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船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究【摘要】本文通过一些国内因轴系扭转振动而引起的断轴断桨的事故实例，来分析引起轴系扭转振动的主要原因，分析扭振主要特性，并提取一些减振和防振的基本控制措施。
【关键词】船舶柴油机轴系扭振危害分析措施在现代船舶机械工程中，船舶柴油机轴系扭转振动已经成为一个很普遍的问题，它是引起船舶动力装置故障的一个很常见的原因，国内外因轴系扭转而引起的断轴断桨的事故也屡见不鲜，随着科学水平的提高和航运业的发展，人们越来越重视船舶柴油机组的轴系扭转振动，我国《长江水系钢质船舶建造规范》和《钢质海船入级与建造规范》（简称《钢规》）和也均规定了在设计和制造船舶过程中，必须要向船级社呈报柴油机组的轴系扭转振动测量和计算报告，以此来表明轴系扭转振动的有关测量特性指标均在“规范”的允许范围内。
1 船舶柴油机轴系扭转振动现象简介凡具有弹性与惯性的物体，在外力作用下都能产生振动现象。
它在机械，建筑，电工，土木等工程中非常普遍的存在着。
振动是一种周期性的运动，在许多场合下以谐振的形式出现的，船舶振动按其特点和形式可分为三种，船体振动，机械设备及仪器仪表振动，和轴系振动。
船舶柴油机轴系振动按其形式可分为三种：扭转振动，纵向振动，横向振动。
柴油机扭转振动主要是由气缸内燃气压力周期性变化引起的，它的主要表现是轴系上各质点围绕轴系的旋转方向来回不停的扭摆，各轴段产生不相同的扭角。
纵向振动主要是由螺旋桨周期性的推力所引起的。
横向振动主要是由转抽的不平衡，如螺旋桨的悬重以及伴流不均匀产生的推力不均匀等的力的合成。
船舶由于振动引起的危害不但可以产生噪音，严重影响旅客和船员休息，还会造成仪器和仪表的损害，严重的时候甚至出现船体裂缝断轴断桨等海损事故，直接影响船舶的航行安全。
而在船舶柴油机轴系的三种振动中，产生危害最大的便是扭转振动，因扭转振动而引起的海损事故也最多，因此对扭转振动的研究也最多。
而且当柴油机轴系出现扭转振动时，一般情况下，船上不一定有振动的不适感，因此这种振动也是最容易被忽视的一种振动形式，一旦出现扭转振动被忽视，往往意味着会发生重大的事故。
柴油机及柴油发电机机械振动测量1.测量条件①被测机器处于正常安装状态。
②当机器达到正常运转状态时方可进行测量。
③测量应在机器典型使用工况下进行。
④测量环境中应无强烈外部干扰。
2.振动测量仪器与设备振动加速度传感器、电荷放大器、YE6263动态数据采集测试分析仪、计算机。
3.测量仪表的要求振动测量的传感器应有下列要求：①传感器安装在被测点处应牢固可靠，接触面光滑干净，在整个测量过程中不得有任何移动。
连接系统在测量频率范围内应保证振动信号的正确传递。
②传感器应在允许的工作环境（如温度、湿度、磁场、油污、盐雾等）下工作。
③传感器经非正常状态后（如冲击，过热、浸水、浸油等）应及时校验，确认不低于原始性能时，方可继续而使用。
④传感器应有方向性，横向灵敏度应不大于测量方向灵敏度的10%，即“横向灵敏度比”要求小于10%联接导线的要求：联结导线的选用应与测量系统匹配，导线应固定牢固，与被测对象之间不应有相对运动。
指示与记录装置的要求：指示装置应能直接读取测量量标的有效值，可记录测量量标与时间的关系图并保存。
4.测量的数据内容柴油机及柴油发电机振动的测量的数据包括振动位移、振动速度、振动加速度。
柴油机及柴油发电机振动测量量标和定义振动位移：物体相对于某一参考坐标位置的矢量。
单位为毫米（mm）。
振动速度：振动位移的时间变化率的矢量。
单位为毫米每秒（mm/s）振动加速度：振动速度的时间变化率的矢量。
单位为毫米的平方每秒（mm2/s）5.测量系统测量系统的组成部分如下框架图图1 实验振动测量系统组成测量值是在一定频率范围内振动信号的有效值，测量频率范围下限应包括机械的一阶振动频率，对转速为600r/min以上的机械，频率范围取10～1000Hz，对转速为300～600r/min 的机械，频率范围取3～1000Hz。
振动测量仪器应能显示并记录振动测量标量和时间的关系图，和直接显示复合振动测量标量的有效值，频率响应范围应在2~3000HZ内选取，仪器精度应不低于5%。
3.4柴油机及推荐轴系的振动和平衡3.4.1活塞、连杆的运动及受力3.4.1.1活塞连杆的运动1．活塞的位移xα＝0°时，x＝0（即活塞在上止点）；当α＝180°时，x＝2R＝s（即活塞在下止点）；当α＝90°或270°时，x＝R＋λR/2＞R。
即当α＝90°或180°时，活塞不在行程中央，而在α＜90°或α＞270°的某一位置时，活塞位移x＝R（行程中央位置）。
2．活塞的速度x.当α＝0°时（上止点）或α＝180°时（下止点），x.＝0，即在上下止点处活塞的运动速度均为零,而活塞运动的最大速度x.max则出现在α＜90°或α＞270°的某一位置。
3．活塞的加速度x..当α＝0°时，x..达最大值：x..max＝Rω2 （1＋λ），方向向下；当α＝180°时，x..＝-Rω2 （1-λ），方向向上。
活塞在上止点时的加速度在数值上大于活塞在下止点时的加速度。
在α＜90°或α＞270°的某个位置x..＝0（活塞速度最大）。
1. 在曲轴连杆机构中，连杆比λ通常是指（）。
A．活塞直径D与曲柄半径R之比 B．曲柄半径R与连杆长度LC．连杆长度L与曲柄半径R之比 D．连杆长度L与活塞直径D之比2. 曲轴半径R与连杆长度L之比用λ表示，通常低速柴油机的λ值为（）。
A．1/3～1/4 B．1/3～1/5 C．1/4～1/5D．1/5～1/63. 活塞位移x是曲轴转角α的函数，下列表述错误的是（）。
A．当α＝0°时，则x＝0 B．当α＝90°时，则x＝RC．当α＝180°时，则x＝2R D．当α＝270°时，则x＝R＋R/2λ4. 与活塞位移x与无关的是（）。
A．曲轴半径R B．曲轴转角α C．连杆比λD．曲轴回转角速度ω5. 柴油机在运行过程中，其活塞运动规律是（）。
第六章柴油机及推进轴系的振动柴油机是往复运动机械,它采用曲柄连杆机构把活塞的往复运动转换成曲轴的回转运动。
当柴油机以恒定转速运转时,活塞做往复运动,连杆一边随活塞作往复运动一边绕活塞销(或十字头销)摆动,曲轴基本为匀速回转运动。
由于曲柄连杆机构这种复杂的运动特点,必然要产生周期性变化的不平衡力和力矩。
它们的存在不仅影响活塞、连杆和曲轴的强度,也影响连杆小端和大端轴承的负荷、润滑和磨损,同时还会使柴油机发生振动并引起船体振动,甚至会导致柴油机或船体发生故障或损坏。
为了改善这种不平衡力和力矩对柴油机本身造成的不良影响,必须采取一定的平衡补偿措施,把它们控制在一个限定的范围之内。
船舶推进轴系在实际运转中也会受到各种冲击和周期性的激振力(或力矩)的作用。
对于柴油机动力装置,主要有以下几种激振力: (1)柴油机气缸气体力、运动部件惯性力与重力等产生的作用在曲轴、曲柄销上的交变切向力和径向力; (2)螺旋桨在径向和周向都很不均匀的三维伴流场中运转时所受到的交变纵向(轴向)和横向推力和力矩; (3)轴系部件运转时所产生的激振力和力矩。
由于这些激振力和力矩的存在,将导致船舶推进轴系产生扭转振动、纵向振动和回旋(横向)振动, 造成轴系损坏或影响船舶的正常航行。
第一节活塞、连杆的运动及受力一、活塞的运动1.活塞的位移在柴油机中,由活塞(或活塞十字头组件)、连杆和曲轴组成的运动机构称为曲柄连杆机构,它的结构简图如图6-1所示。
图中B、A、O分别代表活塞销(或十字头销)和连杆小端、曲柄销和连杆大端、主轴颈和主轴承的位置。
BA为连杆,其长度为连杆小端中心到连杆大端中心的距离L。
OA为曲柄,其回转半径为主轴颈中心到曲柄销中心的距离R,等于活塞行程S的一半,即R=S/2。
B点沿着气缸中心线在上下止点O′和O″之间作往复运动,它与上止点O′间的距离x称活塞位移。
假设曲柄按顺时针方向转动,从图中的几何关系可以得出:x=L+R-(Rcosα+Lcosβ)=R(1-cosα)+L(1-cosβ) (6-1)运算并简化得活塞位移的近似公式:x≈R(1-cosα)+λR4(1-cos2α) (6-2)式中: α---曲轴转角;β---连杆摆角;λ---连杆比,它表示曲柄半径与连杆长度之比, 即λ=R/L, 一般λ=R/L=1/3～1/5。
柴油机振动标准
柴油机的振动标准通常有以下几个方面：
1. 柴油机的整体振动水平应符合国际标准或制造商规定的振动限制。
通常情况下，柴油机的振动应尽量保持在可接受范围内，避免产生过大的振动。
2. 柴油机在运行中，不同部件的振动水平也要满足相应的标准。
例如，曲轴、连杆、活塞等部件的振动应控制在合理范围内，以保证柴油机的正常运行和使用寿命。
3. 柴油机在工作负荷不同的情况下，其振动水平应有所变化但仍要在允许的范围内。
这要求柴油机具备一定的自适应性，能够根据工作负荷的变化来调整振动水平。
4. 柴油机在不同工作状态下的振动水平也要满足相应的标准。
例如，在启动、运转和停机等不同的工作状态下，柴油机的振动水平应保持在合理范围内，以保证运行的平稳和可靠性。
需要注意的是，柴油机的振动标准可能会因不同的国家、行业和应用环境的要求而有所不同。
因此，在选购柴油机时，应根据具体的应用场景和需求，参考相应的标准进行选择。
柴油机振动的原因
柴油机振动的原因有很多种，以下是几个常见的原因：
1. 柴油机的不平衡。
某些部件的重量不均匀或者安装不平衡会导致柴油机的振动。
2. 柴油机的机械失衡。
柴油机的主轴或者其他运动部件在运转中如果存在轴瓣或者磨损，就会产生振动。
3. 柴油机的点火不良。
如果柴油机的点火系统不正常，例如火花塞损坏或者点火线路出现问题，会导致燃烧不完全，产生不稳定的振动。
4. 柴油机的燃烧不均匀。
柴油机在燃烧的过程中，如果燃油的混合过程不均匀，就会产生振动和噪音。
5. 柴油机的传动系统不平衡。
如果柴油机的传动系统中存在偏心或者失衡，会导致机器振动。
以上是柴油机振动的几个常见原因，对于这些问题，需要我们及时发现并且解决，才能保证机器的正常运转。
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