含有皮帶驅(qū)動(dòng)附件的船舶柴油機(jī)軸系扭振分析

蔡鵬飛，徐 榮，郭宜斌，王洪發(fā)，李曉茜，李玩幽

(1.中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰214431;2.陜西柴油機(jī)重工有限公司核電部，陜西 興平713105;3.哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引 言

按照現(xiàn)有船舶建造規(guī)范，凡功率大于110 kW的柴油機(jī)組均要進(jìn)行軸系扭振計(jì)算與測(cè)試，當(dāng)軸系扭振固有頻率測(cè)試值與計(jì)算值的誤差在允許范圍內(nèi)時(shí)，才可以按照計(jì)算書的振型進(jìn)行附加扭應(yīng)力推算［1］。皮帶傳動(dòng)是機(jī)械工程中最普遍應(yīng)用的傳動(dòng)裝置之一［2］。柴油機(jī)組常常利用皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)，利用其驅(qū)動(dòng)泵等附屬設(shè)備。由于皮帶傳動(dòng)具有剛度小，在高負(fù)荷下容易打滑的特點(diǎn)，采用皮帶連接的轉(zhuǎn)動(dòng)部件之間不容易傳遞扭振，故現(xiàn)有的規(guī)范和軸系扭振建模方法中均不考慮皮帶傳動(dòng)對(duì)扭振的影響，也就是忽略皮帶驅(qū)動(dòng)部件的扭振。

圖1 柴油機(jī)自由端Fig.1 Free end of diesel engine

在某柴油發(fā)電機(jī)組中，在柴油機(jī)自由端處有2條皮帶驅(qū)動(dòng)泵、電機(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng)部件，如圖1所示。按照現(xiàn)有船規(guī)，在扭振計(jì)算的建模過程中可以不考慮這兩處皮帶驅(qū)動(dòng)泵的作用。經(jīng)過與實(shí)際測(cè)試結(jié)果比對(duì)，發(fā)現(xiàn)按照傳統(tǒng)計(jì)算方法計(jì)算的結(jié)果遺失了兩階固有頻率，導(dǎo)致無法根據(jù)計(jì)算書進(jìn)行扭振附加應(yīng)力的推算。

1 機(jī)組軸系扭振傳統(tǒng)建模與計(jì)算

按照傳統(tǒng)方法及現(xiàn)有規(guī)范［3－5］，不考慮皮帶驅(qū)動(dòng)部件的影響，采用集總參數(shù)方法建立扭振模型，如圖2所示，具體參數(shù)見表1。

表1 不考慮皮帶驅(qū)動(dòng)部件的扭振參數(shù)Tab.1 Parameters for torsional vibration without belt drive accessories

圖2 不考慮皮帶驅(qū)動(dòng)部件的軸系簡(jiǎn)化模型Fig.2 Simplified model of shafting without belt drive accessories

依據(jù)此扭振參數(shù)，采用求特征值的方法得到的扭振固有頻率和振型如表2所示。

表2 不考慮皮帶驅(qū)動(dòng)部件時(shí)軸系前5 階自由振動(dòng)固有頻率和振型Tab.2 Natural frequencies and mode shapes of shafting at first five orders without belt drive accessories

2 機(jī)組軸系扭振測(cè)試

采用磁電傳感器及編碼器進(jìn)行該機(jī)組扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試。在柴油機(jī)空載工況下，利用轉(zhuǎn)速跟蹤測(cè)量的方法，分別對(duì)升速過程(從600 r/min 升至1 530 r/min)和降速過程(從1 550 r/min 降至610 r/min)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 機(jī)組扭振測(cè)試系統(tǒng)圖Fig.3 Diagram of test system for torsional vibration of diesel set

扭振測(cè)試結(jié)果瀑布圖如圖4所示。由圖4 (a)可以發(fā)現(xiàn)，1 諧次在881 r/min和1 311 r/min 處有峰值存在;由圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)，3 諧次在930 r/min 處有峰值存在;由圖4(c)可以發(fā)現(xiàn)，5 諧次在1 391 r/min，5.5 諧次在1 260 r/min 處有峰值存在。

圖4 軸系扭振測(cè)試瀑布圖Fig.4 Waterfall plot of shafting torsional vibration

扭振計(jì)算和測(cè)試的固有頻率如表3所示。

表3 測(cè)試值和計(jì)算值比較Tab.3 Comparison of results between test and calculation

由表3 可見，計(jì)算值缺少了881 r/min和2 790 r/min 兩個(gè)固有頻率，導(dǎo)致無法按照計(jì)算的振型進(jìn)行扭轉(zhuǎn)附加應(yīng)力的推算。由于機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，按傳統(tǒng)方法計(jì)算遺失的共振頻率881 r/min 很可能在開機(jī)過程中導(dǎo)致機(jī)組軸系共振。

3 考慮皮帶驅(qū)動(dòng)部件的軸系扭振特性分析

柴油機(jī)自由端存在2個(gè)皮帶驅(qū)動(dòng)泵，將2個(gè)泵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和皮帶隨軸扭轉(zhuǎn)時(shí)存在的扭轉(zhuǎn)剛度納入軸系扭振模型，此軸系扭振模型如圖5所示。其中慣量1～10 同原扭振模型相同，慣量11～12 為2個(gè)泵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，剛度10～11 為皮帶在軸扭轉(zhuǎn)時(shí)存在的扭轉(zhuǎn)剛度，具體扭振參數(shù)如表4所示。

圖5 計(jì)入皮帶驅(qū)動(dòng)泵的軸系扭振模型Fig.5 Simplified model of shafting including belt drive pumps

依據(jù)表4 中的扭振參數(shù)，計(jì)算此模型的自由振動(dòng)固有頻率和振型，如表5所示。

表5 考慮皮帶驅(qū)動(dòng)泵時(shí)前5 階自由振動(dòng)固有頻率和振型Tab.5 Natural frequencies and mode shapes of shafting at first five orders including belt drive pumps

將表6 與表5 中扭振固有頻率的計(jì)算值和測(cè)試固有頻率值進(jìn)行比較可見，在原軸系的基礎(chǔ)上考慮皮帶驅(qū)動(dòng)泵的影響之后，扭振固有頻率計(jì)算值和測(cè)試值基本吻合。

表6 考慮皮帶驅(qū)動(dòng)泵時(shí)計(jì)算值和測(cè)試值比較Tab.6 Comparison of results between test and calculation considering belt drive pumps

由以上計(jì)算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，皮帶驅(qū)動(dòng)泵對(duì)軸系的扭振固有頻率是影響。從表5 還可看出，新增加的頻率及其振型對(duì)原有頻率和振型的影響不大，在新增振型中，皮帶驅(qū)動(dòng)部件的相對(duì)振幅較軸系部件大。

如果皮帶驅(qū)動(dòng)設(shè)備的慣量大小不當(dāng)，增加皮帶系統(tǒng)帶來新的固有頻率很可能落在柴油機(jī)的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，就可能會(huì)對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行產(chǎn)生威脅。為了進(jìn)一步了解皮帶驅(qū)動(dòng)設(shè)備慣量對(duì)軸系扭振固有頻率的影響，本文變化皮帶驅(qū)動(dòng)部件的慣量，整個(gè)軸系扭振固有頻率隨之變化的結(jié)果如表7所示。

表7 皮帶驅(qū)動(dòng)部件慣量對(duì)軸系固有頻率的影響Tab.7 Effect of inertias of belt drive accessories on the nature frequencies of shafting

由表7 可看出，皮帶驅(qū)動(dòng)不同慣量的部件，對(duì)軸系的固有頻率影響很大。表7 中2個(gè)算例軸系的固有頻率剛好在機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速附近，這會(huì)影響軸系的安全。因此，如果軸系中存在皮帶驅(qū)動(dòng)設(shè)備，選擇參數(shù)合適的設(shè)備對(duì)軸系的扭振十分重要。

4 結(jié) 語

通過對(duì)某機(jī)組扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的計(jì)算和測(cè)試分析，得出如下結(jié)論:

1)軸系在扭振計(jì)算中若不考慮皮帶驅(qū)動(dòng)泵的影響，則計(jì)算值同測(cè)試值相比有一定誤差，對(duì)模型進(jìn)行修正后，即考慮皮帶驅(qū)動(dòng)泵的影響之后，軸系扭振固有頻率的計(jì)算值和測(cè)試值基本吻合;

2)若皮帶驅(qū)動(dòng)泵參數(shù)不當(dāng)，可使軸系的扭振固有頻率在機(jī)組額定轉(zhuǎn)速附近，可能會(huì)影響軸系安全;

3)由于皮帶傳動(dòng)存在非線性，對(duì)于皮帶的剛度等參數(shù)特性有待進(jìn)一步研究。

［1］中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范［S］，2006.China Classification Society.The classification principle of steel ship［S］，2006.

［2］楊可楨.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2006:204－208.

［3］張志華.動(dòng)力裝置振動(dòng)數(shù)值計(jì)算［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版，1994:18－21，77－81，139－167.

［4］王平.船舶軸系扭振計(jì)算方法的研究［D］.大連:大連海事大學(xué)，2002.

［5］向建華，廖日東，張衛(wèi)正.內(nèi)燃機(jī)曲軸扭振分析系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2005，26(1):51－54.XIANG Jian-hua，LIAO Ri-dong，ZHANG Wei-zheng.Development and application of torsional vibration analytical system of crankshaft in internal combustion engines ［J］.Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2005，26(1):51－54.