6缸280船用柴油機(jī)軸系扭振分析

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6缸280船用柴油機(jī)軸系扭振分析

張偉華，張紅學(xué)，楊雪莉

（南車玉柴四川發(fā)動機(jī)股份有限公司技術(shù)中心，資陽641301）

摘要介紹了將6缸280機(jī)車柴油機(jī)曲軸應(yīng)用到船舶領(lǐng)域后軸系扭振出現(xiàn)的一些問題，并為之進(jìn)行了相關(guān)的分析、計(jì)算，最終確定了設(shè)計(jì)方案。重新設(shè)計(jì)的6缸280ZC/D船機(jī)曲軸無論在結(jié)構(gòu)和性能上均能滿足船機(jī)規(guī)范要求，達(dá)到了整機(jī)軸系扭振的要求。

關(guān)鍵詞：船用柴油機(jī)曲軸扭振計(jì)算

來稿日期：2015-01-15

1　前言

我公司借鑒原有V型280ZC/D族船用柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將6缸直列280機(jī)車用柴油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后應(yīng)用到船用柴油機(jī)領(lǐng)域。主要設(shè)計(jì)原則之一就是，在保持280系列柴油機(jī)作功單元通用互換的同時(shí)，做到與6缸直列280ZJ機(jī)車柴油機(jī)主要零部件的統(tǒng)一。曲軸是關(guān)鍵零部件之一，并且要兼顧80%標(biāo)定功率PTO自由端輸出的設(shè)計(jì)方案。在軸系設(shè)計(jì)與計(jì)算中發(fā)現(xiàn)：如果沿用6缸直列280機(jī)車柴油機(jī)的軸系于船機(jī)上則會存在一些問題，并且不能兼顧到80%標(biāo)定功率PTO自由端輸出。因此進(jìn)行了6缸直列280ZC/D船機(jī)曲軸的設(shè)計(jì)，選配了合適的減振器，使整個(gè)軸系扭振達(dá)到了較好狀態(tài)，滿足了整體和CCS船規(guī)要求。

2　問題的分析與解決方案

2.1問題的提出

原有的6缸280機(jī)車用柴油機(jī)曲軸不能滿足船用發(fā)動機(jī)整體方案和船規(guī)的相應(yīng)要求，需要重新設(shè)計(jì)船用柴油機(jī)曲軸。為此，在基礎(chǔ)上280機(jī)車用柴油機(jī)曲軸的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)的6缸280ZC/D船用柴油機(jī)曲軸。

設(shè)計(jì)初期，對原有6缸280機(jī)車曲軸，按照整體方案和船用柴油機(jī)運(yùn)用要求進(jìn)行了以下計(jì)算，以檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)曲軸是否滿足各項(xiàng)要求：

1）軸承負(fù)荷計(jì)算；

2）曲軸疲勞強(qiáng)度計(jì)算；

3）平衡計(jì)算；

4）曲軸臂距差的計(jì)算；

5）扭振計(jì)算。

上述第1至第4項(xiàng)計(jì)算結(jié)果能滿足設(shè)計(jì)要求，但第5項(xiàng)扭振計(jì)算表明，柴油機(jī)處于正常工況時(shí)，軸系運(yùn)行平穩(wěn)，在柴油機(jī)常用工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)無禁區(qū)安全運(yùn)行；但當(dāng)柴油機(jī)處于1缸不發(fā)火工況時(shí)，扭轉(zhuǎn)振動較突出，電流有閃爍現(xiàn)象，應(yīng)避免在此工況下運(yùn)行。由計(jì)算結(jié)果可知，在1缸不發(fā)火工況時(shí)，軸系自由端角振幅已經(jīng)超過4毅，并且波峰出現(xiàn)在900 r/min ~1 000 r/min，正好處于船機(jī)常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，參見圖1。雖然在實(shí)際正常應(yīng)用中一般不會有1缸不發(fā)火情況，但是不排除有該特殊情況出現(xiàn)；并且船規(guī)對此有相應(yīng)的規(guī)定：除進(jìn)行正常工況下的扭振計(jì)算外，還應(yīng)對1缸熄火進(jìn)行扭振計(jì)算。按照船規(guī)要求，還必須兼顧80%標(biāo)定功率PTO自由端輸出，故必須重新設(shè)計(jì)6缸280ZC/D船用柴油機(jī)曲軸。

圖1　原機(jī)第1缸不發(fā)火工況時(shí)自由端扭振曲線

2.2解決方案

為了改善軸系的扭振性能，并兼顧80%標(biāo)定功率PTO自由端輸出的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了船機(jī)曲軸。設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)西馬寧柯公式近似計(jì)算中高速柴油機(jī)曲軸關(guān)于剛度的公式，通過改變自由端局部尺寸來加大扭轉(zhuǎn)剛度，以滿足上述要求。經(jīng)過反復(fù)對比計(jì)算，確定了自由端結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)自由端安裝新型減振器，并對自由端聯(lián)接法蘭及泵傳動齒輪的結(jié)構(gòu)作了相應(yīng)改進(jìn)。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　6缸280ZC/D船用柴油機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)

2.2.1曲軸自由端剛度對比

根據(jù)西馬寧柯公式近似計(jì)算中高速柴油機(jī)曲軸各段的柔度E，計(jì)算剛度C = 1/E。由于只對自由端結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，故只計(jì)算改進(jìn)前后自由端軸段的柔度E和剛度C，其結(jié)果見表1。

表1　改進(jìn)前后自由端軸段的剛度對比表

2.2.2選配減振器計(jì)算

對優(yōu)化設(shè)計(jì)的曲軸選配新型的減振器的軸系，重新進(jìn)行了各項(xiàng)扭振計(jì)算。經(jīng)過計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)新設(shè)計(jì)的船用柴油機(jī)軸系的扭振性能與機(jī)車的相比，有顯著的改善，并且完全能夠滿足80%標(biāo)定功率PTO自由端輸出的要求。具體參數(shù)對比見表2。

通過計(jì)算不同缸不發(fā)火工況的軸系扭振可知，在第1缸不發(fā)火工況下，新設(shè)計(jì)的軸系自由端的角振幅最大，其值為0.65毅，但仍然完全滿足軸系整體設(shè)計(jì)要求。各缸不發(fā)火工況下，軸系自由端的角振幅數(shù)據(jù)見表3。由表3可知，整個(gè)軸系扭振狀況中，最惡劣的情況出現(xiàn)在第1缸不發(fā)火工況（靠近輸出端側(cè)為第1缸）。第1、3、6缸不發(fā)火工況下，軸系自由端的角振幅計(jì)算曲線分別見圖3、圖4和圖5。

表2　改進(jìn)前后軸系扭振性能對比表

圖3　第1缸不發(fā)火工況時(shí)自由端扭振曲線

圖4　第4缸不發(fā)火工況時(shí)自由端扭振曲線

圖5　第6缸不發(fā)火工況時(shí)自由端扭振曲線

由柴油機(jī)扭振計(jì)算可知，配置新型減振器的動力裝置系統(tǒng)，在柴油機(jī)處于正常發(fā)火工況時(shí)和1缸不發(fā)火的工況時(shí)，軸系運(yùn)行平穩(wěn)；在柴油機(jī)的常用工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，柴油機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)無禁區(qū)安全運(yùn)行。綜上所述，新設(shè)計(jì)的曲軸在結(jié)構(gòu)和性能上都達(dá)到了預(yù)期的整機(jī)軸系扭振要求，能夠滿足船機(jī)規(guī)范。

最終通過曲軸樣品試制，并裝于船用柴油機(jī)，然后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足整機(jī)要求，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3　結(jié)束語

在設(shè)計(jì)研發(fā)過程中，嚴(yán)格按照整體方案和有關(guān)船規(guī)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分考慮1缸不發(fā)火工況，并且兼顧80%標(biāo)定功率PTO自由端輸出的設(shè)計(jì)方案要求，設(shè)計(jì)了6280ZC/D船機(jī)曲軸，選配了新型的減振器，使整個(gè)軸系扭振達(dá)到較好狀態(tài)。該曲軸的設(shè)計(jì)可以滿足不同船機(jī)用戶在功率輸出方面的個(gè)性化要求，且無論在結(jié)構(gòu)和性能上均能滿足船機(jī)規(guī)范要求，達(dá)到了整機(jī)軸系的扭振要求。

表3　改進(jìn)后各缸不發(fā)火工況下軸系自由端角振幅對比表

Analysis of Torsional Vibration of Crankshaft Train of the 6280 Marine Diesel Engine

Zhang Weihua, Zhang Hongxue, Yang Yueli

（YCSR Sichuan Engine Co., Ltd., Ziyang 641301, China）

Abstract:The pap er presents some problems of the torsional vibration of crankshaft train in the application of the 6280 locomotive diesel engine crankshaft to a marine diesel engine. Related analysis and calculation were carried out for these problems and a crankshaft design scheme was determined. A new crankshaft was designed for the 6280ZC/D marine engine. The calculation and test show that the newly designed crankshaft can meet the requirements of marine engine specification in both structure and performance, and meet the requirements of crankshaft train torsional vibration.

Key words:diesel engine, crankshaft, torsional vibration, calculation

作者簡介：張偉華（1977-），女，高級工程師，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)運(yùn)動件。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.01.009