第六章柴油机及轴系振动
船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究
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。
柴油机的振动与平衡
反，而形成的“颠覆力矩”将使柴油机倾倒。 ***柴油机的往复惯性力最终通过主轴承使柴油机产生上、下跳动的效 应。同时，往复惯性力也将使柴油机产生颠覆力矩，使柴油机有左右倾 倒的趋势。 ***柴油机的离心力将使柴油机形成上、下、左、右跳动的作用力，而 连杆力偶则是使柴油机产生左右摇摆的力矩。 *****以上几种作用力或力矩都是周期性地发生变化的。因此，但柴油 机运转时，这些周期性变化的力或力矩将使柴油机产生周期性地跳动或 摇动，这就是柴油机运转时引起共振的根源。
***颠覆力矩平衡： 颠覆力矩由固定基座螺栓承受。 ***连杆力偶平衡： 一般可忽略而不采取平衡措施。 2．多缸柴油机的平衡： 柴油机机体减振指的是消除或减轻柴油机机身在支承上的整体振动即 外部振动。 外部平衡与内部平衡： ***对多缸柴油机，如果采用适当的曲柄排列，可达到“外部平衡”。但 是，曲轴不是一个刚体，而是弹性体。曲轴在惯性力的作用下回发生变 形。由于主轴承阻碍这种变形，致使主轴承和机座受到力和力矩的作 用，而当机体刚度不足时，同样会产生或引起振动。因此，在分析柴油 机的平衡特性也就是它的振动力源时，不但要关心它的外部平衡特性， 还要考虑到机身内部的受力情况。如果它的内部受力过大，仍然要引起 变形和振动。 ***我们把考虑机身内部受力情况的平衡称为柴油机的“内部平衡”。通 常以柴油机达到某种程度的外部平衡后，曲轴所受的最的大的弯曲力矩 （也称内力矩）来表征柴油机内部的平衡性。使曲轴所受的最大弯曲力 矩限制在安全范围内的平衡措施，即为内部平衡。 离心力及离心力矩的平衡： 在单列多缸柴油机中，一般多采用均匀分布的曲柄排列方案，因此合 成离心力都是自行平衡的。但是，还可能存在不平衡的合成离心力矩。 不平衡合成离心力矩的平衡方法，一般可归纳为四种： ***各缸平衡法： 这是最彻底的平衡方法，即在每一曲柄上都装两块反向安置的平衡 重，以平衡掉每个曲柄的离心力。由于每个曲柄的离心力都消失了，自 然就不存在总的不平衡合成离心力矩和不平衡合成离心力。 这种方法优点很多，不但作到了外部平衡，同时也作到了内部平衡， 使柴油机的机身和曲轴受力情况最佳，但这种方法的平衡重数量多，重 量较大。 ***分段平衡法： 将曲轴分成两段（或数段），而后分别对各段所存在的合成不平衡离 心力矩采取平衡措施。这是一种折衷方案，平衡并不彻底。 ***整体平衡法： 在曲轴首尾两个曲柄上各加一对方向相反的平衡重块，以消除全部曲 柄的合成离心力矩。它的优点是曲轴重量轻，但内部平衡性差，且平衡 重在曲柄臂上要偏置安装。
柴油机的振动与平衡课件
Pcj PTj PNj
Pcj Pj PHj
结论： 1、在主轴承上存在Pj，将引起柴油机上下振动； 2、对气体压力产生的有一定的抵消作用 3、对输出力矩影响不大。 4、颠覆力矩与输出力矩大小相等、方面相反
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chapter 11 柴油机的振动与平衡
15
11.1 柴油机动力学
三、曲柄连杆机构的作用力分析-侧推力与连杆 推力
侧推力 FN 的大小交变，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合力 F
的方向。
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chapter 11 柴油机的振动与平衡
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11.1 柴油机动力学
三、曲柄连杆机构的作用力分析-切向力和径向 力
3
一、曲柄连杆机构的运动
1 活塞位移 位移的精确公式 位移的傅里叶级数公式 活塞位移的近似公式 2 活塞速度和加速度 3 连杆运动 连杆角位移近似公式 连杆角速度近似公式 连杆角加速近似公式
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chapter 11 柴油机的振动与平衡
4
11.1 柴油机动力学
位移的精确公式
由多谐次合成，使柴油 机装置产生错综复杂的 振动
M D M m M v sin(v t v ) v 1
v 1,2,3,...
M D M m M v sin(v t v ) v1/ 2
v
1
2
,1,1
1 2
,2,2
1 2
,...
二冲程柴油机 四冲程柴油机
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chapter 11 柴油机的振动与平衡
的绝对值达到最大2。
忽略2⑶项的连影杆响最，大可得摆极角大、值最的近大似角计速算度公及式为最：大角加速度均不大
第六章 轴系扭转振动
各轴段应力尺标 k,k1
k ,k 1k A ,k 1 1 W U k k ,,k k 1 1A 1 1 e s W k ,k k , k 1 1
(ka/P ra ) d
该轴段抗扭截
面模数
应考虑的简谐次数
临界转速 相对振幅矢量和
列Holzer表如下。并根据已知条件将各质量的 无因次转动惯量和各轴段的无因次柔度分别 填入表中第1和第6列；
e12 e23 e34 e45 e56 e67 e78
J1 J2 J3 J4 J5 J6
J8
J7
en-1,n
Jk
Jn-1
Jn
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三. 内燃机轴系自由扭振Holzer表计算方法
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二.扭振的计算模型与当量转化
刚度计算
直轴的刚度
对材料剪切弹性模量为G，截面极惯性矩为J0，长度为L的轴
段，扭转刚度为：
K＝GJ0，Nmrad
L
弹性联轴器扭转刚度
应采用动态刚度值:K＝dKs
式中：Ks—静刚度值， N.m/rad； d—动态系数。
通常，制造厂应提供弹性联轴器的扭转刚度值
节振动 自振频率N= （次/分） 自振圆频率ω= （rad/s） △=
质1
2
3
4
5
6
7
量 序
k
E E E k k 1 k 1 ,k k 1 ,k k
k
k
k,k1
k1,k
k
k
k ,k 1
k,k1 k,k1
1
1
1
1.0000
1
1
1
1,2
1
1
柴油机及柴油发电机振动测试报告.doc
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%。
柴油机的振动与平衡PPT课件
chapter 11 柴油机的振动与平衡
7
11.1 柴油机动力学
2 活塞速度和加速度 活塞的运动速度是位移对时间的一阶导数：
x RsinR(2)si2 n
4
对上式取微分则得活塞加速度的近似公式：
x R 2(co sco 2s )
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chapter 11 柴油机的振动与平衡
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11.1 柴油机动力学
x L R R c o L sco s
LsinRsi n
R /Lsin /sin co s1si2n 12si2 n
xR (1 co ) sL (1 1 2s2 i n )
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chapter 11 柴油机的振动与平衡
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11.1 柴油机动力学
xR (1 co ) sL (1 1 2s2 i n )
PcjPTjPNj PcjPj PHj
结论： 1、在主轴承上存在Pj，将引起柴油机上下振动； 2、对气体压力产生的有一定的抵消作用 3、对输出力矩影响不大。 4、颠覆力矩与输出力矩大小相等、方面相反
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chapter 11 柴油机的振动与平衡
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11.1 柴油机动力学
2.往复惯性力 2)计算
4
一、曲柄连杆机构的运动
1 活塞位移 位移的精确公式 位移的傅里叶级数公式 活塞位移的近似公式 2 活塞速度和加速度 3 连杆运动 连杆角位移近似公式 连杆角速度近似公式 连杆角加速近似公式
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chapter 11 柴油机的振动与平衡
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11.1 柴油机动力学
位移的精确公式
《船舶柴油机》 Marine diesel engine
第六章柴油机及轴系振动
船舶柴油机
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平衡装置按传动方式的平衡方法
2、首尾齿轮传动式平衡装置：为首尾齿轮传动式平衡装置 。首尾两端分别用齿轮传动两个同步反转的平衡重，以 在柴油机纵剖面内产生一个平衡合成往复惯性力矩的平 衡力矩。这种平衡装置多用于大、中型低速及中速柴油 机上。这样可以省去过长的平衡轴。
船舶柴油机
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平衡装置按传动方式的平衡方法
船舶柴油机
三、曲柄连杆机构的作用力
1、气体力Fg：
11
2 大小： Fg p g D 4 p 气缸中的压力，变化规律见p－V示功图
g
方向：缸内四周，内部平衡。 气体力产生的作用力在柴油机内部平衡，但产生的倾覆力矩MDg使 柴油机摆动。
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三、曲柄连杆机构的作用力
2、惯性力
1）往复惯性力Fj： 大小：
F
R
MR
（3）合成往复惯性力，
（4）合成往复惯性力矩， （5）总倾覆力矩， （6）总连杆力偶等。
F
MD Mc
j
M j
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多缸机的平衡 1、离心力及离心力矩的平衡 离心力：在单列多缸柴油机中，一般多采用均匀分布的
曲柄排列方案，因此合成离心力都是自行平衡的。
离心力矩：可能存在不平衡的合成离心力矩。 需要平衡的是合成离心力矩
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二、自由扭转振动
振动的三要素：振幅A、自振频率ωe、初相位ε
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1、扭摆无阻尼自由扭转振动
运动方程式
A sin( e t )
式中：φ ——圆盘角位移，rad； ωe——自振圆频率（又称固有圆频率），rad/s； ωe＝（ K/I）1/2 A ——圆盘振幅，rad； ε ——初相位，rad。
柴油机及轴系振动平衡1
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（）。
柴油机的振动与平衡3
•
• •
第四节 轴系纵向振动和减振
– – –
•
一、纵向振动基本概念 二、自由纵向振动 三、强制纵向振动
1．阻尼和激励分析 – 1）阻尼分析 – 2）激励分析 – 3）共振转速 2．纵向振动的减振措施 – 1）调频 – 2）减少激励力输入 – 3）配置减振器
•
–
四、扭转纵向耦合振动基本概念
存在n-1种简谐振动 存在 种简谐振动
三、强制扭转振动
• • • • • • • 1．系统激振力矩 气体力,往复惯性力 ,活塞连杆的重量 ,螺旋桨 2．轴系的强制扭转振动特性 激振力矩的变化频率f是柴油机转速n的函数 自振频率均为与转速无关的常数 临界转速是很多的 主临界转速为主共振的相应转速。主共振是由简 谐次数ν等于曲轴每转发火气缸数整数倍的激振 力矩（称主谐量）所引起的共振 • 3．封缸运行时的扭振特点(拆除与不拆除活塞) • 4．现代船用大型柴油机的扭振特点 • 激振力矩增加 ,转动惯量增加 ,自振频率降低
柴油机的振动与平衡
第一节 第二节 第三节 第四节 柴油机动力学 柴油机平衡 轴系扭转振动和减振 轴系纵向振动和减振
第三节 轴系扭转振动和减振
– 一、基本概念 – 轴系的组成与简化 – 无阻尼自由扭转振动的振动频率称为自振频率 或固有频率 – 当干扰力矩频率与轴系自振频率相同时，轴系 当干扰力矩频率与轴系自振频率相同时， 将产生振幅明显增高的共振,此时的转速称为 将产生振幅明显增高的共振 此时的转速称为 临界转速 – 二、自由扭转振动 – 三、强制扭转振动 – 四、减振和避振
• 2．双质量系统自由扭转振动特性 ． •只有一个节点，且节点靠近转动惯量较大 只有一个节点， 只有一个节点 的圆盘 • 3．三质量系统的自由扭转振动特性 ． •三质量系统自由扭转振动是由两种简谐振 三质量系统自由扭转振动是由两种简谐振 动相加而成的； 动相加而成的；三质量扭振系统具有两种自 振频率.质量愈大离节点愈近 振幅愈小， 质量愈大离节点愈近， 振频率 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 • 4．n个质量系统的自由扭转振动特性 ． 个质量系统的自由扭转振动特性 •n个质量的扭振系统的自由扭振是由（n-1） 个质量的扭振系统的自由扭振是由（ ） 个质量的扭振系统的自由扭振是由 种简谐扭振叠加而成， 种简谐扭振叠加而成，它们的振动形式分别 是单节点、双节点、三节点……（n-1）节 是单节点、双节点、三节点 （ ） 点,单节圆频率最低 单节圆频率最低
船用柴油机振动噪声控制与排放
二、倾覆力矩
活塞承受的力
P
D2 4
pg
指向气缸壁的侧向压力PN,PN＝Ptgβ
侧推力PN相对于机座形成一力矩
MT＝PN·H=T·R，为倾覆力矩 。 转矩MT 与倾覆力矩PH T R M T PN N·H在数值上相等 ,即 转矩MT 是随曲柄转角α成周期性变化 的，它的大小与曲柄转角有关，是时 n 间的函数，用傅里叶级数可表示为 M M M sin( k t )
过大的船舶振动称为有害振动，它会： • 引起船体结构和机械部件的疲劳破坏； • 造成船舶仪表、机械设备的失效和失灵； • 影响船员和旅客的正常工作和生活。 船舶噪声还会使: • 船员感到疲劳； • 降低船员的听力和工作效率； • 危及船员的身心健康和船舶的航行安全； • 影响客轮的居住舒适性； • 影响舰艇的作战隐蔽性。 船体振动、噪声的激励源主要有： • 柴油主机和螺旋桨产生的周期性激励力； • 辅机的不均衡力、轴系安装不良、周期性波浪载荷； • 船舶附属体（舵、水翼、潜艇升降噪声等）所产生的 流体动载荷。
（2）叶厚效应：流场中某一点P处所受压力必将随着圆柱接近和远 离该点而发生周期性变化，是桨叶具有厚度而引起的。
当船体尾部的流场不均匀时，这种脉动压力就会增大。其主要 频率成分为螺旋桨叶频和叶频的整数倍，其大小取决于桨叶的几何 要素、船体尾部线形、伴流特征、桨轴转速、功率、螺旋桨叶梢与 尾壳板之间的间隙，以及螺旋桨的叶片数等。
3. 当ξ＝1 时（临界阻尼情况），得两个重根
s1 s2 n n
则有
x(t ) ( A1 A2t )ent
这种情况下的运动也是非周期性的。 4. 当ξ< 0 时, x(t)则表现为一种增幅振动。
第六章 柴油机及推进轴系振动
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。
柴油机的振动与平衡2
合成往复惯性力矩
由于往复惯性力只作用在所有气缸中心线 构成的平面内，故往复惯性力矩也只存在于该 平面上。但往复惯性力可分解为一次及二次曲 柄上的离心力，因而可采用合成离心力矩同样 的方式进行计算，必须注意其最终值应为纵剖 面投影值。
合成往复惯性力矩一般不为零。 颠覆力矩合力矩等于输出力矩。 连杆力偶合力矩一般为零或很小。
（二）多缸柴油机的平衡
多缸柴油机的离心力和一次、二次往复惯性力都能达到 完全平衡，只离心力矩和一次、二次往复惯性力矩不平 衡 – 1 ．外部平衡与内部平衡 – 考虑曲轴与轴承的支撑关系，即使外部平衡，内部也可 能因变形产生不平衡 – 2 ．离心力及离心力矩的平衡 – 3 ．一次和二次往复惯性力及惯性力矩的平衡 – 4 ．总颠覆力矩的平衡
2 ．离心力及离心力矩的平衡
若曲柄排列均匀，则离心力外部自平衡。
不平衡合成离心力矩的平衡方法四种： （1）各缸平衡法 即在每一曲柄上都装两块反向正置 的平衡重； （2）整体平衡法 在曲轴首尾两个曲柄上各加一对 方向相反的平衡重块；平衡重偏置
（3）分段平衡法
（4）不规则平衡法 低速机往往采用整体平衡法或分段（不规则）平衡法。 中、高速机用各缸平衡法。
往复惯性力的平衡采用“正反转平衡轮系法”平衡一次及二次往复 惯性力。具体做法见下图。
一次、二次往复惯性力的平衡
二、多缸柴油机的振动与平衡
三缸柴油机的离心力和往复惯性力
•
（一）多缸柴油机的振动力源
– – – 1 ．合成离心力及合成离心力矩 2 ．合成往复惯性力及合成往复惯性力矩 3 ．颠覆力矩合力矩和连杆力偶合力矩 1 ．外部平衡与内部平衡 2 ．离心力及离心力矩的平衡 3 ．一次和二次往复惯性力及惯性力矩的平衡 4 ．总颠覆力矩的平衡
柴油机振动标准
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
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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柴油机平衡：
要使柴油机具有良好的动力性能，必须正确分析振动力源的特性 ，采取各种措施，减小、消除振动。对于往复惯性力源及回转惯 性力源，一般采用平衡方法来消除或减小其影响，这种方法称为 柴油机平衡。
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一）引起柴油机及轴系的振动力源
1、往复惯性力和力矩； 2、回转惯性力和力矩； 3、气缸气体力和力矩； 4、螺旋桨因桨叶有限，造成轴向和周向的振动。
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二)振动的危害及平衡
1、振动使磨损增加、噪音上升、管理人员的生活及工作条件恶化； 2、影响机器和仪器的正常工作，若共振将引起柴油机装置的各种
作用点：简化为连杆小端轴承中心。
该力使柴油机上下振动，并和气体力一起形成倾覆力矩。
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三、曲柄连杆机构的作用力
2）离心惯性力FR：
大小：
Fr mR R 2
方向：离心向外，随曲柄旋转。
作用线：与曲柄中心线重合。
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3、倾覆力矩平衡 倾覆力矩是输出扭矩的反作用力矩，不能平衡。 由固定机座的螺栓来承受。
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三、曲柄连杆机构的作用力
2、惯性力
1）往复惯性力Fj：
大小： F j m j x x R2(cos cos 2 )
Fj
(mj R2
cos
mj
R
4
(2)2
cos2
F方j1向：与m加j R速度2 c的o方s向相反，F与j2 气 缸m中j心4R线(平2行)。2 c在os上2止点时向上，
下止点时向下。
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第一节 活塞、连杆的运动及受力
7
一、曲柄连杆机构的运动 1、 活塞位移x
x L R R cos L cos
R(1 cos ) L(1 cos )
由几何关系可得 ：
R sin L sin
令曲柄半径与连杆长度为
则有： R sin L sin
称为连杆比，是柴油机的基本结构参 数。柴油机的约为1/5~1/3。
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二、多缸柴油机的振动与平衡
在多缸柴油机中，由各单缸的平面力系组成了一个空间 力系。因此，除了合成的各种惯住力外，还会形成各种 合成的惯性力矩。如三缸机受力情况：
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三缸机的离心力和往复惯性力
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多缸柴油机可能存在的振动力源
sin sin
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根据三角函数关系
有：
所以
sin 2 cos2 1
cos 1 sin2 1 2 sin2
——此乃活塞位移的精确公式。
x R1 cos L 1 1 2 sin2
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活塞的位移
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将 cos 1 2 sin2 依照二项式定理展开，可得：
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简谐振动的概念三
4
3、受迫振动与共振 周期性外力的持续作用下发生的振动。 振动引起振幅的大小，不仅与周期性外力的大小有关，而且和外力 的频率和振动体的固有频率有关。 当外力 的频率与振动体固有频率接近或相等时，振动引起的振幅会 急剧增大——共振。
柴油机的振动，实际上就是受迫振动，因此应特别关注 共振的问题！
4、连杆力偶平衡 通常，由于Mc较小，一般可忽略而不采取平衡措 施。
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一、单缸机的平衡
1、离心惯性力平衡 在曲臂上安装平衡重，使平衡重在回转中产生 的离心力与FR的大小相等而方向相反。
2、往复惯性力的平衡 将力简化成一对正反转离心力之和，再采用平 衡离心力的方法平衡，此措施叫做“正反转 平衡轮系法”，来平衡一次及二次往复惯性 力。 它们与柴油机曲轴有一定的正时关系：即当 曲柄处于上止点位置时，平衡重垂直向下， 当曲柄处于下止点时，平衡重应转至垂直向 上位置。 对ω作于同一步次反惯向性回力转，。是对使二两次个惯质性量力m，1以是角使速两度个 质量m2以角速度2ω同步反向回转。
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1
第六章 柴油机及轴系振动
——熊振林
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2
一、概述
简谐振动的概念一
1、自由振动 机械振动： 物体在一定位置附近所作的来回往复运动称为机械振动。 简谐振动：最简单最基本的振动就是简谐振动。一切复杂的振动可看
作是若干简谐振动的合成。
周期T：每隔一固定时间，运动状态就重复一次，此固定时间为周期
▪
自振频率ω1
k m
▪ 其他振动形式由于回复力和惯性的形式不同，尽管频率的表达式
可能不同，但它说明：振动系统的频率完全由该系统本身的各个参
数决定，因此称它为固有频率。
2、阻尼振动：在回复力和阻力作用下的振动。
▪ 特点：振幅逐渐减小、振动频率变慢（周期延长）。
▪ 某些情况为了减振、防振，需加大摩擦阻尼。
cos
1
1 2
2
sin2
1 23
4
sin4
1 24
6
sin6
因为： 得：
R
L
取值为1/5-1/3。则
以3上数值很小省略。
cos 1 1 2 sin2 1 1 2 (1 cos2 )
2
4
此乃活塞位移的近似公式（在工程上已足够精确）
x R(1 cos) L(1 cos ) x R(1 cos ) R (1 cos2 )
4
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10
2、活塞的速度、加速度
1）速度：将活塞的位移x对时间t微分，得活塞的速度v:
2）加Байду номын сангаас度：
x R (sin sin 2 )
2
结论：
x R 2(cos cos 2 )
活塞速度的变化规律：
上止点时v＝0中部v最大下止点v＝ 0中部最大上止点为0，活塞 最大速度处于比中点略高一些位置，位置取决于。上、下止点附近因速 度为零，无法建立液体动力润滑。
；
频率f：单位时间内振动的次数。（根据定义，频率与周期成反比。
）
圆频率ω1：2π秒内振动的次数。ω1＝2πf＝2π / T。 振幅A：振动时物体偏离平衡位置的最大值。
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3
振动的概念二
▪ 振动过程：如图所示
▪ 从振动的成因分析可知：物体的自由振动与其本身的回复力和物体
所具有的惯性有关。
活塞加速度的变化规律：
在上、下止点达到最大值。在上止点方向朝下；下止点方向朝上。
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三、曲柄连杆机构的作用力
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1、气体力Fg： 大小：
Fg
pg
4
D2
pg气缸中的压力，变化规律见p－V示功图
方向：缸内四周，内部平衡。
气体力产生的作用力在柴油机内部平衡，但产生的倾覆力矩MDg使 柴油机摆动。
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