轴系扭振计算书设绘通则.docx

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轴系扭振计算书设绘通则

轴系扭振计算书设绘通则

1主题内容与适用范围

1.1本标准规定了“柴油机轴系扭振计算书”的设绘依据、基本要求、内容要点、数据准备、注意事项、校审要点、质量要求以及附录。

1.2本标准适用于下列柴油机动力装置在正常工况和任意一缸熄火工况下的扭振特性计算。

1.2.1船舶柴油机推进轴系，包括双机并车轴系，PTO轴系、可调距螺旋桨轴系；

1.2.2船舶柴油机发电机组轴系；

1.2.3柴油机水力测功器轴系；

1.2.4燃气轮机推进轴系的自由振动计算。

2引用标准及设绘依据图纸

2.1引用标准

下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。

本标准出版时，所示版本均为有效，所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。

a）GB4476-84金属船体制图；

b）GB4954-85船舶设计常用文字符号。

2.2设绘依据图纸

a）轮机说明书；

b）轴系布置图；

c）有关产品说明书尾轴尾管总图。

3基本要求

3.1船舶柴油机轴系扭振计算原理

3.1.1计算模型

程序是把柴油机轴系简化成一个线性集总参数系统模型。

如图1所示。

图1

3.1.2计算公式

对一个有n个质量的系统，在圆频率为ω的激励力矩作用下，第k个质量的运动方程为：

Jkφk+Ckφk+Ck-1,k（φk-φk-1）+Ck,k+1（φk-φk+1）

+kk-1,k（φk-φk-1）+kk,k+1（φk-φk+1）=Mksin（ωt+ρk）

（k=1,2,3,…n）……………………….（3.1.2）

式中:

φk、φk、φk第k个质量的角位移、角速度、角加速度；

Jk第k个质量的转动惯量；

Ck-1,k、Ck,k+1第k-1个和第k个质量间，第k个和第k+1

个质量间的轴段阻尼；

kk-1,k、kk,k+1第k-1个和第k个质量间，第k个和第k+1

个质量间的刚度；

Mk作用在第k个质量上的激励力矩振幅值；

ρk激励力矩的初相位；

T时间

3.1.3计算方法

本程序用综合运算法，即设方程（3.1.2）的特解：

ρk=Aksin（ωt+Qk）=Asksinωt+Ackcosωt）………..（3.1.3）

代入式（3.1.2），可得2n个联立代数方程式，解此方程组，即得出相应的振幅Ak和相位Qk。

3.1.4轴系模型质量号的排序方法

一般质量序号从主机自由端开始向螺旋桨方向，由小到大排序，若轴系中存在分支，排序规则见图2。

图2

3.2扭振计算书的主要内容

扭振计算书应包括：

——原始参数，轴系布置图

——当量参数和当量系统图

——应计算的固有频率及各节霍尔茨表，及相应的相对振幅矢量和

——在使用转速范围内各转速下，各元件在各谐次下的扭振应力或扭矩。

——在使用转速范围内各转速下，各元件在各谐次的合成扭振应力或合成扭矩

——某一规范下的许用应力和许用扭矩值，并绘制许用应力或许用扭矩曲线图

4内容要点

4.1轴系扭振计算按下列流程图进行

4.2有关数据的填写说明

4.2.1基本数据中有些内容，如果所要计算的系统中没有，则填零。

如本系统中设有硅油减振器，则硅油减振器质点号填零。

4.2.2柴油机、弹性联轴器、变速齿轮装置、减振器等制造厂，应提供准确的该装置扭振参数。

4.2.3对设有变速装置的轴系，从动系统应转化为与柴油机转速相同的当量系统，从动系统上转动惯量和刚度按下式转化：

Ii=I2/i2

Ki=K2/i2

式中：

I2，Ii——转化前、后转动惯量kg·m2

K2，Ki——转化前、后刚度N·m/rad

i=n1/n2——传动比

n1——柴油机转速，r/min

n2——从动轴转速，r/min

4.2.4轴系转化为当量系统时，一般按下列方法进行：

4.2.4.1变速系统

对传动齿轮可按以下两种方法处理：

按传动比关系把从动齿轮的转动惯量转化到主动轮上，或将主从动轮分为两个质量，并假设两者之间的刚度很大（一般可取系统中最大刚度的1000倍）

4.2.4.2减振器

a）对弹性扭振减振器，其主、从动惯性轮应作为两个质量点，而弹性应取减振器中弹性元件的动态刚度值。

b）对硅油减振器，可简化成一个内壳体惯量与惯性轮惯量之半组成的当量惯量。

4.2.4.3弹性联轴器的主、从动惯性轮应作为两个质量点，其弹性值应取弹性元件的动态刚度值。

4.2.4.4轴系

一般以传动轴法兰接合面作为质量中心，轴的转动惯量平分加在相邻质量点上。

4.2.4.5螺旋桨，水力测功器

a）螺旋桨的附水转动惯量大小根据螺旋桨的叶数、直径、螺距、盘面比等参数查曲线决定。

因此，附水量的比例为25%~35%不等。

对装有导流管的可取35%。

b）对可调螺距螺旋桨，还应取10%的附水量来计算零螺距工况的固有频率。

c）水力测功器惯量应计入附水的影响。

附水量随水力测动器型式和运转工况不同而变化。

在缺乏详细资料情况下，对额定工况时的附水量可取其惯量（空气中）的35%。

4.2.5对装有弹性联轴器或齿轮传动装置的轴系，应对一缸不发火的情况进行扭振计算。

对带有发电机装置，以及燃劣质重油的柴油机轴系，应对一缸不发火情况进行扭振计算。

4.2.6上条款所指一缸不发火系一气缸停止供油，而运动部件并未拆除情况，故轴系当量系统不变。

5图面要求（含输入、输出数据说明）

5.1输入数据说明

5.1.1标识参数

a）船型、船名、图号、主机型号依次输入各个数据。

b）如需修改数据，则选择该数据框为当前焦点，即可修改数据框内容

5.1.2轴系布置参数

a）“装置型式”下拉列表，用于选择轴系的吸功装置，共有五项选择，分别为普通螺旋桨、发电机、水力测功器、泵、PTO状况。

b）“主机列数”下接列表，用于选择单列机或V型机。

c）“阻尼系数”下拉列表，用于控制轴系进行强迫振动计算时，采用何种阻尼形式进行计算。

共有四种选择，分别为β&ω、SULZER、CCS和阻尼绝对值。

程序将自动调用本程序数据库的相应阻尼值，供强迫振动计算用。

d）“激励系数”下拉列表，用于选择柴油机型号，如选择β&ω柴油机型，程序将自动调用数据库中相应的β&ω激励系数。

供强迫振动计算用。

5.1.3主机参数

a）“气缸数”下拉列表用于输入主机的气缸数。

对于V型机，气缸数输入单列的气缸数。

b）“冲程数”下拉列表用于选择柴油机的冲程数。

有两种可选择，

分别为二冲程或四冲程。

c）“主机发火顺序”文本框用于输入柴油机的发火顺序。

5.1.4螺旋桨参数

a）本界面五个文本框用于输入螺旋桨的直径、螺距比、盘面比、叶片数及螺旋桨转动惯量。

b）“螺旋桨型式”下拉列表，用于选择螺旋桨的类型，是定螺距还是可调螺距桨。

5.1.5发电机参数

a）“发电机型号”下拉列表，用于选择发电机类型，是直流还是交流发电机。

b）本界面五个文本框用于输入发电机额定功率、发电机效率、发电机轴负荷、轴转速、转子转动惯量。

5.1.6减振器参数

a）对于硅油减振器要求输入减振器所处的质点号和减振器惯性轮惯量（kg·m2）。

b）对于绝对阻尼和相对阻尼的减振器则要求输入减振器所处的轴段号和相应的阻尼参数。

c）对于MWM型式减振器要求输入减振器所处的轴段号和阻尼值外，还要求输入减振器刚度和阻尼指数。

5.1.7齿轮箱数据的输入

a）在主菜单中选择“输入计算模型”项中“轴系各部件数据”下拉列表中选择“齿轮箱数据”，程序显示齿轮箱数据输入/修改界面。

b）“齿轮啮合总对数”下拉列表中选择轴系中齿轮啮合的总对数。

最多可选五对齿轮啮合。

c）本界面五个文本框分别用于输入齿轮箱型号，主动齿轮质点号，从动齿轮质点号，要求输出齿轮啮合振动扭矩的轴段号及当前齿轮啮合的速比。

d）当齿轮啮合对数大于1时，按“>>”按钮，程序将进入下一对齿轮参数的输入界面。

按“<<”按钮，返回显示上一对齿轮参数。

5.1.8联轴器数据的输入

a）在主菜单中选择“输入计算模型”项中“轴系各部件数据”下拉列表中选择“联轴器数据输入”，程序将显示联轴器数据输入/修改界面。

b）“联轴器弹性元件总数”下拉列表用于选择轴系中联轴器弹性元件总数。

最多可有五个。

c）对于联轴器要求输入联轴器所处的轴段号，联轴器许用的持续和瞬时扭矩（kN·m）。

d）对于盖斯林格型式联轴器要求输入特征频率（HZ），但对于普通型及VOLKEN联轴器要求输入阻尼衰减系数。

e）当联轴器总数大于1时，按“>>”按钮，程序进入下一个联轴器参数界面。

5.2计算结果输出

5.2.1屏幕输出

单击主菜单的“计算”项，程序即进行计算，计算完毕后，再单击主菜单“计算结果显示”项，将首先显示自由振动计算结果。

再显示各轴段的强迫振动计算结果，最后显示曲轴，中向轴，螺旋桨轴的转速——应力曲线以及许用应力曲线，对装有传动齿轮的轴系，提供齿轮啮合处——转速——振动扭矩曲线，以及转速——许用扭矩——曲线。

对装有弹性联轴器的轴系，提供转速——振动扭矩曲线，以及许用扭矩曲线。

5.2.2打印机输出

单击主菜单的“打印”项，即可打印输出以上各项计算结果，以及转速—应力曲线以及许用应力曲线。

6校审要点

6.1校核计算的原始数据是否正确，符合要求。

6.2校核计算书的编制及内容表达是否完整，有否重要遗落（特别对新的轴系装置）。

6.3校核计算结论是否正确。

6.3.1共振转速计算是否正确，共振转速主要与固有频率有关，固有频率计算准确与否取决系统当量参数的转化方法与计算。

6.3.2扭振应力与扭矩计算是否准确，扭振应力计算与响应计算方法，激励力与阻尼力计算方法有关。

7质量要求和等级评定

等级评定

评定内容

Ⅰ级

Ⅱ级

原始数据

完全正确

基本正确

减振元件评价

完全正确

基本正确

表达完整

完全正确

基本正确

一般差错,图面缺陷

极少

很少

注1:

I、II级即为优良品、合格品，达不到合格为不合格品。

8参考资料见附录A

附录A

《轴系扭振计算书》参考资料

有关规范

a）钢质海船入级与建造规范

b）钢质内河船入级与建造规范

c）需入国外船级的相应船级社规范

d）中华人民共和国船舶检验局：

CG/Z001-84，船舶柴油机轴系扭振特性计算及有关问题1984.5