6缸280船用柴油机轴系扭振分析



6缸280船用柴油机轴系扭振分析

张伟华，张红学，杨雪莉

（南车玉柴四川发动机股份有限公司技术中心，资阳641301）

摘要介绍了将6缸280机车柴油机曲轴应用到船舶领域后轴系扭振出现的一些问题，并为之进行了相关的分析、计算，最终确定了设计方案。重新设计的6缸280ZC/D船机曲轴无论在结构和性能上均能满足船机规范要求，达到了整机轴系扭振的要求。

关键词：船用柴油机曲轴扭振计算

来稿日期：2015-01-15

1　前言

我公司借鉴原有V型280ZC/D族船用柴油机的结构特点，将6缸直列280机车用柴油机进行优化设计后应用到船用柴油机领域。主要设计原则之一就是，在保持280系列柴油机作功单元通用互换的同时，做到与6缸直列280ZJ机车柴油机主要零部件的统一。曲轴是关键零部件之一，并且要兼顾80%标定功率PTO自由端输出的设计方案。在轴系设计与计算中发现：如果沿用6缸直列280机车柴油机的轴系于船机上则会存在一些问题，并且不能兼顾到80%标定功率PTO自由端输出。因此进行了6缸直列280ZC/D船机曲轴的设计，选配了合适的减振器，使整个轴系扭振达到了较好状态，满足了整体和CCS船规要求。

2　问题的分析与解决方案

2.1问题的提出

原有的6缸280机车用柴油机曲轴不能满足船用发动机整体方案和船规的相应要求，需要重新设计船用柴油机曲轴。为此，在基础上280机车用柴油机曲轴的基础上重新设计的6缸280ZC/D船用柴油机曲轴。

设计初期，对原有6缸280机车曲轴，按照整体方案和船用柴油机运用要求进行了以下计算，以检验所设计曲轴是否满足各项要求：

1）轴承负荷计算；

2）曲轴疲劳强度计算；

3）平衡计算；

4）曲轴臂距差的计算；

5）扭振计算。

上述第1至第4项计算结果能满足设计要求，但第5项扭振计算表明，柴油机处于正常工况时，轴系运行平稳，在柴油机常用工作转速范围内能够实现无禁区安全运行；但当柴油机处于1缸不发火工况时，扭转振动较突出，电流有闪烁现象，应避免在此工况下运行。由计算结果可知，在1缸不发火工况时，轴系自由端角振幅已经超过4毅，并且波峰出现在900 r/min ~1 000 r/min，正好处于船机常用转速范围内，参见图1。虽然在实际正常应用中一般不会有1缸不发火情况，但是不排除有该特殊情况出现；并且船规对此有相应的规定：除进行正常工况下的扭振计算外，还应对1缸熄火进行扭振计算。按照船规要求，还必须兼顾80%标定功率PTO自由端输出，故必须重新设计6缸280ZC/D船用柴油机曲轴。

图1　原机第1缸不发火工况时自由端扭振曲线

2.2解决方案

为了改善轴系的扭振性能，并兼顾80%标定功率PTO自由端输出的设计方案，设计了船机曲轴。设计时，根据西马宁柯公式近似计算中高速柴油机曲轴关于刚度的公式，通过改变自由端局部尺寸来加大扭转刚度，以满足上述要求。经过反复对比计算，确定了自由端结构尺寸，同时自由端安装新型减振器，并对自由端联接法兰及泵传动齿轮的结构作了相应改进。改进后的结构见图2。

图2　6缸280ZC/D船用柴油机曲轴结构

2.2.1曲轴自由端刚度对比

根据西马宁柯公式近似计算中高速柴油机曲轴各段的柔度E，计算刚度C = 1/E。由于只对自由端结构进行改进，故只计算改进前后自由端轴段的柔度E和刚度C，其结果见表1。

表1　改进前后自由端轴段的刚度对比表

2.2.2选配减振器计算

对优化设计的曲轴选配新型的减振器的轴系，重新进行了各项扭振计算。经过计算分析，发现新设计的船用柴油机轴系的扭振性能与机车的相比，有显著的改善，并且完全能够满足80%标定功率PTO自由端输出的要求。具体参数对比见表2。

通过计算不同缸不发火工况的轴系扭振可知，在第1缸不发火工况下，新设计的轴系自由端的角振幅最大，其值为0.65毅，但仍然完全满足轴系整体设计要求。各缸不发火工况下，轴系自由端的角振幅数据见表3。由表3可知，整个轴系扭振状况中，最恶劣的情况出现在第1缸不发火工况（靠近输出端侧为第1缸）。第1、3、6缸不发火工况下，轴系自由端的角振幅计算曲线分别见图3、图4和图5。

表2　改进前后轴系扭振性能对比表

图3　第1缸不发火工况时自由端扭振曲线

图4　第4缸不发火工况时自由端扭振曲线

图5　第6缸不发火工况时自由端扭振曲线

由柴油机扭振计算可知，配置新型减振器的动力装置系统，在柴油机处于正常发火工况时和1缸不发火的工况时，轴系运行平稳；在柴油机的常用工作转速范围内，柴油机能够实现无禁区安全运行。综上所述，新设计的曲轴在结构和性能上都达到了预期的整机轴系扭振要求，能够满足船机规范。

最终通过曲轴样品试制，并装于船用柴油机，然后进行试验验证，试验结果表明，各项性能指标均能满足整机要求，达到了预期设计目标。

3　结束语

在设计研发过程中，严格按照整体方案和有关船规的要求进行设计，充分考虑1缸不发火工况，并且兼顾80%标定功率PTO自由端输出的设计方案要求，设计了6280ZC/D船机曲轴，选配了新型的减振器，使整个轴系扭振达到较好状态。该曲轴的设计可以满足不同船机用户在功率输出方面的个性化要求，且无论在结构和性能上均能满足船机规范要求，达到了整机轴系的扭振要求。

表3　改进后各缸不发火工况下轴系自由端角振幅对比表

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

作者简介：张伟华（1977-），女，高级工程师，主要研究方向为柴油机运动件。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.01.009