內(nèi)燃機(jī)軸系扭轉(zhuǎn)振動

軸系的振動主要包括彎曲振動、軸向振動和扭轉(zhuǎn)振動，它們是由工作時爆發(fā)壓力、慣性力等周期激勵引起的。它們相互耦合作用使曲軸工作在交變負(fù)荷下，長期作用會引發(fā)曲軸斷裂，導(dǎo)致主機(jī)發(fā)生致命性故障。軸系的振動會通過主軸承座傳遞給氣缸體，從而由機(jī)體表面輻射出噪聲，或引起機(jī)體表面安裝附件的振動和噪聲，研究表明，機(jī)體表面的噪聲輻射占整個發(fā)動機(jī)噪聲輻射聲功率的 65%左右。此外，內(nèi)燃機(jī)的許多附屬機(jī)構(gòu)都需要直接從曲軸獲取動力以及正時定位，如配氣機(jī)構(gòu)、燃油噴射系統(tǒng)等，曲軸的振動會引起配氣相位、供油定時、供油量、點(diǎn)火正時變動很大，使得各缸工作不均勻，循環(huán)變動加劇，最終加劇了整個發(fā)動機(jī)的性能惡化。因此世界各國規(guī)范要求，對于船舶推進(jìn)軸系，必須進(jìn)行振動校核計算，并提供相應(yīng)的計算報告。

軸系的彎曲振動主要是由于轉(zhuǎn)軸不平衡引起的；軸向振動主要是因螺旋槳推力不均勻造成的；扭振振動是主機(jī)通過軸系傳遞功率至螺旋槳，造成各軸段間的扭轉(zhuǎn)角度不相等，軸段來回擺動產(chǎn)生的。因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)曲軸一般均采用全支承結(jié)構(gòu)，彎曲剛度較大，所以其彎曲振動的自然頻率較高。雖然彎曲振動不會在內(nèi)燃機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生共振，但它會引起配套軸系和機(jī)體其它部件的振動，是內(nèi)燃機(jī)的主要噪聲源。對扭轉(zhuǎn)振動而言，由于曲軸較長，扭轉(zhuǎn)剛度較小，而且曲軸軸系的轉(zhuǎn)動慣量又較大，故曲軸扭振的頻率較低，在內(nèi)燃機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)容易產(chǎn)生共振。如不采取預(yù)防措施輕則引起較大噪聲、加劇其它零件的磨損，重則可使曲軸折斷。因此，扭轉(zhuǎn)振動是內(nèi)燃機(jī)設(shè)計過程中必須考慮的重要因素。在這三種軸系振動類型中，因扭轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生的事故是最多最主要的。多年來，內(nèi)燃機(jī)曲軸的扭轉(zhuǎn)振動一直是人們?yōu)樘岣甙l(fā)動機(jī)工作的可靠性，減輕發(fā)動機(jī)零部件及整機(jī)的振動、減小發(fā)動機(jī)表面的噪聲輻射而努力研究的課題。

扭轉(zhuǎn)振動是旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸系一種特殊的振動形式，它本質(zhì)上是由于軸系存在彈性，當(dāng)曲軸在以平均速度進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)過程中，各彈性部件間會因各種原因而產(chǎn)生不同大小、不同相位的瞬時速度的起伏，形成沿旋轉(zhuǎn)方向的來回扭動。20 世紀(jì)初，扭轉(zhuǎn)振動的實(shí)際問題開始在動力裝置中提出，其后發(fā)展大致可分為三個階段：

第一階段為探索階段，由于當(dāng)時內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展還不成熟，軸系扭振問題并沒有引起人們太大的關(guān)注，在此期間對出現(xiàn)的問題進(jìn)行了初步的探索，也出現(xiàn)了很多沿用至今的計算方法，包括 Holzer 表格計算方法和 Geiger 扭振測振儀等。

第二階段是扭振理論發(fā)展成熟的階段，隨著內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展，扭振理論由簡單的計算分析發(fā)展逐漸發(fā)展完善出了完整的經(jīng)驗(yàn)理論體系。在此期間，扭振作為動力機(jī)械驅(qū)動裝置重要研究課題，主要對軸系剛度及阻尼作了大量研究，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，在軸系扭振及強(qiáng)度分析中得到廣泛的應(yīng)用。

第三階段是現(xiàn)在的發(fā)展階段，隨著內(nèi)燃機(jī)裝置的多元化發(fā)展，軸系配套結(jié)構(gòu)更加豐富，同時，隨著計算機(jī)在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用，使得日漸復(fù)雜的計算變得更為便捷?，F(xiàn)在，軸系的扭振設(shè)計及強(qiáng)度計算是內(nèi)燃機(jī)設(shè)計中必不可少的內(nèi)容。

軸系扭轉(zhuǎn)振動自由振動

自由振動是機(jī)械系統(tǒng)中一種簡單的振動形式。系統(tǒng)在外力的作用下，物體在離開平衡位置后，不需要外力的作用，就能自行按其固有頻率振動，這種不在外力的作用下的振動稱作自由振動。 在軸系扭轉(zhuǎn)振動計算中，自由振動計算占有極重要的位置。通過自由振動計算，可以得到扭振系統(tǒng)的固有頻率、振型，從而確定系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，軸段扭振的應(yīng)力尺標(biāo)，進(jìn)而計算扭振共振振幅，共振扭矩，共振應(yīng)力等特征和特性參數(shù)，為軸系扭振評估，確定扭振測試位置，扭振減振器設(shè)計和安裝提供依據(jù)。 自由振動的計算方法有很多，通常采用的方法有雅克比法（Jacobi）、霍爾茨法（Holzer）、模態(tài)分析法、子空間迭代法等。船舶柴油機(jī)軸系的阻尼通常是弱阻尼，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量和軸段彈性常數(shù)通?？梢郧蟮帽容^精確的結(jié)果，長期實(shí)踐表明，在自由振動計算是按無阻尼自由振動處理，一般能滿足工程實(shí)際需要。

軸系扭轉(zhuǎn)振動強(qiáng)迫振動

自由振動計算獲得了軸系各節(jié)點(diǎn)自振頻率，以及各質(zhì)量的相對振幅和彈性力矩。這些決定性的表征了軸系的固有扭轉(zhuǎn)振動狀況，但卻不能確切的反映激勵下軸系各質(zhì)量的實(shí)際振幅值和各軸段的實(shí)際力矩值。因?yàn)檫@些結(jié)果都是建立在假定第一質(zhì)量在單位扭轉(zhuǎn)弧度的前提下，這些結(jié)果都是相對大小。要了解真實(shí)工況下，軸系在受扭矩激勵后的扭轉(zhuǎn)振動，就需要對軸系進(jìn)行強(qiáng)迫振動分析。 強(qiáng)迫振動的計算基本假設(shè)是：干擾力矩輸入系統(tǒng)的能量完全消耗在克服阻尼上，及系統(tǒng)的干擾功等于阻尼功。因此，軸系的強(qiáng)迫振動研究首先要對其激振力矩和阻尼進(jìn)行計算。柴油機(jī)軸系的激振力矩和阻尼直接影響到強(qiáng)迫振動計算的精確度。特別是軸系阻尼，由于其影響因素比較復(fù)雜，還沒有一個通用的公式可用于計算，往往不同公式下的阻尼計算結(jié)果相差很大。在很多扭轉(zhuǎn)振動計算中，阻尼的計算一直是重點(diǎn)，通常根據(jù)不同機(jī)型、軸系不同位置采用不同經(jīng)驗(yàn)公式計算。

軸系扭轉(zhuǎn)振動轉(zhuǎn)動慣量

柴油機(jī)軸系振動慣量包括氣缸活塞、連桿、曲軸曲拐及曲軸上裝配件。單氣缸轉(zhuǎn)動慣量是活塞、連桿、曲拐等的轉(zhuǎn)動慣量集中在曲柄中心線位置，計算時，分別求出各自的轉(zhuǎn)動慣量，然后再疊加在一起。飛輪、推力盤、齒輪等有較大轉(zhuǎn)動慣量的部件，其轉(zhuǎn)動慣量集中在它們各自的中心線位置。相鄰兩集中質(zhì)量的連接軸的轉(zhuǎn)動慣量一般平均分配到兩邊的集中質(zhì)量上。

計算不同結(jié)構(gòu)的軸系元件有不同的計算方法和經(jīng)驗(yàn)公式。在國內(nèi)外眾多參考文獻(xiàn)中都有關(guān)于轉(zhuǎn)動慣量的詳細(xì)的計算方法，在此不再累述。同時，在獲得柴油機(jī)軸系詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)并建立三維 CAD 模型后，也可以通過計算機(jī)獲得轉(zhuǎn)動慣量值。通常，此方法能方便準(zhǔn)確軸系各部件轉(zhuǎn)動慣量。

軸系扭轉(zhuǎn)振動阻尼計算

任何實(shí)際系統(tǒng)中都存在阻尼，阻尼是系統(tǒng)振動時，由于外部條件本身固有屬性，導(dǎo)致振動振幅趨于衰減的特性。阻尼的存在，一定范圍內(nèi)有助于減小振動的傳遞。就其性質(zhì)而言，阻尼包括內(nèi)阻尼、外阻尼和假阻尼等。在船舶柴油機(jī)中，機(jī)構(gòu)間（如活塞與氣缸、軸承與軸頸）的摩擦阻尼，機(jī)構(gòu)與外部介質(zhì)（如摩擦副與潤滑油、運(yùn)動件與空氣、螺旋槳與水等）的摩擦阻尼都屬于外阻尼。由于材料屬性，在機(jī)構(gòu)因振動發(fā)生彈性變形，導(dǎo)致分子間的摩擦阻尼屬于內(nèi)阻尼，通常也稱為滯后阻尼。軸系在振動過程中，因?yàn)橥獠考钆ぞ氐炔环€(wěn)定、軸系部件動態(tài)特性不穩(wěn)定導(dǎo)致的振幅不穩(wěn)定，則屬于假阻尼作用的范疇。在軸系扭轉(zhuǎn)振動中，內(nèi)阻尼和外阻尼產(chǎn)生的摩擦阻尼是主要研究對象。 船舶柴油機(jī)工作時，軸系各運(yùn)動零部件的運(yùn)動受到阻尼的作用，由阻尼產(chǎn)生的力矩稱為阻尼力矩，而在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，因阻尼力矩消耗能量叫阻尼功。同一種阻尼的阻尼功由于振型不同，系統(tǒng)總阻尼功所占的比例也大不相同。并沒有通用的方法計算阻尼，通常是根據(jù)結(jié)構(gòu)和位置的不同按經(jīng)驗(yàn)公式估算阻尼。

軸系扭轉(zhuǎn)振動扭轉(zhuǎn)剛度

船舶柴油機(jī)軸系機(jī)構(gòu)復(fù)雜，但主要的連接部位包括主軸頸、曲柄銷、曲柄臂和連接軸等。按集中質(zhì)量法劃分后，可以先通過就算各部件剛度，然后將各連接件串聯(lián)一起，得到曲軸的總剛度。 對于機(jī)構(gòu)形式簡單的軸類、法蘭結(jié)構(gòu)，可以選擇用經(jīng)驗(yàn)公式計算。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的曲柄，沒有適用的通用計算公式，因?yàn)閺?fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)在受扭轉(zhuǎn)激勵后的變形程度不同。要得出準(zhǔn)確的計算結(jié)果，最理想的方式是利用剛度實(shí)驗(yàn)校核。對于條件不允許的情況，通常使用有限元的方法計算，利用建好的三維模型導(dǎo)入有限元軟件，劃分網(wǎng)格加載邊界條件，可以得出比較準(zhǔn)確的剛度值。