《船舶柴油机》第六章 柴油机及推进轴系的振动（6.1）活塞、连杆的运动及其作用力

第六章柴油机及推进轴系的振动 QMC 船舶推进轴系产生: (1)扭转振动 (2)纵向振动 (3)回旋(横向)振动 振动危害: (1)机件磨损增加或损坏 (2)降低柴油机经济性和可靠性 (3)引起船体水平、垂向振动(对底脚螺栓、 贯穿螺栓影响大,对气缸盖影响小) (4)影响船员工作条件,损害船员健康

第六章 柴油机及推进轴系的振动 船舶推进轴系产生： （1）扭转振动 （2）纵向振动 （3）回旋(横向)振动 振动危害： （1）机件磨损增加或损坏 （2）降低柴油机经济性和可靠性 （3）引起船体水平、垂向振动（对底脚螺栓、 贯穿螺栓影响大，对气缸盖影响小） （4）影响船员工作条件，损害船员健康

第一节活塞、连杆的运动及其作用力w 活塞的运动 1活塞的位移 X=R(1-cosa)+L(1-cosB) RsinaLsinB 式中:a一曲轴转角;β一连杆摆角; λ=RL一连杆比,一般低速机为1/3-1/5 经简化,得:x≈R(1-cosa)+(1-cos2)λR/4 X=XtX x,=(1-coso)R x=(1-cos2a)AR/4

一 活塞的运动 1活塞的位移 x=R(1-cos)+L(1-cos) Rsin=Lsin 式中: －曲轴转角; β－连杆摆角; λ＝R/L－连杆比，一般低速机为1/3－1/5 经简化， 得：x≈R(1-cos)+(1-cos2)λR /4 x=x1 +x2 x1 = (1-cos) R x2 = (1-cos2)λR /4 第一节 活塞、连杆的运动及其作用力

Epee- a=0°时,x=0(即活塞在上止点) QMC a=180°时,x=2R=S(即活塞在下止点) AR a=90°或270°时,x=R+ 2 >R,即活塞不 在行程中央,而在a270°的某 位置时X=R

α=0°时,x=0(即活塞在上止点) α=180°时,x=2R=S(即活塞在下止点) α=90°或270°时,x=R+ ＞R ，即活塞不 在行程中央，而在α90°或 α270°的某一 位置时X＝R 2 R

Epee- 2活塞的速度 QMC X′≈ω*sina*R+(2)sin2a*AR/4 X =XTX X *sino米R X (2ω)sin2o*λR/4 =0°(上止点或=180°(下止点),x′=0, 最大速度x′m出现在a<90°的某一位置

2活塞的速度 X′≈ω*sin *R + (2ω)sin2 *λR /4 x′=x′1 +x′2 x′1 =ω*sin* R x′2 = (2ω)sin2 *λR /4 =0°(上止点)或=180°(下止点),x′ =0， 最大速度x′max出现在α＜90°的某一位置

EEpfe-T 3活塞的加速度 QMC X"≈ω2cosa*R+(2)2cos20*λR /4 X= x+x x"1=02cosa*R,是一次曲柄的向心加速 度在气缸中心线的投影 x"2(20)20os2o*入R/4,是二次曲柄 的向心加速度在气缸中心线的投影 a=0°时,x Rω2(1+λ),方向向下 max 最大 a=180°时,x"=-R2(1-λ),方向向上 a270°的某个位置x=0(此 时活塞速度最大)

3 活塞的加速度 X″≈ω2cos *R + (2ω) 2cos2 *λR /4 X″＝ x″1＋x″2 x″ 1 =ω2cos *R ，是一次曲柄的向心加速 度在气缸中心线的投影 x″2 = (2ω) 2cos2 *λR /4，是二次曲柄 的向心加速度在气缸中心线的投影 α=0°时, x″max=Rω2 (1+λ),方向向下， 最大 α=180°时, x″= -Rω2(1-λ)，方向向上 α＜90°或α＞270°的某个位置x″ =0(此 时活塞速度最大)

二、连杆的运动 EEpfe-T QMC 摆角β=sin-1(λsina) 摆动角速度β′=λ w comsec B 摆动角加速度B"=-(1-2)u2 sIna sec3B 由上述公式可知: 1)a=90°和270°时,连杆在气缸中心线两侧 的摆角β的绝对值达到最大值 2)α=0°和180°、β=0°时,连杆摆动角速度 β′最快,其数值相等,方向相反 3)a=90°和a=270°时,β″达到最大值

二、连杆的运动 摆角 β=sin-1(λsin) 摆动角速度 β′=λωcossecβ 摆动角加速度 β″=-λ(1-λ2)ω2·sin·sec3β 由上述公式可知: 1）α=90°和270°时, 连杆在气缸中心线两侧 的摆角β的绝对值达到最大值 2）α=0°和180°、β=0°时, 连杆摆动角速度 β′最快,其数值相等,方向相反 3）α=90°和α=270°时, β″达到最大值

曲柄连杆机构的气体力和惯性力 EEpfe-T 1.气体力F QMC 作用在燃烧室部件上,方向沿气缸中心线 向下,与柴油机工作过程和负荷有关,与运动 部件质量无关 2.曲柄连杆机构惯性力 1)类型及影响因素 (1)类型:@活塞组件往复运动所产生的往 复惯性力;②曲柄不平衡回转质量回转运动所 产生的回转惯性力(离心力);③连杆运动所 产生的惯性力(小端往复惯性力,大端离心惯 性力,杆身连杆力偶)

三、 曲柄连杆机构的气体力和惯性力 1.气体力Fg 作用在燃烧室部件上，方向沿气缸中心线 向下，与柴油机工作过程和负荷有关，与运动 部件质量无关 2.曲柄连杆机构惯性力 1）类型及影响因素 （1）类型： 活塞组件往复运动所产生的往 复惯性力；曲柄不平衡回转质量回转运动所 产生的回转惯性力（离心力）；连杆运动所 产生的惯性力（小端往复惯性力，大端离心惯 性力，杆身连杆力偶）

(2)影响因素:和运动件的质量及运动时的m 加速度有关,与n成正比,与负荷无关。 QMC 为防曲柄连杆机构惯性力过大而引起机件损 伤和机器强烈振动,柴油机不易超速运行 2)往复惯性力 F二mX=mw2os根m(2m)2cos(2a) R/4 (1)F与x方向相反,作用线与气缸中心 线平行 (2)F由F1和F12组成,为两个回转质量为 m/2,回转半径分别为R和入R4的由柄自上 止点起同步反向,分别以角速度0和20回转 产生的离心力的合力

（2）影响因素：和运动件的质量及运动时的 加速度有关，与ｎ2成正比，与负荷无关。 为防曲柄连杆机构惯性力过大而引起机件损 伤和机器强烈振动，柴油机不易超速运行 2）往复惯性力 Fj=-mjx ,,=-mjw 2cos*R-mj(2w)2cos（2） R/4 （1） Fj与x ,,方向相反，作用线与气缸中心 线平行 （2） Fj由Fj1和Fj2组成，为两个回转质量为 mj/2，回转半径分别为R和R/4的曲柄自上 止点起同步反向，分别以角速度和2回转 产生的离心力的合力

3)离心惯性力 EEpfe-T QMC 相反,永远是离心的。它 线重合,并随曲柄按角速 气体力F 惯性力F 合力P 120

3)离心惯性力 FR =-mR2 R 与向心加速度方向相反,永远是离心的。它 的作用线与曲柄中心线重合,并随曲柄按角速 度ω回转 0 o 60o 120o 180o 240o 300o 360o 气体力Fg 合力P 惯性力Fj P PN PT PT N T FR T 〃 T ＇ N PT ＇ PN ＇ P ＇ βα ω H F F b ML

四、曲柄连杆机构作用力分析 EEpfe-T 1合力F QMC FF+F;,作用在气缸中心线连杆小端处。 低速、增压柴油机连杆始终受压,四冲程中 高速机换气上止点附近连杆受拉伸。F分解合 成为:柴油机输岀转矩、倾覆力矩、作用在主 轴承上的力 2活塞销处的作用力 1)侧推力FN=Ftgβ,对主轴承产生倾覆力矩 M=F料H,作用在机体上 2)连杆推力F干F/cosβ 注:短连杆二者均增大

四、曲柄连杆机构作用力分析 1合力F F=Fg +Fj，作用在气缸中心线连杆小端处。 低速、增压柴油机连杆始终受压，四冲程中、 高速机换气上止点附近连杆受拉伸。F分解合 成为：柴油机输出转矩、倾覆力矩、作用在主 轴承上的力 2活塞销处的作用力 1）侧推力FＮ ＝Ftgβ，对主轴承产生倾覆力矩 Md=FN*H, 作用在机体上 2）连杆推力FL =F/cosβ 注：短连杆二者均增大