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1、柴油机气缸熄火对轴系扭转振动的影响王明新（海装舰艇部，北京 100071）摘 要：应用经验公式与ANSYS有限元方法，以某集装箱船轴系为研究对象，建立了轴系扭转振动模型，计算柴油机在单缸熄火和两缸熄火时轴系扭转振动的响应，研究气缸熄火对轴系扭转振动的影响规律。结果表明，柴油机正常工作时的扭振响应最小；单缸熄火时轴系扭振响应明显增大；两缸熄火对轴系扭振的影响与发火顺序有着明显的联系。关键词：扭转振动；气缸熄火；有限元法；强迫振动中图分类号：U664.121; TK402 文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2015.S1.001Influence of Diesel En
2、gine Cylinder Misfire onthe Shafting Torsional VibrationWANG Ming-xin(The Ministry of Sea Equipment Ship, Beijing 100071, China)Abstract: Both empirical formula and ANSYS finite element method are applied to establish the finite element model of the shafting based on a cargo ship. According to the c
3、alculation of shafting torsional vibration when the engine is at the conditions of one cylinder misfire and two cylinders misfire，the change laws at the three conditions were studied. The results shown that：the shafting torsional vibration value is lowest when the diesel is at regular work；the shaft
4、ing torsional vibration value is becoming higher obviously when the diesel is at the condition of one cylinder misfire；the shafting torsional vibration value is of great relationship with different match of two cylinders misfire.Key words: torsional vibration; diesel engine misfire; finite element m
5、ethod; force vibration0 引言当船舶轴系发生扭转共振时，外界的激励会使轴系的响应扭转角逐渐增大，一旦轴系扭转变形时的内应力达到材料屈服极限时，会发生严重的事故，甚至出现断轴的现象。目前国内外对于轴系扭转振动的计算研究，一般只考虑在正常装置下的轴系扭转振动，不考虑柴油机有一缸或者多个缸燃烧不正常，或者某一缸由于燃烧系统故障停止供油；或者由于咬缸而拆除其活塞连杆机构的轴系扭转振动。在这种情况下，熄火气缸的平均指示压力近似为零。因此在进行轴系扭转振动计算时应考虑这种情况，以采取相应措施确保船舶在正常营运。由于柴油机主谐次的激励相位一致，气缸熄火会使主谐次激励下的轴系共振应力减小
6、，反而会更安全；但对于其他谐次的激励力矩矢量和不仅不会减小而且还会破坏各气缸的平衡关系，导致轴系共振响应增强，轴段应力增大1。本文以船轴系为研究对象，对柴油机发生单缸和两缸熄火时1谐次激励下轴系的扭转振动响应进行分析并研究气缸熄火的影响规律。1 轴系扭转振动参数分析1.1 轴系布置及其尺寸表1 轴系主要尺寸参数项目外径/mm长度/mm材料飞轮4156220HT2501号中间轴7951100034CrMo12号中间轴7951100034CrMo1螺旋桨轴9751418034CrMo1桨榖16402609CuAl10Ni收稿日期：2015-06-14；修回日期：2015-07-04作者简介：王明新
7、（1978），男，工程师。从事舰船动力研究。以某大型集装箱船推进轴系为研究对象，该轴系包括1根螺旋桨轴和2根中间轴，各轴段参数见表1。船舶主机直接与中间轴相连，推力轴承位于主机内部，轴系布置简图如图1所示。324156789101113121、螺旋桨；2、螺旋桨轴；3、3号法兰；4、2号中间轴；5、2号法兰；6、1号中间轴；7、1号法兰；8、飞轮；9、曲轴；10、推力轴承；11、中间轴承；12、前尾轴承；13、后尾轴承图1 轴系布置简图1.2 螺旋桨和柴油机的主要参数该轴系螺旋桨为普通定距桨，通过液压套合直接与尾轴连接，其主要参数如表2所示。表2 螺旋桨参数项目单位参数叶片数个6直径mm8 8
8、00额定转速r·min-1104质量kg92 580极转动惯量kg·m2472 420船舶主机型号为MAN-B&W 12K98MC-C，其转动惯量和各个曲拐的扭转刚度决定了轴系扭振当量参数；主机的发火参数决定着轴系扭振的激励力矩，其发火顺序为1-8-12-4-2-9-10-5-3-7-11-6。柴油机的相关参数如表3所示。表3 柴油机主要参数项目单位参数曲柄半径mm1200平均爆发压力MPa1.92曲拐扭转刚度kg·m236520单缸转动惯量×109N·m/rad4.412 推进轴系有限元建模根据推进轴系相关参数建立轴系扭振有限元模型，
9、其相关建模要求如下：1）轴系采用BEAM188单元来模拟，每个节点有UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ六个自由度，能满足振动计算的要求。同时，BEAM188具有截面设置功能，能很好地模拟各轴段的结构；2）螺旋桨桨毂和联轴器简化为均质圆盘元件，并用梁单元进行模拟，其力学性能按照实际的材料进行定义2；3）根据以往研究，将曲轴建模为等效的阶梯轴，整个曲轴由等效弹性BEAM单元来代替3,4；根据柴油机厂家给定的各个曲拐的扭转刚度、转动惯量，其中包括活塞、连杆等往复惯性组件质量在旋转过程中的转动惯量，来确定等效阶梯轴的外径大小，保证等效阶梯轴与实际柴油机部分的扭振当量相同。在ANSYS中对曲
10、轴、飞轮、各个轴段及螺旋桨进行建模、定义轴段密度、弹性模量和泊松比等参数，划分网格。该轴系扭转振动有限元模型如图2所示，该扭转振动有限元模型有717个单元，718个节点。图2 轴系扭振有限元模型3 柴油机激振力矩的计算3.1 柴油机各缸激励相位关系二冲程柴油机曲轴每旋转1周完成一个工作循环。对于多缸柴油机，为了保持柴油机的运行平稳，多缸机具有均匀的发火间隔。柴油机的发火间隔角等于每个工作循环曲轴转角除以缸数，该柴油机有12个缸，故其曲柄间隔角：=360°/12=30°该柴油机各个曲柄的角度分布及发火顺序如图3所示。161173529108124主机运转方向图3 各个曲柄角度
11、分布示意图3.2 柴油机激励力矩轴系扭转振动的激励源有很多，包括柴油机气体爆发压力产生的激励力矩，往复惯性组件产生的重力及惯性力矩激励，螺旋桨在不均匀伴流场中旋转产生的叶片次及倍叶片次激励力矩，齿轮啮合激励等，其中气体爆发压力产生的激励力矩最大。因此在计算模型中，主要选择气缸爆发压力激励5。作用在柴油机曲柄销上的切向力矩为：M=M0+Mv·sin(vt+v) （1）式（1）中，M0为单缸平均力矩，N·m；Mv为v谐次力矩幅值，N·m；v为简谐次数；为曲轴回转角速度，rad/s；t为曲轴回转时间，s；v为v谐次初相位角，rad。v谐次激励力矩幅值Mv的表达式为：Mv
12、=(D2R·cv)/4 （2）式（2）中，D为气缸直径，cm；R为曲柄半径，cm；cv为简谐系数，MPa，可以按照式（3）求得：cv=av·pi+bv （3）式中，av、bv为系数，一般由柴油机厂家提供。当柴油机发生熄火时当柴油机出现单缸熄火时，该气缸的活塞不承受燃油燃烧做功所产生的气体压力，其平均指示压力pi为零，但熄火气缸处仍然会完成吸排气工作，其对应的简谐系数：cv=av·0+bv=bv （4）其他气缸的平均指示压力6变为： （5）式（5）中，为熄火后其他气缸的平均指示压力；z为气缸数12；x为熄火气缸数。根据经验公式计算得到在柴油机正常工作、发生单缸熄火和
13、两缸熄火时各个气缸的激励力矩，如表4所示。通过表4的数据可见，熄火气缸的激励力矩明显减小，而当柴油机发生熄火现象时未熄火的个别气缸激励力矩反而还会增大。表4 不同状态时各个气缸的激励力矩工况气缸状态简谐系数cv/MPa激励力矩Mv/N·m正常工作发火1.466126285.5单缸熄火发火1.5511403 184.7熄火0.267241554.0两缸熄火发火1.6821521700.0熄火0.267241554.04 有限元分析计算结果及分析4.1 自由振动计算对轴系扭振有限元模型相关节点进行自由度约束，利用模态分析功能得到轴系扭转振动固有频率，如表5所示。轴系一阶扭振振型云图如图4
14、所示。由图4可见一阶扭振的结点A（扭转角为0处）位于2号中间轴中部。表5 轴系扭振固有频率扭振阶数固有频率/Hz临界转速/r·min-1一阶3.15189二阶13.35801三阶23.601416A图4 一阶扭转振动振型云图4.2 强迫振动计算按照各个气缸的发火激励相位关系和激励力矩，在有限元模型中通过加载完成强迫振动计算。选取螺旋桨处的扭转角为主要研究对象，得到不同激励频率下螺旋桨和前尾轴承处的响应频谱图，如图5所示。图5中的峰值即为对应激扰频率下发生共振时螺旋桨和前尾轴承处的响应。87.26.45.64.84.03.22.41.60.800246810121416FREQVALU
15、×10-3螺旋桨处前尾轴承处图5 轴系扭振响应频谱图4.3 单缸熄火计算按照各个气缸的发火激励相位关系和激励力矩，在有限元模型中通过加载完成单缸熄火时的强迫振动计算。不同气缸熄火时螺旋桨在一阶共振转速下的扭转角见表6所示，由表6数据可见，1号缸到12号缸对扭振的影响逐渐减小。表6 单缸熄火对轴系扭振的影响熄火气缸编号螺旋桨扭转角度/rad熄火气缸编号螺旋桨扭转角度/rad10.089570.079920.089480.077730.088590.077340.0842100.076850.0842110.073260.0807120.07204.4 两缸熄火计算以1号气缸参照缸，选取
16、其他11个气缸与其搭配的方式，完成两缸熄火的研究状态。按照各个气缸的发火激励相位关系和激励力矩，在有限元模型中通过加载完成两缸熄火时的强迫振动计算，得到不同搭配下两缸气缸熄火时螺旋桨在一阶共振转速下的扭转角见表7所示。 表7 不同搭配的两缸熄火对轴系扭振的影响与1号缸搭配熄火缸号螺旋桨扭转角度/rad与1号缸搭配熄火缸号螺旋桨扭转角度/rad20.100380.180730.092690.045640.1388100.016650.0528110.155560.1652120.153970.1230选取不同两缸搭配时螺旋桨处的共振扭转角，与1号缸单缸熄火、柴油机正常工作时螺旋桨的共振扭转角对比
17、，如图6所示。图6 不同搭配两缸熄火对轴系扭振的影响由表7、图6可见，轴系的响应扭转角与搭配熄火两缸的发火顺序有着明显的关系；熄火两缸发火顺序越接近，轴系扭转角越大且超过单缸熄火时，熄火的两缸发火顺序越远，轴系扭转角越小甚至会低于单缸熄火时。5 结论针对柴油机气缸熄火对轴系扭转振动的影响问题，应用经验公式和有限元方法，进行了仿真计算与分析，得到以下结论：1）建立了轴系扭振有限元模型，完成了自由振动计算，结果表明共振转速远高于轴系额定转速，一阶共振振型的结点位于2号中间轴中部；2）根据各缸的激励相位关系和力矩值，通过加载完成了强迫振动计算，得到在柴油机1谐次激励下轴系响应扭转角（0.0056ra
18、d）；3）当柴油机发生单缸熄火时，轴系的响应扭转角远高于柴油机正常工作时；同时熄火气缸越远离振型节点，轴系响应越剧烈；4）当柴油机发生两缸熄火时，轴系的响应扭转角与搭配熄火两缸的发火顺序有着明显的关系。熄火两缸发火顺序越近，轴系的扭转角越大且超过单缸熄火时；熄火的两缸发火顺序越远，轴系扭转角越小甚至会低于单缸熄火时。参考文献：1魏海军, 吴恒. 柴油机单缸熄火对轴系扭振的影响J. 大连海事大学学报, 1998, 24(3): 76-79.2魏颖春. 基于有限元法的船舶尾轴承承载仿真研究D. 武汉: 武汉理工大学, 2009.3Okamura H, Shinno.A. Simple Modeli
19、ng and Analysis for Crankshaft Three Dimensional Vibrations, Part 1：Background and Application to Free VibrationsJ. ASME Journal of Vibration and Acoustics, 1995,117(1): 70-79.4郝志勇, 舒歌群. 内燃机轴系扭振相应的扭转波计算方法研究J. 内燃机学报, 2000,18(1): 29-32.5中华人民共和国船舶检验局. 船舶振动控制指南S. 北京: 人民交通出版社, 2012.6黎辉. 船舶推进轴系扭振若干技术问题研究D. 武汉: 武汉理工大学, 2007.