业，扭振也引起了很高的重视。如发电厂使用汽轮机发电，由于电网负载的波动导致，汽轮机转子受到的扭矩变化，导致转子受到附加应力，并最终导致断轴的事故。在风力发电领域，行星齿轮系统由于其力矩的周期性，导致其是一个天然的扭振源。另外像空气泵、舱底泵、螺杆泵等这些往复机械也有扭振存在，国内做泵振动方面得到行业内广泛认可的主要有中船重工七〇四所和哈尔滨工程大学。
扭振的测试技术也经历了较长时间的发展，从1916年，机械式盖格尔扭振仪出现后，先后经历了模拟式
第一章 绪论 1
1.1选题背景 1
1.2 国内外扭振研究现状 1
1.3 轴系扭振计算方法 2
1.4 本文研究内容 4
第二章 扭振的计算模型及当量转化 5
2.1扭转振动的计算模型 5
2.2 扭振模型相关参数的当量化 6
2.2.1转动惯量 7
2.2.2 等效刚度 9
2.2.3 增、减速系统的当量转化 10
2.3 本章小结 11
第三章 自由振动计算 13
3.1 自由振动计算原理 13
3.2 自由振动编程及计算结果 15
3.3 本章小结 17
第四章 强制振动计算 18
4.1 激励的来源及其分析 18
4.1.1 轴系扭振振动的激振来源 18
4.1.2 轴系扭振振动的激振分析 19
4.2 强迫振动频域计算原理 21
4.3 扭振引起的附加振动力矩及应力 24
4.3.1 附加力矩 24
4.3.2扭振附加应力 25
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4.1 激励的来源及其分析 18
4.1.1 轴系扭振振动的激振来源 18
4.1.2 轴系扭振振动的激振分析 19
4.2 强迫振动频域计算原理 21
4.3 扭振引起的附加振动力矩及应力 24
4.3.1 附加力矩 24
4.3.2扭振附加应力 25
4.4 算例对比 25
4.5 强迫振动编程及计算结果 27
4.6本章小结 31
第五章 5L21/31柴油机台架实验 32
5.1测量系统及实验过程 32
5.2实验数据处理及对比 33
5.2.1 自由振动对比 33
5.2.2强迫振动对比 37
5.3 本章小结 39
结论 40
致谢 41
参考文献 42
第一章 绪论
1.1选题背景
柴油机具有良好的经济性、可靠性，因此广泛应用于国民经济的各个部门。由于其主要机件做往复性运动，以及工作的周期循环性，柴油机不可避免的产生较大的振动，不仅影响柴油机本身结构和系统的整体工作性能，也会使载体和与之连接的设备产生振动从而降低工作效能[1]。
轴系是柴油机曲轴和与其相连接的运动部件的总称，主要有减震器、中间轴、飞轮、推力盘、发电机或螺旋桨等。柴油机轴系的振动主要包括横向振动、纵向振动和扭转振动，其中扭振最为常见。因为实际轴系都是非刚性的，给激励后，假设没有阻尼，那么就会做周期性的弹性变形。当给轴系施加周期性的干扰力矩后，轴系就会做强迫振动。因为柴油机的激振力矩都是周期性的，所以轴系做周向交变运动，由此产生变形和附加应力。强烈的扭振会导致曲轴断裂这样的严重事故。同时由于轴系扭振引起的其他问题也比较多。如联轴器损坏、减速器内齿轮的点蚀、折断；另外由于曲轴扭振导致正时齿轮和凸轮轴的传动不稳定，导致喷油泵、气阀的定时开闭达不到设计效果，加大柴油机油耗，使柴油机整体性能下降，经济性变差。本文的研究对象5L21/31柴油机正是因为喷油器的损坏，使扭振增大，导致正时齿轮处的异常噪声，使该柴油机无法通过验收。强烈的扭振对柴油机的平衡性也会有影响，易诱发轴系的横向振动和纵向振动，增加柴油机噪声。由此可见，柴油机扭转振动的危害很大。
因此，世界多数国家的船舶检验机构规定：“功率大于110千瓦的内燃机装置的扭转振动计算和实测资料必须提出审批。”[2]当扭转振动各项数据超出规范限值时，不准出厂使用。我国船舶检验机构也有上述规定。新型船舶在设计建造时，必须交验轴系扭转振动的计算资料和实船轴系测试数据，二者结果必须相符，其误差不得超过规定的允许值。计算与实测二者是相互配合的，计算必须靠实测检验，而实际扭振测量由于测量点的限制，最重要的曲轴部分在机体内部无法测量，一般只能在柴油机自由端或飞轮端进行测量，所以所得结果是曲轴系统局部部件的振动数据，而无法了解整个轴系的全貌。因此曲轴系统扭转振动计算是柴油机轴系设计时必不可少的项目。
1.2 国内外研究现状
目前柴油机轴系的扭振理论分析、计算和数值解法等问题已经有比较完整的方法，但在具体的工程实践中总会遇到很多新问题，对扭振的计算提出许多新挑战。就基础研究而言，二次振动、偏振、滚振及部分气缸熄火等扭振特性研究工作正逐步深入。随着计算机技术和测试技术的进步，轴系扭振研究必将得到全面发展，并取得新的成就。在工程实践中，扭振的计算经常会遇到各种各样的困难。如通过计算柴油机各缸发火顺序对轴系扭振程度的影响，确定合理的发火顺序，如果计算方法选取不当可能会导致断轴等严重事故。再如某些重要设施的应急柴油发电机，由于其工作的特殊性，对其性能要求极高——数秒内启动并全负荷供电，这导致其启动时，气缸压力极高，对于这种冲击载荷下的扭振计算也十分复杂，需用多方法综合计算。德国MAN公司在我国对于该计算的价格高达数十万欧元。近年来，电控系统也应用到柴油机的控制当中，这也可能会导致了柴油机扭振加大，如广州黄埔船厂一批船因为扭振超标，不能交付使用，最后通过降低PID调节的各项参数的方法将扭振指标降低，最后顺利交付。扭振与电控系统的耦合问题是近年来的研究热点。
在船舶行业，柴油机是船舶的主要动力装置之一。随着各种新型船舶的建造，对柴油机扭振计算提出了许多新问题。如现在许多船舶使用柴燃联合动力或多台柴油机联合动力，这就造成功率匹配导致的扭振问题，还有在并车时，轴系惯量瞬间变化导致的冲击问题。出于环保的需要，现在许多船舶会在推进主轴上并联发电机，在正常航行时使用，以此减少排放。这种设计使轴系变得复杂，扭振计算也更加困难。
在其他行业，扭振也引起了很高的重视。如发电厂使用汽轮机发电，由于电网负载的波动导致，汽轮机转子受到的扭矩变化，导致转子受到附加应力，并最终导致断轴的事故。在风力发电领域，行星齿轮系统由于其力矩的周期性，导致其是一个天然的扭振源。另外像空气泵、舱底泵、螺杆泵等这些往复机械也有扭振存在，国内做泵振动方面得到行业内广泛认可的主要有中船重工七〇四所和哈尔滨工程大学。
扭振的测试技术也经历了较长时间的发展，从1916年，机械式盖格尔扭振仪出现后，先后经历了模拟式
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