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二冲程低速柴油发动机振动特性
摘要
本文对二冲程低速船用推进柴油机的振动特性进行了总体介绍，并提出了相应的措施来抵消船舶出现的任何不利影响。
几年前，在一些由柴油机驱动的船舶中遇到振动 少量的气缸。 这些情况导致对这些船舶的振动情况进行了加强调查，并促使对振动激发源进行进一步仔细的理论研究。
与螺旋桨的扭转振动和轴系，发动机和气动装置的轴向振动之间的耦合有关的振动条件将得到彻底处理。 尤其是在轴系直径大幅度增加的情况下，为了避免“禁止”振动范围增加。
介绍
过去二十年来世界经济的发展导致航运和造船业的传统发生巨大变化。
在技术方面，二冲程低速柴油发动机的缸数较少已成为推广远洋船舶的主要原因，因为它们的安装和运行成本较低。
图显示了多年来4缸和Scylinder发动机的数量如何增加，而以7缸和8缸发动机为代价。 同样的说明还表明了行程/缸径比和平均指示压力与最大压力之间的比例是如何发展的，目的是降低燃料消耗率和降低发动机转速，从而提高螺旋桨效率。在同一时期，它已经证实，恒压涡轮增压和 空气清除是提供最低的工作原理二冲程低速柴油机的燃料消耗。
从振动的角度来看，上述变化导致了一定的振动 比其他人扮演更重要的角色。 但是，发动机的基本励磁原理保持不变。 随附的参考文献列表涉及一些最近发表的有关这些主题的论文。
船上振动的担忧通常源自希望提供舒适条件的愿望。 但是，如果处理不当，振动可能达到威胁机械和电子部件的安全操作的水平，甚至该船钢结构的主要部分。
作为一个主要的 MAN B＆W柴油机公司显然有兴趣安装尽可能多的MAN B＆W发动机，以实现最佳总体成本效益。 随着振动的前进，这意味着在每个推进装置上都要实施振动对策的最佳组合。
根据作者的经验，实际合同条件在某些情况下阻止了采取必要的对策或甚至导致不必要的对策实施。
术语
在详细检查柴油推进装置的振动特性之前，研究一个简单的质量弹簧系统可能是有用的，以便概括讨论振动时使用的术语。
说明了以下内容：
- 质量弹性系统：
模型用于计算包括质量，弹簧和阻尼元件的物理系统
- 励磁：
作用于质量弹性系统的力或力矩
- 模态形状或振动模式，固有频率：
特征偏转 质量 - 弹性系统的相应特征频率以及系统一旦激励就可以执行正弦振动的相应特征频率，之后jt被自由振动
- 谐波激励：
在周期性激励的情况下，可以将激励描述为具有不同振幅，相位角和周期的正弦函数之和（傅立叶分析）。正弦函数将会是1，l/3, i/4的基本兴奋期。这些正弦激励组件也被称为第一，第二。 3阶，4阶谐波激励
- 谐振：
谐波激励的频率与质量弹性系统的固有频率一致。 根据系统的阻尼，响应的相当大的振幅将在谐振时发生。5至50倍的放大倍数不会不寻常
- 主要的关键共振是主谐波激励产生共振的条件
超临界条件是指主谐波激励的频率高于固有频率的条件。 相反，低临界条件是指主谐波激励的频率低于固有频率的条件。
励磁
一般引擎产生的兴奋可以分为两类： 1) 主要激励是源于燃烧压力和旋转和往复质量的惯性力的力和力矩。这些是发动机本身的特点，以及它们可以预先计算出来并且作为发动机规格的一部分，并参考一定的速度和功率 2) 二次激励，源于子结构中的强制振动响应。子结构的振动特性几乎与剩余的船体结构无关
来自子结构的次级激发源的例子可以是从发动机结构的横向振动到甲板室顶部的雷达或轻型桅杆的纵向振动的任何事情。 完整船舶的这些子结构可能会产生共振或接近共振条件，从而在与船舶其他部位的接口处产生相当大的动态放大反作用力。
连杆的质量被分成两部分，分别集中在曲柄销的中心和十字头的中心。 这意味着只需要考虑作用在两个质量块上的惯性力，即在十字头中心处的往复质量和在曲柄销中心的等效旋转质量。
气体力P将通过连杆以扭矩M作用在曲轴上，从而在发动机机架上产生等效的反作用扭矩Gtimes;I M. M和G将包含所有订单的谐波激励。 在MAN B＆W的经验中，只需要考虑st至16阶的激励。
在曲轴的一定的均匀速度下，惯性力F由往复运动质量的加速度产生
离心力C作用于旋转质量。力F将包含第一次的谐波激励
但是，第二，第四，第六甚至更高的订单通常只考虑第一和第二订单。 力C只会给一阶激励。
对于多缸发动机，图4.点火顺序将确定来自各个气缸的力和力矩的矢量和。
应区分：
外力和时刻，内力和时刻
外力和力矩将作为发动机上的结果，从而也通过发动机的基础和顶部支撑在船上。 内部力量和力矩会倾向于使发动机偏转。
外力和瞬间：
垂直和水平方向的一阶矩。 这些在具有标准平衡的MAN B＆W发动机中尺寸相同。
垂直方向的二阶矩。 4级甚至更高的偶数级外力和力矩将存在
有一定数量的气缸的发动机，但是，它们会很小，可以忽略。
H型导向力矩是固定发动机机架与发动机的旋转/摆动部件之间的瞬间。 从实际工程角度来看，它应该作为外部时刻应用于发动机机架。
内部力量和时刻：
发动机设计人员有责任为发动机框架提供足够的刚度以应对内力和力矩，从而使挠度和相应的应力保持在可接受的范围内。
如果发动机框架可以被假定为无限的刚性，那么内部力矩和力量就不能激发船体的结构。 然而，很明显无法获得无限强度的发动机机架，因此发动机机架和连接的船体结构之间的相对刚度必须考虑。
在MAN B＆W的经验中，惯性力对旋转和往复运动质量造成的一阶和二阶内力和力矩将不能激发船舶的振动。
但是，X型导向力矩应该考虑在内，因为它具有较高的激励频率，并且因为它在发动机的一个不太刚性的方向上作用在发动机上，特别是在具有大量气缸的发动机的情况下。
二次激励
整个轴系的扭转振动主要由切向力T激励，如图3所示。扭转振动可以如下面的段落所示，通过连杆机构中的耦合现象在船体中激发振动，螺旋桨。
扭转振动引起的力矩和由连杆机构引起的力
如果一个谐波角速度叠加在这个上 如在扭转振动的情况下一样，曲柄的旋转会产生谐振力和力矩。 然而，由于连杆机构，反作用力不会与叠加的扭转振动的顺序完全相同。用于所谓的亚谐波和超谐波扭转振动。 但也是外力 的 和第（n-1）阶将出现在1缸发动机上，见图3。
附录A， 和C举例说明这些的价值
多缸发动机相关扭转振动情况下的力和力矩。
扭转振动引起的螺旋桨推力
螺旋桨可以被认为是一个“螺旋桨”，经过优化，可以将动力从均匀的旋转扭矩转化为均匀的扭矩 动力，推动船（螺旋桨推力）。
考虑到这个概念，不难想象如果由于螺旋桨和轴系的振动而使平均输入旋转速度（或输入扭矩）叠加变化的分量，这种变化也将出现在螺旋桨推力中。 参考文献给出了这种效应的调查。 （2）。
图5显示，这种耦合效应可以部分解释为附加的质量效应，这也符合文献中的理论。
由螺旋桨和螺旋桨的振动引起的螺旋桨上的流体动力
也可以在螺旋桨上方的船体表面设置压力波动，这会引起恼人的振动。
这些现象与非均匀的尾流场无关。
轴向振动
轴向振动是由径向力在曲轴中激发的 以及切向力T（图3）。所提到的扭转振动引起的螺旋桨推力也将激发轴系中的轴向振动。 轴向振动会在推力轴承中产生一个反作用力，可以被视为船舶其余部分的激励源。
由于不均匀的尾流场引起的螺旋桨激励
由于螺旋桨在非均匀尾流场中的作用而产生的激励将通过作为力和力矩的轴系或作为作用在船体表面上的压力波动通过水传递到船体，
在计算扭转，轴向和横向振动时，还应考虑力和力矩
轴系统。
通过改变尾流场和螺旋桨设计可以降低激励，然而，这个问题超出了本文的范围。
振动模式，它们的激励和控制
上一节列出的一般激励及其作用的振动模式 从理论上进行讨论，并通过本节相关实例进行说明。 此外，还有可用的对策被束缚。
扭转振动
扭转振动的控制对于推进装置至关重要，因为这种过度的振动可能导致损坏，甚至导致损坏
曲轴或推进元件的断裂，如中间轴，螺旋桨轴，齿轮和挠性联轴器。
这也是为什么从早期开始，船级社就需要通过测量来计算和验证这种振动的原因。
船级社规定了两个限制， 和 对于高达MCR 80％的速度范围内的扭转应力，请参见图6。
在超过下限的发动机转速时，有必要引入禁止连续操作的“禁止速度范围”。 上限 不得超过。 80％以上的速度仅限于 适用。
以下推进系统及其扭转振动特性将被处理：
1) 带有4,5和6缸的发动机，直接连接到螺旋桨上
2) 发动机超过6个气缸，直接连接螺旋桨
3) 直接连接螺旋桨的发动机和小型取力器
4) 发动机的大功率起飞和螺旋桨断开的可能性
发动机4,5和6缸
在传统的后端发动机安装中，这些发动机的扭转特性由谐波次数激励的1-节点扭转振动模式的共振支配，该谐波次数等于气缸数量
5缸发动机的5阶1节共振，称为主临界共振）。
这种共振通常会发生在发动机的最小和最大速度之间的中间某处，这主要取决于轴系统的长度和直径（即螺旋桨和发动机之间轴系统的总扭转柔性）。
谐振响应将导致轴系中的扭转应力必须与相关船级社规定的限值进行比较。 共振应力的大小取决于系统的激励和阻尼。 一般而言，可以说激励随着发动机转速的增加而增加。 系统阻尼取决于惯性矩之间的比率
对于螺旋桨和发动机，螺旋桨的阻尼以及可能的扭振减振器的存在。
图 图6和图7说明了三种可能性A，B和C，它们与a轴系统的“布局”相关 发动机直接连接到螺旋桨上，但扭转振动条件差别很大。
解决方案A的特点是相对灵活的轴系统。 材料强度已经增加以减小轴的直径，
通过使它们更加灵活。 曲轴的前端安装了一个调谐轮，以增加发动机和螺旋桨质量惯性矩之间的比率，从而提高系统的阻尼。 共振将发生在发动机MCR速度以下（过度临界）。
扭转应力将会在极限以下但高于极限。
奥里亚斯佩尔范围。
例如由于螺旋桨和发动机之间的距离很短或者由于实现了刚性，导致系统刚性较强
例如热缩接头，CP-螺旋桨的配油箱和轴直径的冰级要求。 这使主要临界共振相对接近MCR，共振应力将超过船级社规定的上限2。 在这种情况下，将会有四种可能性：
1) 安装一个适当尺寸的扭转减振器，可以将应力降低到2以下，工厂将有一个禁止的速度范围
2) 安装一个适当尺寸的扭转减振器，可以将应力降低到1以下，并且工厂不会有禁止的速度范围
3) 为了将主临界共振移动到MCR以上（溶液C），增加轴直径，
4) QPT（通过禁止速度范围技术的快速通道）用于CPP安装，参考文献。 12
程序可以描述如下：
a. 在最大俯仰状态下执行普通的扭转振动计算
b. 使用相当悲观的螺旋桨阻尼值在最小螺距条件下进行普通扭转振动计算
c. 一个仿真模型的建立
发动机/调速器，在稳定状态运行期间的禁止速度范围内，图8（上部）给出的结果与通常的扭转振动计算结果一致
d. 快速通过禁止速度范围的发动机启动和停止的模拟，图9（上部）
e. 基于启动和停止测试模拟的结果来评估禁止速度范围内的应力，以快速通过禁止速度范围
为了确保快速通过禁止速度范围，应该安装所谓的“临界速度单位”。 该装置以速度设定信号运行，当发动机通过驾驶室操纵系统运行时，以及当从发动机控制室运行时，自动快速通过禁止速度范围8
过增加轴的直径来获得解决方案C，直到主临界共振位于标称速度（低临界）以上约40-45％。 由于轴直径较大（阻力矩大），即使轴中的扭转扭矩变化很大，也只会出现中等的扭转应力。
除了避免限制速度范围之外，解决方案C的特征在于轴中的相当高的变化扭矩，如已经解释的那样，将引起相当高的变化推力，称为扭转振动引起的螺旋桨推力。
应该提到的是，在不利的条件下，变化的推力可以达到平均推力的50％的水平，远高于螺旋桨设计者作为来自非均匀尾流场的激励而接受的水平。
在三种选择中，A通常涉及最低成本。 解决方案A，B或C不能与特定发动机类型直接相关，只有在设计阶段详细计算扭转振动才能发现最佳解决方案。
解决方案的选择和可行性趋势可概括如下：
4- 汽缸发动机：解决方案
A：不太可行-不是很常见解决方案
B：可行-不是很常见解决方案
C：可行- 非常普遍
5- 汽缸发动机：解决方案
A：可行-所有常见解决方案
B：可行-不是很常见解决方案
C：可行-普通 引擎：
解决方案A：可行的也没有调谐轮很常见
解决方案B：可行-不是很常见 全文共11371字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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