一、振动的来由
当柴油机以恒定转速运转时,活塞做往复运动,连杆小端随活塞做往复运动,杆身绕活塞销或十字头销摆动,曲轴基本为匀速回转运动,曲柄连杆机构这种复杂运动,必然要产生周期性变化的不平衡力和力矩。除了会影响活塞、连杆和曲轴的强度,也影响连杆小端和大端的负荷、润滑和磨损,同时还会使柴油机发生振动并引起船体振动,甚至导致柴油机或船体发生故障或损坏。
曲柄连杆机构的作用力的基本来源有两个方面:一方面是气体压力;另一方面是由运动部件的运转而产生的惯性力,包括往复惯性力和回转惯性力以及连杆力偶。侧推力、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况下,在以上力源的作用下所引起的。发动机气缸内的气体压力向上作用在气缸盖上,通过气缸盖螺钉将力传到机身,有使柴油机向上跳动的趋势,另一方面,气体压力又作用于活塞顶上,通过连杆、曲柄传到主轴承上,最后同样到达机身,使柴油机有向下的趋势,两力正好相互抵消,使柴油机保持不动,所以气体力不产生对外的作用效应,由于气体力在气缸套上产生侧推力,在主轴承处分解成一侧向力,其大小等于侧推力,但方向相反,使柴油机有倾倒的趋势。柴油机的往复惯性力最终将通过主轴承使柴油机产生上下跳动的效应。同时,往复惯性力也将产生颠覆力矩,使柴油机有倾倒的趋势。柴油机的离心惯性力将使柴油机形成上下左右跳动的作用力,而连杆力偶则是使柴油机左右摇摆的力矩。以上几种作用力或力矩都是周期性的发生变化的,因此当柴油机运转时,这些周期性变化的力或力矩将使柴油机产生周期性的跳动或摆动,这是柴油机引起振动的根源。
对于多缸柴油机,其合成离心惯性力、合成往复惯性力、总连杆力偶可以互相抵消,对柴油机振动的影响可以忽略;而合成离心惯性力矩(各缸曲柄离心惯性力对多缸机重心力矩之合成力矩)使柴油机纵向产生上下、左右方向的振动,合成往复惯性力矩(各缸往复惯性力对多缸机重心的力矩之和,分为一次为往复惯性力矩和二次往复惯性力矩)使柴油机在纵向平面内上下摆动,总倾覆力矩(曲轴输出扭矩的反作用力矩)引起多缸柴油机的横向振动,并通过基座作用到船体,激发船体振动。
二、柴油机振动的危害
柴油机振动的危害概括有:
1、影响可靠性和耐久性,破坏结构强度,特别是各种连接处,如焊缝、铆接等;损坏各种机械设备,特别是它们和固定构件的连接处,如机座支脚,管路支架,轴承连接螺栓等;损坏各种机械零件,如轴和轴承,装配部件气密性的丧失等;缩短电气元件的使用寿命。
2、降低动力性和经济性。振动消耗能量,而且改变了柴油机的最佳准时,导致柴油机的动力性和经济性下降。
3、引起结构噪声。机型设备的振动会传给基础并引发它们的振动,同时使相邻的空气发生振动,产生结构噪声或固体噪声。
4、破坏了仪器仪表的正常工作条件,降低了测量精度;破坏很多自动控制设备的正常工作或造成控制设备失灵。
5、恶化了操作管理人员的工作条件,使人易疲劳注意力减弱,引发事故,长久下去将造成操作管理人员生理疾病。
三、隔振原理及方法
设备与基础(或称基座)之间通过具有较大弹性的隔振元件(如钢丝绳隔振器)支撑,而非刚性相连,则设备、基础与具有较大弹性的隔振元件所组成的系统就称为隔振系统。分为主动隔振或积极隔振(减小振动系统对外界的影响,如动力机器、回转机械、锻冲压设备的隔振)和被动隔振或消极隔振(减小外界振源对设备的影响,如电子仪表、贵重设备、精密仪器等的隔振)两种。一般来说,主动隔振是在亚音频(3-30Hz)到音频(30-1000Hz)这一频率范围内,而被动隔振通常在亚音频(3-30Hz)范围内。他们的隔振方法是一样的,即在物体和基座间装设隔振器作为弹性支承来实现的。弹性支承的主要作用在于:它具有一定刚度,因此在振动时有一和振动位移成正比的恢复力;它又有一定阻尼,因此在振动时又有一和振动速度成正比的阻尼力。在主动隔振中可使作用到基座上的这两种力的矢量和,也就是传递到基座上的传递力变得很小,而周期性的扰动力则由物体振动时的惯性力部分或绝大部分地抵消,从而达到隔振目的。而在被动隔振中,良好的设计可使大部分的基座振动都被弹性支承吸收,物体则能凭借其惯性维持基本不动。
单层隔振系统就是设备与基座之间只有一层隔振元件的隔振系统。双层隔振系统与单层隔振系统的主要区别是,采用两层隔振器,并在两层隔振器之间插入一个中间质量块。当系统运动时,中间质量块的惯性力能平衡掉一部分由上层隔振器传来的力,从而使被隔振设备与基座之间的力传递率减小。对一个隔振系统来说有这么几个基本要求:系统的固有频率要低,共振时的传递率要小,越过共振区后传递率曲线应陡峭的下降。按照这些要求来考察单层隔振系统就会发现很多不足。大量试验研究指出,单层隔振系统装置仅对低频域隔振(即一般机械的常用转速范围,小于50Hz)十分有效,而对于100Hz以上的高频域振动干扰(极大部分的机构噪声都是高频范围),隔振效果不理想,此时就要用双层隔振。其原因在于:在影响隔振效果的诸多因素中,机组和基础的非刚性影响是最主要的。实际的机械、设备和支承它的托架、底盘不可能是理想的刚体质块,在高频下不可避免的要出现很多结构响应共振波峰,并且由于金属结构的内部阻尼很小,导致了这些波峰都很陡峭高耸。
一般动力机械或机组在进行隔振时,根据具体情况及机构特点,可分为局部隔振和整体隔振。所谓局部隔振是指在整个机组系统中,只有一部分(通常是原动机)进行隔振,其他部分仍然固定。这种隔振缺点较多,仅用于从动机位置精度要求很高或重量、体积很大不宜安装弹性支承的情况。整体隔振指原动机和从动机一起刚性的安装在一个刚性很强的公共底座上,以使整套机组形成一个刚体,然后再将刚体安装在弹性支承上进行隔振。它的优点:
(1)由于加设了公共底座,整个机组作为一个整体,刚性、质量大为增加,这对隔振来说是有利的,非但可以提高隔振效率,而且机组本身的振动也减小了。
(2)由于整个机组是刚性地连接在一起,没有相对移动,因此弹性支承两侧的隔振器的载荷是均匀的。
(3)由于公共底座的刚性很大,因此能避免基座对机组运转的影响(如轴线走中)。
值得提出的是,对于已隔振的机械、设备,一定要保证它能自由的振动。因此凡是和外界相联系的所有的管路(油、气、水等,排气管用金属波纹管)、电缆、联轴节、传动轴等一定要做成绕性的,以避免振动短路,破坏隔振效果。在隔振装置中这种“振桥”常是产生局部应力集中,疲劳破坏的最薄弱环节,必须力求避免。