1、2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡1船舶柴油机Marine diesel engine主讲：余永华Email:2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡2Chapter 11 柴油机的振动与平衡Vibration and Balance of Diesel Enginen概述往复运动部件回转运动部件往复惯性力回转惯性力气缸压力变化输出扭矩脉动螺旋桨径向和周向不均匀的三维伴流交变的轴向和横向推力振动激励源(Excitation source)2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡3Chapter 11 柴油机的振动与平衡Vibration a
2、nd Balance of Diesel Engine 11.1 柴油机动力学柴油机动力学Dynamics of diesel engine11.2 柴油机平衡Balance of diesel engine11.3 轴系扭转振动和减振Torsional vibration and absorbing11.4 轴系纵向振动和减振Axial vibration and absorbing2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡411.1 柴油机动力学一、曲柄连杆机构的运动学1活塞位移2活塞速度和加速度3连杆运动二、曲柄连杆机构的动力学1气体力2往复惯性力3离心力4连杆替代系统三、
3、曲柄连杆机构的作用力分析 2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡5一、曲柄连杆机构的运动 1 活塞位移n位移的精确公式n位移的傅里叶级数公式n活塞位移的近似公式2 活塞速度和加速度3 连杆运动n连杆角位移近似公式n连杆角速度近似公式n连杆角加速近似公式2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡611.1 柴油机动力学n位移的精确公式coscosLRRLxsinsinRLsin/sin/LR222sin1sin1cos)sin11()cos1(22LRx2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡711.1 柴油机动力学)sin11()cos1(22L
4、Rx.sin161sin81sin211)sin1(sin1cos6644222/12222)2cos1(411sin211cos222)2cos1(411sin211cos222)2cos1(4)cos1(RRx2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡811.1 柴油机动力学2 活塞速度和加速度n活塞的运动速度是位移对时间的一阶导数：n对上式取微分则得活塞加速度的近似公式：2sin)2(4sinRRx)2cos(cos2 Rx 2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡911.1 柴油机动力学n分析活塞运动可以看出：1.上止点时：位移为零，速度为零，加速度最大，
5、方向为正；2.下止点时：位移最大，速度为零，加速度比上止点小，方向为负；3.非中间位置：行程中央，活塞速度最大，加速度为零。4.可近似看成两次曲柄的合成2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡1011.1 柴油机动力学3.连杆的运动sinsinRL)sin211(cos22)cos31(211 sin222)sin(sin1连杆角位移的精确公式 连杆角速度近似公式 连杆角加速度近似公式 忽略 项的影响，可得极大值的近似计算公式为：2max2 n从上述公式可看出：n=0/180（上/下止点）时达到极值，连杆摆动角速度最大，其大小相等，方向相反。n当曲柄的转角为90和270时，连杆
6、的摆动角位移的绝对值达到最大。n 连杆最大摆角、最大角速度及最大角加速度均不大 2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡1111.1 柴油机动力学一、曲柄连杆机构的运动1活塞位移2活塞速度和加速度3连杆运动二、曲柄连杆机构的作用力二、曲柄连杆机构的作用力（一）曲柄连杆机构的气体力和惯性力1气体力2往复惯性力 3离心力 4连杆替代系统（二）柴油机的输出力矩和倾覆力矩2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡1211.1 柴油机动力学二、曲柄连杆机构的作用力二、曲柄连杆机构的作用力气体力往复惯性力回转惯性力重力柴油机力源(很小不考虑)2022-8-4chapter 1
7、1 柴油机的振动与平衡132022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡1411.1 柴油机动力学二、曲柄连杆机构的作用力 （一）曲柄连杆机构的气体力和惯性力 1气体力 2往复惯性力 1）往复惯性力传递 2）往复惯性力计算 （1）一次往复惯性力 （2）二次往复惯性力 3 离心力 4 连杆替代系统 （二）柴油机的输出力矩和倾覆力矩2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡1511.1 柴油机动力学1气体力cgHggPPPTgNgcgPPPHggcgPPPDgM颠覆力矩2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡1611.1 柴油机动力学2.往复惯性力 1)传递
8、cjHjjPPPNjTjcjPPPHjjcjPPP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2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡1711.1 柴油机动力学2.往复惯性力 2)计算amPjj2cos)2(4cos2coscos2222jjjjjmRmRmRmP一次往复惯性力二次往复惯性力2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡1811.1 柴油机动力学3.离心（回转）惯性力2RmFRRn与向心加速度的方向相反n引起机体上下左右振动2022-8-4cha
9、pter 11 柴油机的振动与平衡1911.1 柴油机动力学4.运动部件的质量代换替代原则：1、总质量相等2、重心位置不变3、转动惯量不变)()()(22pAccAAcAlBAlAclBlAlllmMlllmllmlmmmm0cpMll相差很小，所以与2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡2011.1 柴油机动力学三、曲柄连杆机构的作用力分析-合力图9-1-5 活塞上的作用力随曲轴转角的变化 二冲程连杆始终受压，四冲程在换气上止点附近受拉二冲程连杆始终受压，四冲程在换气上止点附近受拉2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡2111.1 柴油机动力学三、曲柄连杆
10、机构的作用力分析-侧推力与连杆推力NFLFF侧推力的大小交变，作用在十字头导板或气缸壁上。连杆推力的数值大小交变，作用在曲柄销上，而方向是否交变则取决于合力的方向。2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡2211.1 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n切向力向外输出的动力矩的力源n法向力轴系形成纵振的激振力源2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡2311.1 柴油机动力学图9-1-7 柴油机切向力曲线图9-1-8 柴油机的回转不均匀度 三、曲柄连杆机构的作用力分析2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡24Chapter
11、 11 柴油机的振动与平衡Vibration and Balance of Diesel Engine 11.1 柴油机动力学Dynamics of diesel engine11.2 柴油机平衡柴油机平衡Balance of diesel engine11.3 轴系扭转振动和减振Torsional vibration and absorbing11.4 轴系纵向振动和减振Axial vibration and absorbing2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡2511.2 柴油机平衡一、柴油机振动概述气体压力上下抵消，不对外起作用HP侧推力颠覆力矩jP往复惯性力柴油机
12、上下跳动颠覆力矩rP离心力柴油机上下跳动cM连杆力偶柴油机左右摇晃2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡2611.2 柴油机平衡 一、单缸柴油机的振动与平衡（一）单缸柴油机的振动力源（二）单缸柴油机的平衡二、多缸柴油机的振动与平衡（一）多缸柴油机的振动力源（二）多缸柴油机的平衡2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡2711.2 柴油机平衡一、单缸柴油机的振动与平衡 （一）单缸柴油机的振动力源 1 离心惯性力Pr 2 往复惯性力Pj 3 连杆力偶Mc 4 颠覆力矩MD （二）单缸柴油机的平衡 1 单缸柴油机的离心惯性力平衡 2 单缸柴油机往复惯性力的平衡 3
13、颠覆力矩平衡 4 连杆力偶平衡2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡2811.2 柴油机平衡1 离心惯性力Pr作用于主轴承上，方向沿曲柄半径始终向外，并随曲轴的转动而方向发生变化。因而，回转惯性力使柴油机产生上下、左右方向上下、左右方向的振动。2RmPRr2ckRmmm2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡2911.2 柴油机平衡2 往复惯性力Pj1cpjmmmcoscos2221RmRmPPPjjjjj振动频率2振动频率2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡3011.2 柴油机平衡 3连杆力偶连杆力偶是一个使柴油机在横向发生摇动的振动力源
14、，其数值很小，一般忽略2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡3111.2 柴油机平衡4颠覆力矩n是曲轴输出力矩的反力矩，内部不能平衡；n是柴油机最重要的振动力源；n使柴油机产生摇摆性(横向振动)n由多谐次合成，使柴油机装置产生错综复杂的振动,.212,2,211,1,21)sin(,.3,2,1)sin(2/11vtvMMMvtvMMMvvvmDvvvmD四冲程柴油机二冲程柴油机2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡3211.2 柴油机平衡二、单缸柴油机的平衡1离心离心(回转回转)惯性力平衡惯性力平衡平衡重，产生大小相等方向相反的力2.往复惯性力的平衡往复惯
15、性力的平衡正反转平衡轮系法3颠覆力矩平衡颠覆力矩平衡由固定机座的地脚螺栓来承受4.连杆力偶平衡连杆力偶平衡一般可忽略而不采取平衡措施 平衡往复惯性力原理示意图 2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡3311.2 柴油机平衡 三、多缸柴油机的振动与平衡 （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 （二）多缸柴油机的平衡 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 2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡3
16、411.2 柴油机平衡（一）多缸柴油机的振动力源 1 合成离心力及合成离心力矩 1）合成离心力 2）合成离心力矩 2 合成往复惯性力及合成往复惯性力矩 1）合成往复惯性力 （1）合成一次往复惯性力 （2）合成二次往复惯性力 2）合成往复惯性力矩 （1）合成一次往复惯性力矩 （2）合成二次往复惯性力矩 3 颠覆力矩合力矩和连杆力偶合力矩2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡3511.2 柴油机平衡aaPjIPjIIPjIIIPRIPRIIPRIIIIIIIIIPRI=PRII=PRIII=PRPRIIPRIIIPRIPRIIIPRIIPRIMRIIMRIMRI=MRII=PR*
17、aaPMRR 3(a)(b)(c)三缸机离心力和往复惯力的空间力系图2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡3611.2 柴油机平衡多缸柴油机的振动力源1.合成离心力多缸自相平衡，不会造成柴油机的振动2.合成往复惯性力（离心力在气缸中心线的投影）一次往复惯性力也是自相平衡的。若二次曲柄排列图是均匀的，则合成的二次往复惯性力也为零。3.合成的离心力矩 大小不变，与第一缸曲柄保持固定的夹角，随同曲轴一起回转4.合成往复惯性力矩（只分布在气缸中心线平面内）离心力矩平衡则一次往复惯性力矩也是平衡的5.颠覆力矩合力矩 柴油机输出扭矩的“反扭矩”，与柴油机的缸数有关 6.连杆力偶合力矩 大
18、多为零，对柴油机振动的影响很小，一般可忽略不计2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡3711.2 柴油机平衡n小结(1)柴油机不平衡力和力矩是由柴油机的气体力与柴油机惯性力，以及这些力产生的力矩引起。其激励频率与柴油机转速有关。(2)1次和2次不平衡力和力矩的大小，与柴油机缸数、发火顺序等有关。(3)不平衡力，可通过改变柴油机发火次序使之为零，因此主要对存在的不平衡力矩予以控制.2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡3811.2 柴油机平衡（二）多缸柴油机的平衡单位功率不平衡力矩值（(Power Related Unbalance）60Nm/KW200Nm/
19、KW可不安平衡补偿装置 必须安装平衡补偿装置 视具体情况进一步分析 2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡3911.2 柴油机平衡1外部平衡与内部平衡n如采用适当的曲柄排列，使柴油机对机体外的作用力与力矩都等于零，称柴油机达到了“外部平衡”，也就是达到了机体减振的目的。n把考虑机身内部受力情况的平衡称为柴油机的“内部平衡”。使曲轴所受的最大弯矩限制在安全范围内的平衡措施，即为内部平衡。2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡4011.2 柴油机平衡2.离心力及离心力矩的平衡不平衡合成离心力矩的平衡方法：n各缸平衡法：机身和曲轴受力最佳，但平衡重块多，重量较大n
20、分段平衡法：将曲轴分段平衡，折衷方案，平衡不彻底n整体平衡法：在曲轴首尾平衡，曲轴的重量轻，但内部平衡不好n不规则平衡法：挑选若干个曲柄上安装平衡块 2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡4111.2 柴油机平衡3.一次和二次往复惯性力及惯性力矩的平衡“正反转平衡轮系”平衡法：n双轴平衡装置n首尾齿轮传动式平衡装置n链条传动式平衡装置2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡4211.2 柴油机平衡2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡432022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡4411.2 柴油机平衡4总颠覆力矩的平衡 2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡452022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡462022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡472022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡482022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡492022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡502022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡51 2022-8-4chapter 11 柴油机的振动与平衡52补图11-22
