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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。
柴油发动机平衡轴结构一、引言柴油发动机是一种内燃机，广泛应用于各种交通工具和工业设备中。
为了减少发动机的振动和噪音，提高其运行平稳性和可靠性，柴油发动机通常都采用平衡轴结构。
本文将对柴油发动机平衡轴结构进行详细介绍。
二、平衡轴的作用平衡轴是一种用于平衡发动机振动的装置，通常由一根或多根轴组成。
它的主要作用有以下几点：1. 抑制发动机的一阶振动：发动机在运行过程中会产生一阶振动，即由于气缸的工作冲击而引起的振动。
平衡轴通过逆向振动的方式来抵消这种一阶振动，从而减少了发动机的振动程度。
2. 减小发动机的二阶振动：除了一阶振动外，发动机还会产生二阶振动，即由于曲轴的旋转不平衡而引起的振动。
平衡轴可以通过适当的设计和安装位置来减小这种二阶振动，使发动机运行更加平稳。
3. 提高发动机的可靠性：发动机振动过大会对其它零部件产生不良影响，如增加磨损和损坏的风险。
平衡轴的使用可以减小发动机的振动，降低了这些风险，从而提高了发动机的可靠性和使用寿命。
三、平衡轴的结构平衡轴的结构设计通常会根据发动机的具体要求和工作原理进行优化。
以下是柴油发动机常见的几种平衡轴结构：1. 单轴平衡轴结构：这是最简单的平衡轴结构，由一根轴组成。
它通常被安装在发动机的正中位置，通过对称的质量分布来实现平衡效果。
2. 双轴平衡轴结构：这种结构由两根轴组成，分别安装在发动机的两侧。
它可以更好地抵消发动机的一阶和二阶振动，提高平衡效果。
3. 多轴平衡轴结构：除了双轴结构外，某些高性能的柴油发动机还会采用更多的轴来实现更好的平衡效果。
这些轴通常会根据发动机的具体要求和振动特性进行合理的布置和设计。
四、平衡轴的制造和安装平衡轴的制造通常使用高强度的合金材料，以保证其足够的刚度和耐久性。
制造过程中需要进行精确的加工和平衡校正，以确保平衡轴的质量和平衡效果。
平衡轴的安装位置通常是根据发动机的具体结构和工作特点来确定的。
一般来说，它会安装在曲轴的下方，通过链条、齿轮或皮带传动与曲轴相连。
浅谈曲轴平衡技术及PA6-280型柴油机曲轴的动平衡西北工业大学 杨安庆国营陕西柴油机厂 张中平 曲轴动平衡是柴油机生产制造过程中不可缺少的重要工序,旨在消除由于制造加工误差、材料缺陷以及装配误差等因素造成的不平衡量,其目的是减少发动机在工作时的振动和噪声,改善曲轴的工作条件,提高可靠性,延长使用寿命。
1 关于动平衡的一些基本知识1.1 静平衡与动平衡为了减少转动零件由于质量分布不均匀产生不平衡的离心惯性力(或力偶),必须对转动零部件进行平衡校正,平衡校正分静平衡和动平衡两种。
不论该构件转至何位置,其本身质量对于回转轴线的静力矩均等于零,从而不会使自己转动,这种平衡称为静平衡,静平衡的条件是:所有离心惯性力的向量和等于零或所有重径积的向量和等于零。
对于沿轴向宽度很大的转动零件,欲得到平衡,除了应使其离心惯性力之和等于零外,其惯性力偶矩之和也必须等于零,这种平衡称为动平衡。
1.2 静平衡与动平衡的选择原则静平衡与动平衡的选择原则见表1。
表1 静平衡与动平衡的选择原则平衡方法转子长度L与外径D之比工作转速静平衡D L>5任何转速动平衡D L≤1n>1000r m in 1.3 动平衡机的分类和工作原理根据平衡转速的角频率Ξ与动平衡机(摆架加转子)系统的振角频率Ξ0的关系,可将动平衡机分为软支承动平衡机、半硬支承动平衡机和硬支承动平衡机三种。
对软支承动平衡机一般取Ξ>2Ξ0;半硬支承动平衡机一般取0.3Ξ0<Ξ<0.5Ξ;硬支承动平衡机一般取Ξ<0.3Ξ0。
根据工程力学原理,对软支承和硬支承结构刚性转子动平衡分别进行分离解算可知,对软支承结构,支承的振幅与重径积成正比,因此,动平衡时的工作角速度只要远大于支承系统的固有角频率,就可由支承的振幅反映重径积,这是软支承动平衡机的工作原理。
对硬支承结构,支承的振幅与不平衡所产生的离心力成正比,且相位相同,利用这一关系,动平衡时的工作角速度只要远小于支承系统的固有角频率,就可以由支承的振幅(或轴承所受的力)反映离心力,这是硬支承动平衡机的工作原理1.4 转子的许用不平衡量转子的不平衡量用重径积Gr(g・mm)、偏心距e(Λm)和平衡精度A(mm s)表示,其意义、相互关系及应用见表2。
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（）。
A．活塞在上止点时，速度最大，加速度最大 B．活塞在行程中央时，速度最大，加速度为零C．活塞在下止点时，速度为零，加速度为零 D．活塞在行程中点附近某点，速度最大，加速度为零6. 活塞运动的最大速度是出现在行程的（）。
A．上止点 B．下止点 C．接近行程中点 D．行程中点7. 活塞运动的最小速度是出现在行程的（）。
A．止点 B．接近止点 C．行程中央 D．接近行程中央8. 活塞运动的最大加速度是出现在行程的（）。
A．上止点处 B．接近止点处 C．行程中央 D．接近行程中央9. 活塞运动的加速度为零的点是出现在行程的（）。
A．上止点 B．接近行程中央 C．行程中央 D．下止点10. 柴油机活塞运动速度和加速度绝对值的变化规律是（）。
A．活塞在上止点时速度最大，加速度为零 B．活塞在上止点时速度为零，加速度最大C．活塞在上止点时，速度和加速度都为零 D．活塞在上止点时，速度和加速度都最大11. 柴油机活塞运动的速度和加速度，当活塞下行靠近行程中央时（）。
A．加速度最大，速度为零 B．速度最大，加速度为零C．速度和加速度都最大 D．速度和加速度均为零12. 活塞速度的方向由向上变为向下且速度变化最大，是发生在行程（）。
A．上止点 B．下止点 C．行程中点偏上 D．行程中点偏下13. 活塞速度的方向由向下变为向上且速度变化最大，是发生在行程（）。
A．上止点 B．下止点 C．行程中点偏上 D．行程中点偏下14. 活塞加速度的方向由向下变为向上且加速度变化最大，是发生在行程（）。
A．上止点 B．下止点 C．α＝＜90°接近中点D．α＝＞270°接近中点15. 活塞加速度的方向由向上变为向下且加速度变化最大，是发生在行程（）。
A．上止点 B．下止点 C．α＝＜90°接近中点D．α＝＞270°接近中点16. 活塞加速度的方向（）。
Ⅰ.在上止点，加速度方向朝上Ⅱ.在上止点，加速度方向朝下Ⅲ.在下止点，加速度方向朝上Ⅳ.在下止点，加速度方向朝下A．Ⅰ＋Ⅱ B．Ⅰ＋Ⅲ C．Ⅱ＋Ⅲ D．Ⅱ＋Ⅳ17. 活塞加速度在上、下止点处绝对值大小比较（）。
A．上止点的大于下止点 B．下止点的大于上止点C．上止点的等于下止点 D．上止点或大于或小于下止点18. 在曲轴连杆机构中，若曲轴按稳定角速度回转时，活塞做（）。
A．匀速直线运动 B．匀加速直线运动 C．变速直线运动 D．匀减速直线运动19. 当活塞由上止点运行到下止点（α＝0°～180°）过程中，活塞速度和加速度方向变化是（）。
A．速度一直向上，加速度由向上变向下 B．速度一直向下，加速度由向下变向上C．加速度一直向下，速度由向下变向上 D．加速度一直向上，速度由向上变向下20. 当活塞由下止点运行到上止点（α＝180°～360°）过程中，活塞速度和加速度方向变化是（）。
A．加速度一直向上，速度由向上变向下 B．加速度一直向下，速度由向下变向上C．速度一直向上，加速度由向上变向下 D．速度一直向下，加速度由向下变向上21. 当曲柄从极左运行到极右位置（α＝270°～90°）过程中，活塞速度和加速度方向变化是（）。
A．速度向下，加速度由向下变这向上 B．速度向上，加速度由向下变为向上C．加速度向下，速度由向上变为向下 D．加速度向上，速度由向下变为向上22. 当曲柄从极右运动到极左位置（α＝90°～270°）过程中，活塞速度和加速度方向变化是（）。
A．速度向下，加速度由向上变为向下 B．速度向上，加速度由向下变为向上C．加速度向下，速度由向上变为向下 D．加速度向上，速度由向下变为向上23. 下述说法正确的是（）。
A．连杆比λ是指连杆长度L与曲柄半径R之比B．当曲柄转角α＝90°时，活塞位x＝R（R为曲柄半径）C．活塞运行的最大加速度出现在行程中央D．当曲柄从极左运行到极右位置（α＝270°～90°）过程中，活塞速度由向上变向下，加速度向下24. 二次曲柄的曲柄半径和曲柄角加速度分别为（）。
A．λR/2，2ω B．λR/4，2ω C．λR/4，ωD．λR/2，ω25. 一次曲柄的曲柄半径和曲柄角加速度分别为（）。
A．R，ω B．λR，ω C．λR/4，2ω D．R，2ωBcbdd caabb babcd cacbc cddba3.4.1.2曲柄连杆机构的受力分析1．气体力F g作用在曲柄连杆机构上的气体力F g与柴油机的工作过程和负荷有关。
即使在负荷一定的情况下，气体力F g也是周期交变的，即气体力F g随曲轴转角α而变。
F g的变化周期为柴油机的一个工作循环，方向沿气缸中心线向下。
2．曲柄连杆机构的惯性力曲柄连杆机构的惯性力有：活塞组件往复运动所产生的往复惯性力；曲柄不平衡回转质量回转运动所产生的回转惯性力（离心力）；连杆运动所产生的惯性力。
曲柄连杆机构的惯性力主要和运动件的质量及运动时的加速度有关。
（1）往复惯性力F j往复惯性力F j为集中在活塞销（或十字头销）中心处的往复运动质量m j在做不等速往复运动时产生的惯性力。
往复惯性力的方向与活塞加速度的方向相反，作用线与气缸中心线平行。
略去往复质量重心与气缸中心线的微小偏移（如单滑块十字头、活塞冷却机构引起的偏移），可以认为往复惯性力的作用线与气缸中心线重合。
（2）离心惯性力F R离心惯性力F R为集中在曲柄销中心处的不平衡回转质量M的惯性力。
离心惯性力的方向与向心加速度的方向相反，永远是离心的。
它的作用线与曲柄中心线重合，并随曲柄按角速度ω回转。
（3）连杆力偶M L连杆力偶M L为连杆转动惯量在连杆摆动时产生的惯性力偶。
连杆力偶作用在连杆摆动平面内，其数值大小交变，方向交变。
当连杆摆到气缸中心线左侧时，M L为逆时针方向；当连杆摆到气缸中心线右侧时，M L为顺时针方向。
连杆力偶数值较小。
3．合力F在活塞上作用着气体力F g和往复惯性力F j的合力F为F＝F g+F j，合力f作用在气缸中心线连杆小端处。
由于气体力F g和往复惯性力F j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。
4．侧推力F N与连杆推力F L作用力F在活塞销处分解为两个力：一个分力F N 垂直于气缸壁（或导板），称为侧推力；另一个分力F L沿连杆中心线，称为连杆推力。
侧推力F N的大小、方向交变，作用在十字头导板或气缸壁上。
连杆推力ＦＬ的数值大小交变，作用在曲柄销上，而方向是否交变则取决于机型。
5．切向力F T和法向力F Z连杆推力F L在曲柄销处又可分解为两个分力：一个分力F T垂直于曲柄中心线，称为切向作用力；另一个分力F Z沿着曲柄中心线，称为法向作用力。
将F L移至主轴承处并沿水平和垂直方向分解为F′和N F''，其中F′等于合力F。
这说明在活塞销处承受的合力通过曲柄连杆机构最终传递到主轴承上。
此外，在主轴承上还作用着不平衡回转质量的离心惯性力F R。
6．柴油机的输出力矩和倾覆力矩切向力F T对曲轴中心线形成的力矩F T·R为柴油机的单缸输出力矩，由于切向力F T的大小是随着气体力F g、往复惯性力F j和曲轴转角α的变化而变化的，输出力矩F T·R也是交变的。
此外由于气体力F g和往复惯性力F j的合力F的作用，在柴油机机体垂直于气缸中心线方向作用着一对大小相等、方向相反的力F N和N F''，力间距离为h，它们构成了柴油机的倾覆力矩，在数值上同柴油机各瞬时输出力矩大小相等而方向相反。
但作用在不同的一部件上。
柴油机的输出力矩作用在柴油机之外被驱动的机械上（如螺旋桨、发电机等），而倾覆力矩则作用在柴油机机体上。
因此二者不能抵消。
1. 柴油机在工作中产生的气体力将直接作用在（）。
A．气缸盖 B．气缸套 C．活塞顶 D．A＋B＋C 2. 曲柄连杆机构中的往复惯性力是由（）产生的。
A．活塞和连杆 B．连杆和曲轴 C．活塞和曲轴D．活塞、连杆和曲轴3. 通过力学模型的简化可知，曲柄连杆机构中的离心惯性力是由（）产生的。
A．活塞和连杆 B．连杆和曲轴 C．活塞和曲轴D．活塞，连杆和曲轴4. 作用在活塞销（或十字头销）上的合力f，主要是由（）组成的（）。
A．摩擦力和气体力 B．往复惯性力和气体力C．往复惯性力和离心惯性力 D．气体力和离心惯性力5. 作用在活塞顶上的气体力与（）。
A．柴油机工作过程和运动部件质量有关 B．柴油机工作过程和运动部件质量无关C．工作过程无关而与运动部件质量有关 D．工作过程有关而与运动部件质量无关6. 作用在曲柄连杆机构的惯性力（）。
