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6缸280船用柴油機軸系扭振分析

張偉華，張紅學(xué)，楊雪莉

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

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

關(guān)鍵詞：船用柴油機曲軸扭振計算

來稿日期：2015-01-15

1　前言

我公司借鑒原有V型280ZC/D族船用柴油機的結(jié)構(gòu)特點，將6缸直列280機車用柴油機進行優(yōu)化設(shè)計后應(yīng)用到船用柴油機領(lǐng)域。主要設(shè)計原則之一就是，在保持280系列柴油機作功單元通用互換的同時，做到與6缸直列280ZJ機車柴油機主要零部件的統(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)計方案。在軸系設(shè)計與計算中發(fā)現(xiàn)：如果沿用6缸直列280機車柴油機的軸系于船機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。因此進行了6缸直列280ZC/D船機曲軸的設(shè)計，選配了合適的減振器，使整個軸系扭振達到了較好狀態(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機車用柴油機曲軸不能滿足船用發(fā)動機整體方案和船規(guī)的相應(yīng)要求，需要重新設(shè)計船用柴油機曲軸。為此，在基礎(chǔ)上280機車用柴油機曲軸的基礎(chǔ)上重新設(shè)計的6缸280ZC/D船用柴油機曲軸。

設(shè)計初期，對原有6缸280機車曲軸，按照整體方案和船用柴油機運用要求進行了以下計算，以檢驗所設(shè)計曲軸是否滿足各項要求：

1）軸承負荷計算；

2）曲軸疲勞強度計算；

3）平衡計算；

4）曲軸臂距差的計算；

5）扭振計算。

上述第1至第4項計算結(jié)果能滿足設(shè)計要求，但第5項扭振計算表明，柴油機處于正常工況時，軸系運行平穩(wěn)，在柴油機常用工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)無禁區(qū)安全運行；但當(dāng)柴油機處于1缸不發(fā)火工況時，扭轉(zhuǎn)振動較突出，電流有閃爍現(xiàn)象，應(yīng)避免在此工況下運行。由計算結(jié)果可知，在1缸不發(fā)火工況時，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，正好處于船機常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，參見圖1。雖然在實際正常應(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：除進行正常工況下的扭振計算外，還應(yīng)對1缸熄火進行扭振計算。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6缸280ZC/D船用柴油機曲軸。

圖1　原機第1缸不發(fā)火工況時自由端扭振曲線

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)計方案，設(shè)計了船機曲軸。設(shè)計時，根據(jù)西馬寧柯公式近似計算中高速柴油機曲軸關(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)對比計算，確定了自由端結(jié)構(gòu)尺寸，同時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。改進后的結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　6缸280ZC/D船用柴油機曲軸結(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算中高速柴油機曲軸各段的柔度E，計算剛度C = 1/E。由于只對自由端結(jié)構(gòu)進行改進，故只計算改進前后自由端軸段的柔度E和剛度C，其結(jié)果見表1。

表1　改進前后自由端軸段的剛度對比表

2.2.2選配減振器計算

對優(yōu)化設(shè)計的曲軸選配新型的減振器的軸系，重新進行了各項扭振計算。經(jīng)過計算分析，發(fā)現(xiàn)新設(shè)計的船用柴油機軸系的扭振性能與機車的相比，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算曲線分別見圖3、圖4和圖5。

表2　改進前后軸系扭振性能對比表

圖3　第1缸不發(fā)火工況時自由端扭振曲線

圖4　第4缸不發(fā)火工況時自由端扭振曲線

圖5　第6缸不發(fā)火工況時自由端扭振曲線

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

最終通過曲軸樣品試制，并裝于船用柴油機，然后進行試驗驗證，試驗結(jié)果表明，各項性能指標(biāo)均能滿足整機要求，達到了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

3　結(jié)束語

在設(shè)計研發(fā)過程中，嚴格按照整體方案和有關(guān)船規(guī)的要求進行設(shè)計，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)計方案要求，設(shè)計了6280ZC/D船機曲軸，選配了新型的減振器，使整個軸系扭振達到較好狀態(tài)。該曲軸的設(shè)計可以滿足不同船機用戶在功率輸出方面的個性化要求，且無論在結(jié)構(gòu)和性能上均能滿足船機規(guī)范要求，達到了整機軸系的扭振要求。

表3　改進后各缸不發(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，主要研究方向為柴油機運動件。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.01.009