船舶推进轴系扭转振动减振研究
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调整飞轮转动惯量是最常用的调频方法 , 柴油 机制造厂通常会备有不同转动惯量的飞轮供用户选 择 。通过具体的分析计算 , 在设计阶段选择合适的 飞轮能够影响系统的扭振特性 , 避免强共振造成破 坏。 2. 2 调整弹性联轴器刚度
如果能将节点调整到弹性联轴器的橡胶上 , 使 橡胶承受最大的扭振力矩 , 内 、外环产生最大扭转 角 , 就能充分发挥其高弹性联轴器的调频作用 。不 同型号的弹性联轴器刚度不尽相同 , 选用合适的刚 度对系统扭振特性有较大影响 。
4 结论
(1) 调整飞轮转动惯量和弹性联轴器刚度可
以调整系统的固有频率 , 从而对系统的扭振计算结
果产生影响 。
(2) 调整弹性联轴器刚度能够对系统的单节
振动产生全面而强烈的影响 , 能够成倍的降低固有
频率 , 使节点处于弹性联轴器中 , 使橡胶承担最大
的扭振力矩 , 充分发挥其高弹性的作用 , 达到减振
第 19卷 第 4期 2006年 8月
中国修船
CH INA SH IPREPA IR
Leabharlann Baidu
Vol. 19 No. 4 Aug. 2006
船舶推进轴系扭转振动减振研究
张建阳
(杭州市港航管理局 , 浙江 杭州 310014)
摘要 : 结合具体实例探讨了改变轴系某些参数对其固有频率的影响 , 得出减振调频的主要方 法和规律 。针对某轴系实例 , 运用减振调频的具体方法对初始计算结果进行分析 , 对参数进行修 正 , 最终达到规范的要求 , 消除了扭振故障的威胁 。
的目的 。
(3) 针对具体的轴系 , 充分分析其固有频率
的变化趋势后 , 可以将调整飞轮转动惯量和调整弹
性联轴器刚度配合运用 , 有效的解决扭振威胁 。
参考文献
[ 1 ] 陈之炎. 船舶推进轴系振动 [M ]. 上海交通大学出
版社 , 1987.
[ 2 ] 周瑞平 , 杨建国 , 张升平. 船舶推进轴系扭转振动应
内河某船舶推进轴系 , 主机为 4冲程 8缸高速 柴油机 , 额定功率 2 940 kW , 额定转速 600 r/m in,
作者简介 : 张建阳 (19622) , 男 , 浙江嵊州人 , 工程师 , 大学本科 , 主要从事船舶检验工作 。
·34·
2006年第 4期
张建阳 : 船舶推进轴系扭转振动减振研究
由上面的分析可知 , 通过调整飞轮的转动惯量 和弹性联轴器的刚度对系统的固有频率都会有相应 的影响 , 若要调整单节频率 , 最好改变刚度值 , 若 要调整双节频率 , 则需要同时改变刚度和惯量才可 能有比较好的效果 。
3 实例分析
以某小型海船上的电站设备为例分析 , 该电站 配备 4缸 4 冲程高速柴油机 , 额定转速 2 400 r/ m in, 额定功率 191 kW , 简化的当量系统如图 1所 示。
Key words: p ropulsion2shaft system; tw isting vibration; shock absorp tion
1 引言
船舶推进轴系的扭转振动是影响船舶安全运行 的重要问题之一 。分析扭转振动计算的结果 , 如果 存在单节主简谐共振或是存在应力和扭矩超过额定 值 , 说明船舶推进轴系设计存在问题 , 在运行中可 能会出现船体振动加剧 、曲轴裂纹 、弹性联轴器的 弹性元件过早报废 , 甚至严重的断轴事故 。这时 , 应该对轴系初始设计参数进行修正以满足扭转振动 计算的要求 。通常解决扭振减振的方法有 : 减小激 振能量与增加阻尼消耗能量 、调整自振频率和划转 速禁区 。本文主要分析轴系参数对自振频率的影 响 , 结合存在故障的实例研究了如何通过修改轴系 参数改变固有频率达到减振的目的 。
根据计算 , 单节 2 谐次在 2 240 r/m in处发生
了强烈的共振 , 导致弹性联轴器处的扭矩在额定转 速附近达到了 10 kN ·m 以上 , 而该弹性联轴器的 持续许用扭矩仅为 1. 9 kN ·m , 瞬时许用扭矩为 18 kN ·m。曲轴处的应力在额定转速附近也超出了许 用应力 19. 62 M Pa。电机转子处电角远大于规范要 求的 2. 5°。如果以这样的方式运转 , 强烈的共振 会导致曲轴某些部位应力集中 , 引起疲劳破坏 , 甚 至断裂 ; 弹性联轴器持续运转发出的热量积聚在橡 胶元件上 , 引起橡胶元件温度上升 , 强度下降而开 裂损坏 。 3. 2 调整方法
1 - 调频轮 ; 2 - 减振器 ; 3 ～6 - 汽缸 ; 7 - 弹性联轴器 ; 8 - 电 机转子传动轴 ; 9 - 电机风扇 ; 10 - 电机转子 ; 11 - 励磁机 。
图 1 当量系统图
在柴油机的自由端 , 配置了减振器和调频飞 轮 , 调频飞轮转动惯量 1. 153 6 kg·m2 , 在柴油机 输出端安装有弹性联轴器 , 弹性联轴器刚度 5. 50 kN ·m / rad。因此 , 可以通过调整调频飞轮和联轴 节的参数来控制固有频率从而控制扭转振动 。 3. 1 初始计算结果
通过计算 , 前 3节的固有频率分别为 : 4 471. 2 r/m in, 7 354. 8 r/m in, 14 959 r/m in。单节 2谐次 共振转速为 2 235. 6 r/m in, 而柴油机的额定转速 为 2 400 r/m in, 电站在额定转速附近运转很有可 能发生强烈的主谐次共振 , 对其进行强迫振动计 算。
用软件开发研究 [ J ]. 武汉理工大学学报 , 2003, 25
(3) : 69 - 72.
收稿日期 : 2006 - 03
·35·
根据前面的分析 , 增大调频飞轮的转动惯量和 弹性联轴器柔度可以调整系统自振频率从而改变扭 振的结果 。 3. 3 调整后计算结果
经过反复的计算与比较 , 将调频飞轮的转动惯 量提高到 2. 361 3 kg·m2 , 弹性联轴器刚度调整为 0. 541 MN ·m / rad。
调整后 , 转子电角低于要求的 2. 5°, 弹性联 轴器处在 1 000 r/m in附近存在单节 2 次共振 , 但 扭矩峰值仅为 0. 8 MN ·m , 低于持续许用扭矩 。 各轴段应力值也低于许用值 , 全系统满足安全运行 的要求 。
2 调频方法
要改变扭转振动系统的固有频率 , 必须对计算 模型进行修正 , 若不改变模型的结构 , 只能改变某 些计算参数如转动惯量 、刚度 。通常情况下 , 很难 改变柴油机和螺旋桨的转动惯量 (除了少部分柴
油机配有全套合式曲轴或半套合式曲轴 ) , 最常见 且实用的方法是调整飞轮的转动惯量 。而要调整刚 度 , 改变柴油机部分的刚度可能性不大 , 如果要改 变轴的直径来调整刚度又会受到机舱布置的限制 。 调整刚度最常见的方法是在轴系中加装高弹性联轴 器 , 并调整联轴器的刚度以调整自振频率 。 2. 1 调整飞轮转动惯量
关键词 : 推进轴系 ; 扭转振动 ; 减振 中图分类号 : U672. 2 文献标识码 : C 文章编号 : 1001 - 8328 (2006) 04 - 0034 - 02
Abstract: W ith concrete examp le, this paper discusses the influence from some parameter to change the orig2 enated frequency of the shaft system and conclutes the major methods and rules for frequency modulation by shock absorp tion. Taking som e certain shaft2system as examp le, frequency modulation by shock2absorp tion is adop ted to analyse the originated calculating result and to amend the parameter. The tw isting vibration is removed standardly.
第 19卷
并自带减振器和弹性联轴器 。飞轮转动惯量 236. 6 kg·m2 , 柴油机单缸转动惯量 29. 98 kg·m2 , 弹 性联轴器刚度为 17 kN ·m / rad。其单节固有频率 1 273. 09 r/m in, 双节固有频率 2 422. 32 r/m in。
通过分析可以得出 , 无论飞轮转动惯量是多 少 , 弹性联轴器刚度对单节固有频率影响都相当 大 ; 而对双节固有频率来说 , 仅仅在弹性联轴器柔 度和飞轮转动惯量都比较小时才能对固有频率产生 较大影响 , 随着飞轮转动惯量的增加 , 改变弹性联 轴器刚度对固有频率产生的影响随之减小 。
如果能将节点调整到弹性联轴器的橡胶上 , 使 橡胶承受最大的扭振力矩 , 内 、外环产生最大扭转 角 , 就能充分发挥其高弹性联轴器的调频作用 。不 同型号的弹性联轴器刚度不尽相同 , 选用合适的刚 度对系统扭振特性有较大影响 。
4 结论
(1) 调整飞轮转动惯量和弹性联轴器刚度可
以调整系统的固有频率 , 从而对系统的扭振计算结
果产生影响 。
(2) 调整弹性联轴器刚度能够对系统的单节
振动产生全面而强烈的影响 , 能够成倍的降低固有
频率 , 使节点处于弹性联轴器中 , 使橡胶承担最大
的扭振力矩 , 充分发挥其高弹性的作用 , 达到减振
第 19卷 第 4期 2006年 8月
中国修船
CH INA SH IPREPA IR
Leabharlann Baidu
Vol. 19 No. 4 Aug. 2006
船舶推进轴系扭转振动减振研究
张建阳
(杭州市港航管理局 , 浙江 杭州 310014)
摘要 : 结合具体实例探讨了改变轴系某些参数对其固有频率的影响 , 得出减振调频的主要方 法和规律 。针对某轴系实例 , 运用减振调频的具体方法对初始计算结果进行分析 , 对参数进行修 正 , 最终达到规范的要求 , 消除了扭振故障的威胁 。
的目的 。
(3) 针对具体的轴系 , 充分分析其固有频率
的变化趋势后 , 可以将调整飞轮转动惯量和调整弹
性联轴器刚度配合运用 , 有效的解决扭振威胁 。
参考文献
[ 1 ] 陈之炎. 船舶推进轴系振动 [M ]. 上海交通大学出
版社 , 1987.
[ 2 ] 周瑞平 , 杨建国 , 张升平. 船舶推进轴系扭转振动应
内河某船舶推进轴系 , 主机为 4冲程 8缸高速 柴油机 , 额定功率 2 940 kW , 额定转速 600 r/m in,
作者简介 : 张建阳 (19622) , 男 , 浙江嵊州人 , 工程师 , 大学本科 , 主要从事船舶检验工作 。
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2006年第 4期
张建阳 : 船舶推进轴系扭转振动减振研究
由上面的分析可知 , 通过调整飞轮的转动惯量 和弹性联轴器的刚度对系统的固有频率都会有相应 的影响 , 若要调整单节频率 , 最好改变刚度值 , 若 要调整双节频率 , 则需要同时改变刚度和惯量才可 能有比较好的效果 。
3 实例分析
以某小型海船上的电站设备为例分析 , 该电站 配备 4缸 4 冲程高速柴油机 , 额定转速 2 400 r/ m in, 额定功率 191 kW , 简化的当量系统如图 1所 示。
Key words: p ropulsion2shaft system; tw isting vibration; shock absorp tion
1 引言
船舶推进轴系的扭转振动是影响船舶安全运行 的重要问题之一 。分析扭转振动计算的结果 , 如果 存在单节主简谐共振或是存在应力和扭矩超过额定 值 , 说明船舶推进轴系设计存在问题 , 在运行中可 能会出现船体振动加剧 、曲轴裂纹 、弹性联轴器的 弹性元件过早报废 , 甚至严重的断轴事故 。这时 , 应该对轴系初始设计参数进行修正以满足扭转振动 计算的要求 。通常解决扭振减振的方法有 : 减小激 振能量与增加阻尼消耗能量 、调整自振频率和划转 速禁区 。本文主要分析轴系参数对自振频率的影 响 , 结合存在故障的实例研究了如何通过修改轴系 参数改变固有频率达到减振的目的 。
根据计算 , 单节 2 谐次在 2 240 r/m in处发生
了强烈的共振 , 导致弹性联轴器处的扭矩在额定转 速附近达到了 10 kN ·m 以上 , 而该弹性联轴器的 持续许用扭矩仅为 1. 9 kN ·m , 瞬时许用扭矩为 18 kN ·m。曲轴处的应力在额定转速附近也超出了许 用应力 19. 62 M Pa。电机转子处电角远大于规范要 求的 2. 5°。如果以这样的方式运转 , 强烈的共振 会导致曲轴某些部位应力集中 , 引起疲劳破坏 , 甚 至断裂 ; 弹性联轴器持续运转发出的热量积聚在橡 胶元件上 , 引起橡胶元件温度上升 , 强度下降而开 裂损坏 。 3. 2 调整方法
1 - 调频轮 ; 2 - 减振器 ; 3 ～6 - 汽缸 ; 7 - 弹性联轴器 ; 8 - 电 机转子传动轴 ; 9 - 电机风扇 ; 10 - 电机转子 ; 11 - 励磁机 。
图 1 当量系统图
在柴油机的自由端 , 配置了减振器和调频飞 轮 , 调频飞轮转动惯量 1. 153 6 kg·m2 , 在柴油机 输出端安装有弹性联轴器 , 弹性联轴器刚度 5. 50 kN ·m / rad。因此 , 可以通过调整调频飞轮和联轴 节的参数来控制固有频率从而控制扭转振动 。 3. 1 初始计算结果
通过计算 , 前 3节的固有频率分别为 : 4 471. 2 r/m in, 7 354. 8 r/m in, 14 959 r/m in。单节 2谐次 共振转速为 2 235. 6 r/m in, 而柴油机的额定转速 为 2 400 r/m in, 电站在额定转速附近运转很有可 能发生强烈的主谐次共振 , 对其进行强迫振动计 算。
用软件开发研究 [ J ]. 武汉理工大学学报 , 2003, 25
(3) : 69 - 72.
收稿日期 : 2006 - 03
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根据前面的分析 , 增大调频飞轮的转动惯量和 弹性联轴器柔度可以调整系统自振频率从而改变扭 振的结果 。 3. 3 调整后计算结果
经过反复的计算与比较 , 将调频飞轮的转动惯 量提高到 2. 361 3 kg·m2 , 弹性联轴器刚度调整为 0. 541 MN ·m / rad。
调整后 , 转子电角低于要求的 2. 5°, 弹性联 轴器处在 1 000 r/m in附近存在单节 2 次共振 , 但 扭矩峰值仅为 0. 8 MN ·m , 低于持续许用扭矩 。 各轴段应力值也低于许用值 , 全系统满足安全运行 的要求 。
2 调频方法
要改变扭转振动系统的固有频率 , 必须对计算 模型进行修正 , 若不改变模型的结构 , 只能改变某 些计算参数如转动惯量 、刚度 。通常情况下 , 很难 改变柴油机和螺旋桨的转动惯量 (除了少部分柴
油机配有全套合式曲轴或半套合式曲轴 ) , 最常见 且实用的方法是调整飞轮的转动惯量 。而要调整刚 度 , 改变柴油机部分的刚度可能性不大 , 如果要改 变轴的直径来调整刚度又会受到机舱布置的限制 。 调整刚度最常见的方法是在轴系中加装高弹性联轴 器 , 并调整联轴器的刚度以调整自振频率 。 2. 1 调整飞轮转动惯量
关键词 : 推进轴系 ; 扭转振动 ; 减振 中图分类号 : U672. 2 文献标识码 : C 文章编号 : 1001 - 8328 (2006) 04 - 0034 - 02
Abstract: W ith concrete examp le, this paper discusses the influence from some parameter to change the orig2 enated frequency of the shaft system and conclutes the major methods and rules for frequency modulation by shock absorp tion. Taking som e certain shaft2system as examp le, frequency modulation by shock2absorp tion is adop ted to analyse the originated calculating result and to amend the parameter. The tw isting vibration is removed standardly.
第 19卷
并自带减振器和弹性联轴器 。飞轮转动惯量 236. 6 kg·m2 , 柴油机单缸转动惯量 29. 98 kg·m2 , 弹 性联轴器刚度为 17 kN ·m / rad。其单节固有频率 1 273. 09 r/m in, 双节固有频率 2 422. 32 r/m in。
通过分析可以得出 , 无论飞轮转动惯量是多 少 , 弹性联轴器刚度对单节固有频率影响都相当 大 ; 而对双节固有频率来说 , 仅仅在弹性联轴器柔 度和飞轮转动惯量都比较小时才能对固有频率产生 较大影响 , 随着飞轮转动惯量的增加 , 改变弹性联 轴器刚度对固有频率产生的影响随之减小 。