一、振動的來由
當柴油機以恒定轉速運轉時,活塞做往復運動,連桿小端隨活塞做往復運動,桿身繞活塞銷或十字頭銷擺動,曲軸基本為勻速回轉運動,曲柄連桿機構這種復雜運動,必然要產生周期性變化的不平衡力和力矩。除了會影響活塞、連桿和曲軸的強度,也影響連桿小端和大端的負荷、潤滑和磨損,同時還會使柴油機發(fā)生振動并引起船體振動,甚至導致柴油機或船體發(fā)生故障或損壞。
曲柄連桿機構的作用力的基本來源有兩個方面:一方面是氣體壓力;另一方面是由運動部件的運轉而產生的慣性力,包括往復慣性力和回轉慣性力以及連桿力偶。側推力、切向力、法向力等都是在忽略了部分部件重量及摩擦力等因素的情況下,在以上力源的作用下所引起的。發(fā)動機氣缸內的氣體壓力向上作用在氣缸蓋上,通過氣缸蓋螺釘將力傳到機身,有使柴油機向上跳動的趨勢,另一方面,氣體壓力又作用于活塞頂上,通過連桿、曲柄傳到主軸承上,最后同樣到達機身,使柴油機有向下的趨勢,兩力正好相互抵消,使柴油機保持不動,所以氣體力不產生對外的作用效應,由于氣體力在氣缸套上產生側推力,在主軸承處分解成一側向力,其大小等于側推力,但方向相反,使柴油機有傾倒的趨勢。柴油機的往復慣性力最終將通過主軸承使柴油機產生上下跳動的效應。同時,往復慣性力也將產生顛覆力矩,使柴油機有傾倒的趨勢。柴油機的離心慣性力將使柴油機形成上下左右跳動的作用力,而連桿力偶則是使柴油機左右搖擺的力矩。以上幾種作用力或力矩都是周期性的發(fā)生變化的,因此當柴油機運轉時,這些周期性變化的力或力矩將使柴油機產生周期性的跳動或擺動,這是柴油機引起振動的根源。
對于多缸柴油機,其合成離心慣性力、合成往復慣性力、總連桿力偶可以互相抵消,對柴油機振動的影響可以忽略;而合成離心慣性力矩(各缸曲柄離心慣性力對多缸機重心力矩之合成力矩)使柴油機縱向產生上下、左右方向的振動,合成往復慣性力矩(各缸往復慣性力對多缸機重心的力矩之和,分為一次為往復慣性力矩和二次往復慣性力矩)使柴油機在縱向平面內上下擺動,總傾覆力矩(曲軸輸出扭矩的反作用力矩)引起多缸柴油機的橫向振動,并通過基座作用到船體,激發(fā)船體振動。
二、柴油機振動的危害
柴油機振動的危害概括有:
1、影響可靠性和耐久性,破壞結構強度,特別是各種連接處,如焊縫、鉚接等;損壞各種機械設備,特別是它們和固定構件的連接處,如機座支腳,管路支架,軸承連接螺栓等;損壞各種機械零件,如軸和軸承,裝配部件氣密性的喪失等;縮短電氣元件的使用壽命。
2、降低動力性和經濟性。振動消耗能量,而且改變了柴油機的最佳準時,導致柴油機的動力性和經濟性下降。
3、引起結構噪聲。機型設備的振動會傳給基礎并引發(fā)它們的振動,同時使相鄰的空氣發(fā)生振動,產生結構噪聲或固體噪聲。
4、破壞了儀器儀表的正常工作條件,降低了測量精度;破壞很多自動控制設備的正常工作或造成控制設備失靈。
5、惡化了操作管理人員的工作條件,使人易疲勞注意力減弱,引發(fā)事故,長久下去將造成操作管理人員生理疾病。
三、隔振原理及方法
設備與基礎(或稱基座)之間通過具有較大彈性的隔振元件(如鋼絲繩隔振器)支撐,而非剛性相連,則設備、基礎與具有較大彈性的隔振元件所組成的系統(tǒng)就稱為隔振系統(tǒng)。分為主動隔振或積極隔振(減小振動系統(tǒng)對外界的影響,如動力機器、回轉機械、鍛沖壓設備的隔振)和被動隔振或消極隔振(減小外界振源對設備的影響,如電子儀表、貴重設備、精密儀器等的隔振)兩種。一般來說,主動隔振是在亞音頻(3-30Hz)到音頻(30-1000Hz)這一頻率范圍內,而被動隔振通常在亞音頻(3-30Hz)范圍內。他們的隔振方法是一樣的,即在物體和基座間裝設隔振器作為彈性支承來實現(xiàn)的。彈性支承的主要作用在于:它具有一定剛度,因此在振動時有一和振動位移成正比的恢復力;它又有一定阻尼,因此在振動時又有一和振動速度成正比的阻尼力。在主動隔振中可使作用到基座上的這兩種力的矢量和,也就是傳遞到基座上的傳遞力變得很小,而周期性的擾動力則由物體振動時的慣性力部分或絕大部分地抵消,從而達到隔振目的。而在被動隔振中,良好的設計可使大部分的基座振動都被彈性支承吸收,物體則能憑借其慣性維持基本不動。
單層隔振系統(tǒng)就是設備與基座之間只有一層隔振元件的隔振系統(tǒng)。雙層隔振系統(tǒng)與單層隔振系統(tǒng)的主要區(qū)別是,采用兩層隔振器,并在兩層隔振器之間插入一個中間質量塊。當系統(tǒng)運動時,中間質量塊的慣性力能平衡掉一部分由上層隔振器傳來的力,從而使被隔振設備與基座之間的力傳遞率減小。對一個隔振系統(tǒng)來說有這么幾個基本要求:系統(tǒng)的固有頻率要低,共振時的傳遞率要小,越過共振區(qū)后傳遞率曲線應陡峭的下降。按照這些要求來考察單層隔振系統(tǒng)就會發(fā)現(xiàn)很多不足。大量試驗研究指出,單層隔振系統(tǒng)裝置僅對低頻域隔振(即一般機械的常用轉速范圍,小于50Hz)十分有效,而對于100Hz以上的高頻域振動干擾(極大部分的機構噪聲都是高頻范圍),隔振效果不理想,此時就要用雙層隔振。其原因在于:在影響隔振效果的諸多因素中,機組和基礎的非剛性影響是最主要的。實際的機械、設備和支承它的托架、底盤不可能是理想的剛體質塊,在高頻下不可避免的要出現(xiàn)很多結構響應共振波峰,并且由于金屬結構的內部阻尼很小,導致了這些波峰都很陡峭高聳。
一般動力機械或機組在進行隔振時,根據(jù)具體情況及機構特點,可分為局部隔振和整體隔振。所謂局部隔振是指在整個機組系統(tǒng)中,只有一部分(通常是原動機)進行隔振,其他部分仍然固定。這種隔振缺點較多,僅用于從動機位置精度要求很高或重量、體積很大不宜安裝彈性支承的情況。整體隔振指原動機和從動機一起剛性的安裝在一個剛性很強的公共底座上,以使整套機組形成一個剛體,然后再將剛體安裝在彈性支承上進行隔振。它的優(yōu)點:
(1)由于加設了公共底座,整個機組作為一個整體,剛性、質量大為增加,這對隔振來說是有利的,非但可以提高隔振效率,而且機組本身的振動也減小了。
?。?)由于整個機組是剛性地連接在一起,沒有相對移動,因此彈性支承兩側的隔振器的載荷是均勻的。
(3)由于公共底座的剛性很大,因此能避免基座對機組運轉的影響(如軸線走中)。
值得提出的是,對于已隔振的機械、設備,一定要保證它能自由的振動。因此凡是和外界相聯(lián)系的所有的管路(油、氣、水等,排氣管用金屬波紋管)、電纜、聯(lián)軸節(jié)、傳動軸等一定要做成繞性的,以避免振動短路,破壞隔振效果。在隔振裝置中這種“振橋”常是產生局部應力集中,疲勞破壞的最薄弱環(huán)節(jié),必須力求避免。