轴系的扭转振动
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毕业设计(论文)轴类零件扭转振动测试方法研究学生姓名:学号:学部(系):机械与电气工程学部专业年级: 09级机械设计制造及其自动化指导教师:职称或学位:教授2013 年 5 月27日目录摘要 (3)关键词 (3)Abstract (4)Key Words (4)1.绪论 (4)1.1课题概述 (5)1.1.1课题背景 (5)1.1.2研究目的及意义 (5)1.2轴类扭振测量技术的发展现状 (6)1.2.1 轴类扭振测量技术国外研究现状 (6)1.2.2 轴类扭振测量技术国内研究现状 (7)1.3扭振测试仪器的发展现状 (7)1.4论文主要内容及结构安排 (9)2.轴类扭振测量方法分析 (10)2.1 接触测量法 (10)2.2非接触测量法 (11)2.3调制解调法 (14)2.4本章小结 (14)3.模态分析基本理论 (14)3.1 理论模态分析基本理论 (15)3.1.1 背景概述 (15)3.1.2模态理论分析 (15)3.2试验模态分析基本理论 (16)3.2.1背景概述 (16)3.2.2模态激振方法 (17)3.2.3模态分析系统 (18)3.3试验模态分析步骤 (18)3.4本章小结 (19)4.扭转振动试验模态分析 (19)4.1 试验方案 (20)4.1.1试件的设计思想 (20)4.1.2基于MSC-Nastran 转轴模态仿真分析.. 错误!未定义书签。
4.1.3仿真分析结果 ...................... 错误!未定义书签。
4.2 模态试验系统 ........................... 错误!未定义书签。
4.3模态试验过程 (21)4.3试验结果与分析 (27)4.4 本章小结 (29)5.总结与展望 (29)5.1 全文总结 (29)5.2 工作展望 (30)参考文献 (30)致谢 (32)轴类零件扭转振动测试方法研究摘要扭转振动问题普遍存在于各种旋转机械中。
船舶轴系扭振产生的原因及对策摘要:近年以来,随着中国现代化进程的发展,为适应中国海洋事业的快速发展时期,综合确保船舶航行安全的同时,相关工作人员也对船舶轴系扭振成因进行了深入的研究,以期对船舶轴系的扭振特性及规律进行相应的完善与总结,严格按照有关规定处理船舶轴系扭转振动问题,尽量减少轴系扭转振动造成的船舶安全事故。
关键词:船舶轴系,扭振,原因及对策,探讨1前言一般来说,振动定律可以直接使用正弦波来表示轴向运动。
扭转振动是在扭矩变化的作用下所发生的周期性运动。
扭矩振动主要发生在输出和扭矩吸收不均匀的机械装置中,如柴油机运行的某些设备或装置、电机压力机、电机泵等等。
就柴油发动机而言,包括减速齿轮之间的碰撞、齿面的点蚀及断裂、连接螺栓的断裂、橡胶接头的撕裂、引擎零件的加速磨损等。
在运行过程中发生的严重事故,对此方面的研究始终在持续,力度也不再不断加大,积累了大量的经验和数据。
人们一直在探索和寻找一种相对简单的近似计算方法,包括轴系怠速振动固有频率和临界转速的计算方法。
最后,它算是处理实际问题逐渐形成的方法。
2船舶轴系扭转振动的概述主动推进装置的扭转振动问题非常重要,值得去好好深入地研究。
通常情况下,当气缸关闭之后,后续的操作才更安全。
然而,一些辅助振荡器的相对振幅矢量不会减小。
相反,共振应力增大,甚至接近或超过允许的扭转应力。
此外,每个圆柱的分解振幅矢量的相对值也会受到不同程度的影响。
了解气缸轴承拆卸后产生较大冲击应力的推力控制,对于避免单个气缸的拆卸事故具有重要的意义。
在柴油机的实际运行过程中,在电梯试验以及运行试验中,不仅要进行单缸停油试验,而且在柴油机发生紧急故障时,必须要密封气缸进行运行。
此外,最大燃烧压力、排气温度调节等平衡性差异以及各种故障往往导致燃烧不良现象。
因此,在计算转向轴系的振动时,必须考虑这种情况。
在细致完成相关工作之后,还要向船公司提供船舶运行中的计算结果和注意事项,以确保船舶在正常运行和气缸密封运行中的正确操作和管理。
发动机-内燃机轴系扭转振动文献综述内燃机轴系扭转振动内燃机是人类历史上贡献最大也得到最广泛应用的热能动力机械,在路面交通、海洋船舶甚至航空等领域都作为主要动力源,然而随着其向着高速、小型强化、大功率方向发展,随着全世界车辆法规的健全合理化,对振动以及噪声问题的研究显得愈发重要。
作为内燃机的主要零件之一的曲轴,它的结构参数在很大程度上不仅影响着内燃机的整体尺寸和质量,而且也影响着内燃机的可靠性和寿命。
随着内燃机的不断强化,轴系的扭转振动问题也日益突出。
因此在内燃机的设计阶段就应该充分重视扭振问题。
首先应该对其进行计算和分析,必要时采取避振与减振措施,以消除扭振的威胁。
同时有研究表明,曲轴是内燃机的主要噪声源之一,而且曲轴的振动又会传递到机体和其他附件上引起更多的振动和噪声,因此,内燃机及其动力装置轴系的扭转振动是影响安全运行以及噪声控制的重要问题之一。
现代内燃机设计中提出了NVH的概念,通过这一概念来衡量内燃机性能的优劣[2]。
从这一概念可以看出,内燃机的振动和噪声在现代内燃机设计中的重要地位因此研究内燃机曲轴的振动特点对提高曲轴强度,减小并控制内燃机的振动,提高整机的工作可靠性,改善船舶、汽车等交通工具的舒适性都有重要意义。
1内燃机曲轴轴系扭转振动研究的发展历程[7]:内燃机轴系的扭转振动是机械动力学科的一个分支,是内燃机动力学的一部分,在热动力装置发展初期,由于当时技术水平的限制,在相当长的一段时间内,在轴系的强度设计工作中,是把轴系按绝对刚性处理的。
当时认为,轴系中的应力变化完全取决于载荷或受力情况。
但在世纪末,在工业发达国家对内燃机的广泛应用后,由于在动力交通运输部门中所使用的内燃机装置中,各种断轴事故不断发生,这使得工程设计人员认识到,将轴系作为绝对刚体来处理是不合适的,必须作为弹性体进行研究。
从世纪末到世纪初,各种断轴事故的分析报告及有关文章逐渐出现,对于扭转振动的研究也逐渐深入。
内燃机轴系装置之所以能产生扭转振动,其内因是轴系本身不但具有惯性,还具有弹性,由此确定了其固有的自由振动特性。
为了确定该裂纹是否由于压缩机扭转振动过大引起,采用的无线测试系统对另外一台还未产生裂纹的压缩机在相同位置粘贴应变片进行了扭转振动测试[3],被测压缩机参数如表1所示。
其中I 为转动惯量矩阵;T 为激励力向量;φ为角位移向量。
将压缩机轴系模型———————————————————————基金项目:本文得到国家自然科学基金资助(52076166)。
作者简介:叶君超(1985-),男,湖北武汉人,工程博士研究生,级工程师,研究方向为基于振动分析的压缩机故障诊断。
图1电机轴端裂纹为剧烈的地方,结合图1可知其直径变化也较为剧烈,即承受的交变扭矩相对较大,从侧面验证了在此处产生裂纹合理性。
将表2中的热力参数带入压缩机计算软件进行热动力计算得到压缩机曲轴激励曲线如图4所示。
对各列曲轴激励进行快速傅里叶分解可得[6]:(图5)取压缩机的轴系阻尼系数为瑞利(Rayleigh )阻尼[7],如公式(2):(2)式中:c out 为外阻尼系数;c in 旋转质量i 和旋转质量i+1之间的内阻尼系数;a i 为外单位阻尼系数,b i 为内单位阻尼系数;I i ,K i 为相应旋转质量的转动惯量及之间的扭转刚度;ω=2πf ,f=n/60,n 为曲轴转速。
根据以往已有的计算经验取a i =0.06、b i =0.04带入公式(2)建立不同倍频下的阻尼矩阵C ω。
因为在共振状态下扭转振动的峰值对阻尼非常敏感,参考文献[7]可知采用瑞利阻尼计算轴系共振状态下的扭转振动值误差较大,因此本文中仅采用瑞利阻尼计算非共图2轴系扭转振动时频域图表3轴系集总参数编号转动惯量I (kg.m 2)扭转刚度K (N.m/rad )编号转动惯量I (kg.m 2)扭转刚度K (N.m/rad )1234532.6119.6118.332.56.7 5.24×1084.83×1085.24×1088.54×1088.54×10891011121332.521.21829.976.213.6 5.04×1083.81×1081.11×1094.34×1083.86×108图3一阶振型Fig.3First-order mode图4压缩机曲轴激励(a)第一列曲轴激励频谱(b)第二列曲轴激励频谱(c)第三列曲轴激励频谱(d)第四列曲轴激励频谱(e)曲轴合激励频谱图5压缩机曲轴激励频谱为轴系的动态位移,则轴段之间的动态扭矩值为,为与刚度值对应的动态扭矩值,取电机轴裂纹产生位置的动态扭矩,图6T13动态扭矩时频域图图7轴系动态扭矩时域图[J].压缩机技术,2018(1).[3]王一兵,汪坤,余小玲,叶君超.往复式压缩机轴系扭转振动测试研究[J].石油机械,2020,48(07):123-128.[4]上官文斌,陈超,段小成,等.发动机曲轴系统扭转振动建模与实测分析[J].振动:测试与诊断,2012(04):40-47[5]API618,Reciprocation Compressors for Petroleum,and Gas Industry Services[S],Fifth Edition,AmericanInstitute,Washington D.C.,2007.[6]郑近德,潘海洋,程军圣,包家汉,刘庆运,丁克勤适应经验傅里叶分解的机械故障诊断方法[J].机械工程学报,2020,56(09):125-136.图8轴系扭转振动时频域图图9时频域对比图。
船舶动力装置轴系扭转振动计算课程设计班级:轮机0801班学号:U200812201姓名:李弘扬一.设计任务及意义:在推进装置中,从主机到推进器之间,用传动轴及保证推进装置正常工作所需的全部设备连接在一起的中间机构成为轴系。
船舶轴系是船舶动力装置的重要组成部分之一。
轴系的工作好坏,将直接影响船舶的推进特性和正常航行,并对船舶主机的正常工作也有直接的影响。
如果轴系设计质量欠佳,将会引起机体振动、传动系统零部件损坏、轴承过度磨损、甚至轴件折断等事故,不仅会中止机械系统的正常运行,也会危急工作人员的生命安全。
因此对轴系必须进行深入的研究,以利于其正确的设计、制造、安装和检验。
船舶轴系振动控制就是设计及安装中采取措施,以保证动力装置的振动限制在容许的范围内。
这次设计主要是针对简化实际系统后的理想的轴系当量系统图进行分析,采用其参数,通过各种方法(矩阵特征值特征向量、HOLZER 法、专门解微分方程的软件等)求出系统的各阶频率及其主阵型,通过对着2个参数进行分析,得出所需的数据,并总结归纳出轴运转过程中要注意的问题,以保证轴能够安全有效的运转。
二.柴油机推进轴系布置图:图1所选主机的型号为6350ZC-1,其额定功率为661Kw,额定转速为350r/m。
三.轴系当量系统图:为了方便对船舶的推进轴系进行分析和振动计算,将实际的船舶推进轴系简化成当量系统,如下图:图2其中:1.空气压缩机2.水泵3.变速齿轮 4-8.柴油机气缸 9.飞轮 10.减速器 11.联轴节 12.螺旋浆各当量参数如下表:序号 1 2 3 4~7 8 9 10 11 12转动惯量5.98 1.08 1.04 2.913 2.913 51.463 0.6 1.115 3.944(kg·m2)扭转刚度×10-58.2 392.2 150 112.78 169.66 0.5 0.5 50.29 (N·m/rad)表1转动惯量与扭转刚度的等效计算原理:a,转动惯量:轴系作扭转振动时,其运动部件可分为旋转运动件和往复式运动件,其中,旋转运动件的转动惯量一般都是对圆盘这类有规则几何形状的物体进行积分:J=.比如真空心圆轴的转动惯量为J=ρ()L (kg ·m )。
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。