船用柴油機在臺架試驗中振動分析與減振優化

張文春，段樹林，張 宇

（1.大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026；2.大連船用柴油機有限公司，遼寧 大連 116021）

船用柴油機在臺架試驗中振動分析與減振優化

張文春1，段樹林1，張 宇2

（1.大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026；2.大連船用柴油機有限公司，遼寧 大連 116021）

隨著船用低速二沖程柴油機往大功率、輕量化方向發展，長沖程、超長沖程少缸數的機型橫振問題逐漸暴露出來，而在臺架試驗中該問題尤為突出。針對5S60 ME_C船用柴油機在臺架試驗中出現的振動超標問題，在柔性多體動力學基礎上計算出結構固定件受到的瞬態荷載，利用有限元方法建立模型進行動力學求解，對比試驗數據得到準確的分析模型，并在此基礎上對臺架試驗的基礎座進行了優化設計。結果表明，柴油機在第2階H型模態下發生橫向共振，通過增加斜向支架能夠避免柴油機在指定的測試工況下發生共振。

振動與波；船用柴油機；機架振動；臺架試驗；有限元；減振

船用低速柴油機功率高、重量大、結構復雜，對生產和裝配工藝要求很高，臺架試驗可以檢驗柴油機的性能指標和建造質量是否達標。MAN B&W 5 S60 ME_C柴油機由于工作沖程長，平衡性能本已較差，機架容易發生橫振。嚴重的橫振不僅使柴油機產生故障，工作環境惡劣，而且作為船舶的振源之一，可能引起船體水平振動、搖動和扭轉振動。臺架試驗中，柴油機的連接剛度相比實船條件更小，5S60 ME_C實際使用中存在的橫振問題在此情況下更為凸出，出廠測試中可能出現橫向振動過大的狀況，導致機器無法按時交付。

本文以5S60 ME_C為研究對象，對臺架試驗系統的結構和荷載進行了合理的簡化，求解柴油機的動力學特性和動態響應，針對試驗中機架橫振問題提出了有效的優化方案。

1 結構和荷載

臺架試驗由三部分組成，柴油機、基礎座和水力測功機，如圖1，地基為鋼筋混泥土，沿廠房的長度方向澆注，在長度和寬度方向均大于5S60 ME_C相應的尺度；基礎座支撐柴油機，使其與地基之間保留人員操作的必要空間；水力測功器位于柴油機的輸出端，通過法蘭與柴油機相連。

圖1 MAN B&W 5S60 ME_C臺架試驗布置圖

本文主要分析5S60 ME_C機體振動，柴油機的結構復雜，與基礎座、地基的連接點較多，機體振動主要由曲柄連桿機構運動引發。分析中對與相關結構作以下簡化：

(1)廠房地基的質量和剛度都較大，認為是剛性體；

(2)曲柄連桿機構向機體傳遞荷載，對固定件剛度影響較小，將其簡化為一系列外力；

(3)水力測功器通過曲軸與柴油機連接，可看作外界；

(4)部件之間的連接簡化成線性彈簧，即柴油機與基礎座連接彈簧、基礎座與地基連接彈簧。

采用有限元方法分析5S60 ME_C機體的振動。固定件受到的荷載主要是曲柄連桿機構運動傳遞的力，包括滑塊側推力、曲軸軸承力以及氣體力。柴油機廠商提供了5S60 ME_C柴油機各工況的曲柄受力參數[1]，利用柔性多體動力學(flex_MBD)分析方法[2-4]，把剛度較小的曲軸進行柔性化處理，可間接獲得柴油機固定件受力的精確結果。

flex_MBD是目前理論研究和應用力學領域廣泛應用的數值計算方法，基于拉格朗日的動力學方程如下

由表7可知，百香果汁的最佳添加量為4%。因為百香果汁含量過低時，不能充分體現出百香果的清香氣味；含量過高時，原料乳初始pH值偏小，在發酵尚未完全就已到達蛋白質的等電點，過早凝乳，乳清析出較多[11]。

5S60 ME_C氣缸發火順序為1-4-3-2-5，不同氣缸的氣體力和側推力變化規律相近，僅按發火順序相差一個相位角。flex_MBD方法計算不同工況時機體荷載曲線如圖2：(a)為氣體力，(b)為側推力；6個主軸承荷載規律不同，圖2(c)、(d)列出了載荷最大的5號和6號軸承的載荷曲線。flex_MBD方法得到的瞬態結果相比于理論計算結果，擁有更多的高頻成分，這是柔性體的彈性運動產生的?？紤]運動件的彈性運動使動態荷載更貼近實際情況。

圖2 運動件傳遞的荷載

氣體力施加在氣缸蓋上，側推力作用在滑塊對應導板的對稱中心[5]，主軸承荷載作用在軸承幾何中心。

根據文獻[6]對螺栓連接的處理方法，柴油機與基礎座之間的連接可以等效成彈簧。連接部位在運動過程中始終保持接觸，沒有出現分離，且一直處于受壓狀態，為了簡化對問題的求解，一般認為彈簧的行為是線性的。研究5S60 ME_C柴油機臺架試驗振動問題時，連接等效成線性彈簧，彈簧的剛度利用理論計算與FE接觸算法[6-8]相結合得到。在ANSYS中建立接觸結構模型，將螺栓等效為局部外力荷載，利用非線性有限元分析得到墊塊連接的等效剛度，參數如表1。ANSYS具體分析過程參見文獻[9]。

表1 接觸結構等效剛度N/m

2 臺架試驗和測量

5S60 ME_C的體積和質量很大，無法用測試小型構件的模態試驗方法獲得其模態頻率，因此可依據機體發生共振的轉速分析得到機體的固有頻率。臺架試驗使用日本的VA-10振動測試分析系統，測量機體在空間坐標系中三個平動方向的振動。選取圖1所示的1、2兩個測點結果分析柴油機固有頻率，分別測量25%、50%、75%、90%和100%五個指定工況，測點振動速度如表2，75%工況橫向振動速度為43 mm/s，超過標準要求的40 mm/s。

機體受到的Y、Z方向動態荷載通過自身平衡，X方向荷載的等效力矩與輸出扭矩平衡，機體主要受橫向的側推力及其產生的不平衡力矩作用。由于X方向是外部荷載的主要作用方向，因此該方向的振動速度相比其它兩個方向均更大。在75%工況時X方向的響應達到峰值，呈現出共振趨勢，可認為此時的激振頻率與機體的固有頻率相同。文獻[5]計算結果顯示，5S60 ME_C受到5諧次的激振力較大，根據經驗判斷認為機體在該力的作用下產生共振，固有頻率與激振力頻率相同，即6.74 Hz。

3 5 S 60 ME_C臺架試驗仿真

依據上文對結構簡化方法，利用計算軟件ANSYS建立臺架試驗有限元模型。機體結構采用殼單元劃分，基礎座采用殼、實體混合單元劃分，3D殼單元35 478個，實體單元47 578個，彈簧單元126個。約束與基礎座連接的地面節點，在荷載等效位置施加圖3所示的三組荷載。柴油機的材料屬性及質量屬性都與臺架試驗狀況一致。

圖3 等效動態荷載作用位置

分析有限元模型，仿真臺架試驗過程。模態分析、諧響應分析是分析結構動力特性的重要手段，模態振型分布可以反映其自振特性，簡諧激勵作用下的響應能夠獲知在各階模態頻率下的響應大??；瞬態分析確定結構在瞬態荷載作用下的響應。

模態分析結果如表2，前兩階模態與臺架試驗結果相近，它們的模態振型如圖4；其它階的頻率均較高，產生共振的可能性較小。第1階為縱向振動，第2階為橫向振動。5缸低速機容易發生H型共振，即對應第2階模態，本文研究的5S60 ME_C很可能在該階模態下發生共振。

在側推力簡化節點上施加6 Hz～10 Hz的X方向、大小為1.5×106N諧激勵進行諧響應分析，獲取測點的在X方向的響應。計算結果如圖5，在第1階模態的響應值較小，而在第2階模態的響應較大，出現了明顯的共振現象。這一現象驗證了前文的猜想，第2階振型是5S60 ME_C的主振型。

表2 5S60 ME_C測量參數

圖4 第1和2階模態振型

圖5 諧響應

計算有限元模型在5個指定工況下的結構響應，仿真結果與臺架試驗測量值對比如圖6。計算結果的變化規律與測量結果相近。

圖6 仿真計算結果與測量結果對比

通過對比ANSYS仿真計算與臺架試驗結果可以判定，5S60 ME_C在臺架試驗中機體主要是在第2階模態頻率發生共振。仿真計算模型與實際狀況相近，該模型能夠準確反映柴油機在臺架試驗中的振動特性。

4 臺架試驗減振優化

臺架試驗時，廠方盡量避免在指定工況轉速下發生共振。在無法改變柴油機結構的前提下，只能通過增加連接螺栓預緊力或者改進支撐結構的方法避免柴油機共振。根據現場經驗，前一種方法能夠調整的共振轉速較小，無法從根本上解決問題。因此，改進支撐結構是避免共振的主要優化方向。

5S60 ME_C臺架試驗主要是橫向振動，根據現場條件，在基礎座外側增加支撐桿是比較可行的方案，能在原有設備上改進，安裝工藝簡便易行。

具體改進方法如圖7，在基礎座沿地基導軌的垂直截面上增加斜向支撐的工字鋼，加強橫向的支撐剛度。工字鋼均采用同一型號，可選0100、0125、0151、0175、0200、0250六種型號；支撐的數目也不同，圖7種分為四種布置方式：方案1—單側5個支撐；方案2—雙側10個支撐；方案3—單側9個支撐；方案4—雙側18個支撐。分別建立4種改進方案的有限元模型，對比工字鋼不同時模態分析結果，分析第2階模態振型和頻率的變化規律。

表2 計算模態頻率

圖7 斜向支撐改進方案

各方案的計算結果顯示，增加斜向支撐之后，機體的振型不發生變化。支撐結構與共振轉速增量的關系如圖8，隨著工字鋼軸向橫截面積增大，共振轉速增加；支撐數目增加也能有效的提高共振轉速。斜向支撐主要增加橫向剛度，使整體的第2階模態（橫向振型）頻率升高，對第1階模態頻率影響不大。

圖8 斜向支撐與共振轉速的變化

考慮單獨增加支撐比較繁雜、獨立結構的剛度較低，將它們組合為一個整體支架與基座連接。由于柴油機的大部分重量分布在靠近輸出端的基座上、受到空間的限制排氣側的無法布置斜向支撐，因此在操作側靠近輸出端設置斜向支架，如圖9。計算得到該方案的第2階模態頻率為12.4 Hz，即5S60 ME_C對應的共振轉速為148.8 r/min，遠離了100%工況轉速，能夠達到在所有測試范圍內都不發生共振的理想狀態。

圖9 斜向支架方案

5 結語

本文運用試驗與仿真相結合的方法，研究了5S60 ME_C船用柴油機臺架試驗出現的機架振動問題，取得了以下結論：

（1）根據臺架試驗的特點建立了簡化的有限元模型，加載通過柔性多體動力學計算得到的瞬態荷載進行FEM動力學分析。仿真計算和現場測試數據的對比顯示，柴油機在第2階模態發生共振，為H型共振。文中建立的FEM模型瞬態響應計算結果與實測值相近，模型準確可靠；

（2）評估了在基礎座上添加橫向支撐對橫向振動頻率的影響，根據分析結果并結合現場情況，在柴油機操作側靠近輸出端的基座上增加圖9所示的支架，能夠將5S60 ME_C測試的共振轉速提高到148.8 r/min，避免在指定測試工況下發生共振。

[1]5S60 ME_C Vibration Measure.Dalian Marine Diesel Corporation,2013-5-14.

[2]P Novotny,V Pistek,New efficient methods for powertrain vibration analysis.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part D[J].Journal of Automobile Engineering,2010 224:611.

[3]董偉.發動機臺架振動仿真分析研究[J].拖拉機與農用運輸車，2011，38(3)：31-37.

[4]張煥定，郝志勇，鄭旭.四缸柴油機機體NVH性能改進[J].浙江大學學報（工學版），2013，47(5)：895-900.

[5]Engine Selection Guide[R].MEC Program.MAN B&W DieselA/S.

[6]黃小玲，沈濤，朱祝兵.結合實例對9E型燃機基礎的動擾力和動力特性的探討[J].特種結構，2012，29(6)：68-73.

[7]陳長盛，王強，柳瑞鋒.螺栓連接對結構模態及傳遞特性影響研究[J].振動和沖擊，2014，33(2)：178-182.

[8]楊國慶.螺栓連接被連接件剛度理論計算方法研究[J].西安交通大學學報，2012，46(7)：y2-y8.

[9]唐應時，柴天，和進軍，等.基于接觸摩擦的少片變截面鋼板彈簧的剛度分析[J].中南大學學報(自然科學版)，2009，40(3).

VibrationAnalysis and Reduction of a Marine Diesel Engine in Rig Test

ZHANG Wen-chun1,DUAN Shu-lin1,ZHANG Yu2
(1.Marine Engine Engineering College,Dalian Maritime University,Dalian 116026,Liaoning China; 2.Dalian Marine Diesel Co.Ltd.,Dalian 116021,Liaoning China)

With the development of low-speed two-stroke marine diesel engines in high power and lightweight direction,the transverse vibration of the engines with long or super-long stroke and less cylinders becomes significant.Such a problem becomes considerably serious in rig tests.This article focused on the overlarge vibration of the 5S60ME_C marine diesel engine in the rig test.The transient load of the structural components was computed based on the multi-flexible-body dynamics.A dynamic finite element(FE)model was established and analyzed.Its results were compared with the measurement data in the testing.On this basis,the optimal design of the foundation of the test rig was done.The results show that the lateral resonance occurs at the 2nd order modal of H vibration mode,and the resonance can be avoided by adding diagonal braces to the foundation.

vibration and wave;marine diesel engine;engine case oscillation;rig test;finite element method (FEM);vibration reduction

TB53；O325；U467.4+92；U66

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.01.004

1006-1355(2015)01-0018-05

2014－07－15

張文春(1988－)，男，江西萍鄉人，博士研究生，輪機工程方向。E-mail:dreaming_fly@live.cn