﻿ 船舶低速柴油机推进轴系单缸熄火扭振计算
 舰船科学技术  2022, Vol. 44 Issue (15): 100-104    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2022.15.020 PDF

1. 武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063;
2. 中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430060

Calculation of torsional vibration of single cylinder misfire in the propulsion shaft of a ship′s low speed diesel engine
LI Ming-yang1, JIN Yong1, SHAO Yong2, DONG Guan-hua2
1. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063 China;
2. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430060 China
Abstract: Aiming at the problem of single-cylinder flameout of marine diesel engine during sailing, the torsional vibration of the ship's propulsion shaft system under diesel engine single-cylinder flameout is considered using diesel engine as the excitation source. The related torsional vibration calculation theory is quoted, and the related influencing factors are analyzed. In this paper, the lumped parameter method is used to establish the equivalent model of the torsional vibration discrete system composed of the mass points of the inertial disk and the massless elastic shaft joints. Based on the VB.NET software development platform and Matlab software for mixed programming, the frequency domain steady-state torsion of the propulsion shaft system is carried out. Vibration calculation and research. According to the relevant calculation results, the impact of the single-cylinder flameout on the torsional vibration of the shaft system increases, but according to the requirements of the relevant ship regulations on the allowable stress, the shaft system can operate safely.
Key words: torsional vibration     single-cylinder flameout     propulsion shafting     frequency domain steady state     diesel engine
0 引　言

1）柴油机气缸因机械故障或其他原因导致停止供油，或因气缸密封不严,缸内温度过低无法使雾化的燃油燃烧而发生熄火现象。这时柴油机因工作需要继续运行，无法拆除气缸内的活塞、连杆等往复件，因柴油机工作过程中仍然有压缩、膨胀过程，活塞顶部仍要承受气体压力的作用。

2）拆除掉无法工作的气缸往复件。这种情况是主机出现拉缸等重大机械故障后但又必须继续运转主机，保障船舶正常运行。

1 单缸熄火扭振激励分析

1）根据有关权威机构如英国劳氏船级社、日本船级社、中国船级社等提供的简谐系数通用曲线或相关经验公式确定。我国船舶检验局推荐的计算各次切向力简谐系数的经验公式为：

 $T_{\rho v}=a_{v} P_{1}+b_{v} 。$ (1)

 $P_i=19.1\times 10^3\frac{m_sN_e}{ZD^2Rn_e}\left[\frac{1-\eta_m}{\eta_m}+\left(\frac{n}{n_e}\right)^2 \right]。$ (2)

2）根据柴油机实测示功图作简谐分析后求得。随着测量技术水平的提高，测量仪器可以把测得的气体压力在极短的时间内转换为数字信号，再通过计算机计算后可直接得到柴油机各次简谐系数。由于不同的柴油机型号和多种因素的影响，不同柴油机的径向力简谐系数和相应的平均指示压力有所不同。这种方法在实船运行中得到广泛的应用。

3）根据柴油机实际运行测得（或计算的）工作过程特性参数配制示功图，再进行简谐分析求得各次简谐系数。从目前应用情况来看，这种方法并不太成熟。

 $T_{g v}^{*}=a_{v} p_{i}+b_{v}=b_{v},$ (3)

 $p_{i}^{*}=\frac{z}{Z-1} p_{i} 。$ (4)

 $C_{T v}=\sqrt{\left(T_{g v s}+d_{T v}+T_{w v}\right)^{2}+T_{g v c}^{2}} ,$ (5-1)
 $C_{N v}=\sqrt{N_{g v s}^{2}+\left(N_{g v c}+d_{N v}+N_{w v}\right)^{2}}。$ (5-2)

2 单缸熄火推进轴系扭振建模与分析

 图 1 轴系扭振当量模型图 Fig. 1 Torsional vibration equivalent model diagram of shafting

 图 2 第1阶次振型图 Fig. 2 The first-order mode shape diagram

 图 3 第2阶次振型图 Fig. 3 The second-order mode shape diagram

 图 6 第2质量点（曲轴）应力图（正常发火） Fig. 6 Stress diagram of the 2nd mass point (crankshaft) (normal fire)

 图 7 第4质量点（曲轴）应力图（单缸熄火） Fig. 7 Stress diagram of the 4th mass point (crankshaft) (single cylinder flameout)

 图 8 第4质量点（曲轴）应力图（正常发火） Fig. 8 Stress diagram of the 4th mass point (crankshaft) (normal fire)

 图 9 第11质量点（中间轴）应力图（单缸熄火） Fig. 9 Stress diagram of the 11th mass point (intermediate shaft) (single cylinder flameout)

 图 10 第11质量点（中间轴）应力图（正常发火） Fig. 10 Stress diagram of the 11th mass point (crankshaft) (normal fire)

 图 11 第12质量点（尾轴）应力图（单缸熄火） Fig. 11 Stress diagram of the 12th mass point (tail shaft) (single cylinder flameout)

 图 12 第12质量点（尾轴）应力图（正常发火） Fig. 12 Stress diagram of the 12th mass point (crankshaft) (normal fire)

 图 4 第3阶次振型图 Fig. 4 The third-order mode shape diagram

 图 5 第2质量点（曲轴）应力图（单缸熄火） Fig. 5 Stress diagram of the 2nd mass point (crankshaft) (single cylinder flameout)
3 结　语

1）采用集总参数法对该推进轴系进行相应简化与建模，建立了轴系当量模型，对柴油机单缸熄火情况下推进轴系进行频域稳态扭振进行理论分析与计算。

2）柴油机作为推进轴系的激励源，当柴油机发生单缸熄火时，柴油机的简谐系数减小，激励力矩也发生改变，改变了推进轴系的应力峰值转速区间，在船舶日常运行时要注意柴油机转速区间的设置。

3）单缸熄火条件下的扭振，该船的推进轴系的应力值符合船舶轴系扭振许用应力规定，轴系可以安全运转。

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