[发明专利]一种内燃机曲轴系统纵扭耦合刚度的计算方法

说明书

一种内燃机曲轴系统纵扭耦合刚度的计算方法，包括如下步骤：测量并记录内燃机曲轴系统相关参数；确定曲轴系统的轴承约束条件；建立纵扭耦合刚度分析模型；在目标曲柄主轴颈处施加单位扭矩，建立空间超静定系统平衡方程，并建立多余约束处的变形协调条件；得到将变形协调条件转变为求解未知多余约束力的补充方程；再联立系统平衡方程，求解出曲轴系统轴承处的支撑反力、目标曲柄固定端处的约束力及约束力矩；在目标曲柄主轴颈和相邻曲柄主轴颈分别施加单位轴向作用力，计算得到单位扭矩作用下的轴向位移柔度；最终求出耦合刚度。本发明方法计算内燃机曲轴系统纵扭耦合刚度精度高且易于工程实现。

技术领域

本发明属于振动工程领域，具体涉及一种内燃机曲轴系统纵扭耦合刚度的计算方法。

背景技术

轴系振动问题是内燃机的一种主要振动和危害来源，其振动形式是复杂的三维空间振动，包括扭转、纵向、弯曲振动及三种振动形式的耦合。近年来，具有低油耗、低转速、长冲程、高燃烧压力和高输出功率的柴油机被广泛使用。由于这种柴油机的冲程、曲柄长度大，导致其曲轴系统的扭转刚度和轴向刚度相对较低，但弯曲刚度却相对较大，从而使得整个船舶轴系的纵扭耦合振动问题更为突出。

Dorey在1939年最早揭示了曲轴系统中扭转振动引起轴向振动的耦合现象。但直到二十世纪六十年代，Dort等才对扭转-轴向耦合振动做了进一步的深入研究。通过对曲柄变形进行分析，在轴系自由振动方程中引入了耦合项，并通过大量的曲轴模型实验测出扭转-轴向变形影响系数，推导了扭转-轴向耦合自由振动的解法(Dort D V,Visser NJ.Crankshaft coupled free torsional-axial viarations of a ship’s propulsionsystem[J].International Shipbuilding Process,1963,10(169):333-350)。日本NK船级社的Homori等在Dort研究的基础上引入了有限元技术，使用MSC/NASTRAN建立单曲拐的有限元模型，计算出曲拐各部分独立的质量、转动惯量等参数，再通过分析空间曲拐梁的力与位移的关系，计算了三个影响因子，依此为基础计算出了内燃机轴系扭转、轴向和扭转-轴向耦合刚度，最后对整个轴系进行了自由振动、强迫振动和曲柄过渡圆角处的应力分析(Homori S,Kamata M,Sasaki Y.Comprehensive evaluation of the vibration andstrength of long-stroke diesel engine crank shaftings[J].19th InternationalCongress on Combustion Engines CIMAC,1991,D60:I-20)。MAN B&W公司的Jakobsen等首先运用有限元模型确定了半曲拐的刚度，然后用自由度缩聚法将单曲拐的刚度矩阵进行缩减，主节点选取在曲柄销中心和主轴颈中心位置，将这些缩聚矩阵拼装成系统的整体惯性，刚度，阻尼矩阵以及总外力列向量，然后应用状态空间法进行自由振动和强迫振动计算分析(Jakobsen S B.Coupling axial and torsional vibration calculations on long-stroke diesel engines[J].SNAME Transactions,1991,99():405-419)。1995年Kikuchi等针对日本Mitsubishi(三菱)重工的船用主机进行了扭转-轴向耦合振动的研究，将Jacobsen的研究又向前推进了一步。但是Jacobsen和Kikuchi的工作均采用通用的有限元程序进行计算，他们的论文中未给出具体计算模型的推导(Kikuchi A,Makuta H,Yoshihara S.Vibration analysis of a dies-el engine crankshaft systemconsidering coupling effects of torsional and axial modes[J].21stInternational Congress on Combustion Engines CIMAC,1995,D36:1-16)。