船用柴油机在台架试验中振动分析与减振优化

张文春，段树林，张 宇

（1.大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026；2.大连船用柴油机有限公司，辽宁 大连 116021）

船用柴油机在台架试验中振动分析与减振优化

张文春1，段树林1，张 宇2

（1.大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026；2.大连船用柴油机有限公司，辽宁 大连 116021）

随着船用低速二冲程柴油机往大功率、轻量化方向发展，长冲程、超长冲程少缸数的机型横振问题逐渐暴露出来，而在台架试验中该问题尤为突出。针对5S60 ME_C船用柴油机在台架试验中出现的振动超标问题，在柔性多体动力学基础上计算出结构固定件受到的瞬态荷载，利用有限元方法建立模型进行动力学求解，对比试验数据得到准确的分析模型，并在此基础上对台架试验的基础座进行了优化设计。结果表明，柴油机在第2阶H型模态下发生横向共振，通过增加斜向支架能够避免柴油机在指定的测试工况下发生共振。

振动与波；船用柴油机；机架振动；台架试验；有限元；减振

船用低速柴油机功率高、重量大、结构复杂，对生产和装配工艺要求很高，台架试验可以检验柴油机的性能指标和建造质量是否达标。MAN B&W 5 S60 ME_C柴油机由于工作冲程长，平衡性能本已较差，机架容易发生横振。严重的横振不仅使柴油机产生故障，工作环境恶劣，而且作为船舶的振源之一，可能引起船体水平振动、摇动和扭转振动。台架试验中，柴油机的连接刚度相比实船条件更小，5S60 ME_C实际使用中存在的横振问题在此情况下更为凸出，出厂测试中可能出现横向振动过大的状况，导致机器无法按时交付。

本文以5S60 ME_C为研究对象，对台架试验系统的结构和荷载进行了合理的简化，求解柴油机的动力学特性和动态响应，针对试验中机架横振问题提出了有效的优化方案。

1 结构和荷载

台架试验由三部分组成，柴油机、基础座和水力测功机，如图1，地基为钢筋混泥土，沿厂房的长度方向浇注，在长度和宽度方向均大于5S60 ME_C相应的尺度；基础座支撑柴油机，使其与地基之间保留人员操作的必要空间；水力测功器位于柴油机的输出端，通过法兰与柴油机相连。

图1 MAN B&W 5S60 ME_C台架试验布置图

本文主要分析5S60 ME_C机体振动，柴油机的结构复杂，与基础座、地基的连接点较多，机体振动主要由曲柄连杆机构运动引发。分析中对与相关结构作以下简化：

(1)厂房地基的质量和刚度都较大，认为是刚性体；

(2)曲柄连杆机构向机体传递荷载，对固定件刚度影响较小，将其简化为一系列外力；

(3)水力测功器通过曲轴与柴油机连接，可看作外界；

(4)部件之间的连接简化成线性弹簧，即柴油机与基础座连接弹簧、基础座与地基连接弹簧。

采用有限元方法分析5S60 ME_C机体的振动。固定件受到的荷载主要是曲柄连杆机构运动传递的力，包括滑块侧推力、曲轴轴承力以及气体力。柴油机厂商提供了5S60 ME_C柴油机各工况的曲柄受力参数[1]，利用柔性多体动力学(flex_MBD)分析方法[2-4]，把刚度较小的曲轴进行柔性化处理，可间接获得柴油机固定件受力的精确结果。

flex_MBD是目前理论研究和应用力学领域广泛应用的数值计算方法，基于拉格朗日的动力学方程如下

由表7可知，百香果汁的最佳添加量为4%。因为百香果汁含量过低时，不能充分体现出百香果的清香气味；含量过高时，原料乳初始pH值偏小，在发酵尚未完全就已到达蛋白质的等电点，过早凝乳，乳清析出较多[11]。

5S60 ME_C气缸发火顺序为1-4-3-2-5，不同气缸的气体力和侧推力变化规律相近，仅按发火顺序相差一个相位角。flex_MBD方法计算不同工况时机体荷载曲线如图2：(a)为气体力，(b)为侧推力；6个主轴承荷载规律不同，图2(c)、(d)列出了载荷最大的5号和6号轴承的载荷曲线。flex_MBD方法得到的瞬态结果相比于理论计算结果，拥有更多的高频成分，这是柔性体的弹性运动产生的。考虑运动件的弹性运动使动态荷载更贴近实际情况。

图2 运动件传递的荷载

气体力施加在气缸盖上，侧推力作用在滑块对应导板的对称中心[5]，主轴承荷载作用在轴承几何中心。

根据文献[6]对螺栓连接的处理方法，柴油机与基础座之间的连接可以等效成弹簧。连接部位在运动过程中始终保持接触，没有出现分离，且一直处于受压状态，为了简化对问题的求解，一般认为弹簧的行为是线性的。研究5S60 ME_C柴油机台架试验振动问题时，连接等效成线性弹簧，弹簧的刚度利用理论计算与FE接触算法[6-8]相结合得到。在ANSYS中建立接触结构模型，将螺栓等效为局部外力荷载，利用非线性有限元分析得到垫块连接的等效刚度，参数如表1。ANSYS具体分析过程参见文献[9]。

表1 接触结构等效刚度N/m

2 台架试验和测量

5S60 ME_C的体积和质量很大，无法用测试小型构件的模态试验方法获得其模态频率，因此可依据机体发生共振的转速分析得到机体的固有频率。台架试验使用日本的VA-10振动测试分析系统，测量机体在空间坐标系中三个平动方向的振动。选取图1所示的1、2两个测点结果分析柴油机固有频率，分别测量25%、50%、75%、90%和100%五个指定工况，测点振动速度如表2，75%工况横向振动速度为43 mm/s，超过标准要求的40 mm/s。

机体受到的Y、Z方向动态荷载通过自身平衡，X方向荷载的等效力矩与输出扭矩平衡，机体主要受横向的侧推力及其产生的不平衡力矩作用。由于X方向是外部荷载的主要作用方向，因此该方向的振动速度相比其它两个方向均更大。在75%工况时X方向的响应达到峰值，呈现出共振趋势，可认为此时的激振频率与机体的固有频率相同。文献[5]计算结果显示，5S60 ME_C受到5谐次的激振力较大，根据经验判断认为机体在该力的作用下产生共振，固有频率与激振力频率相同，即6.74 Hz。

3 5 S 60 ME_C台架试验仿真

依据上文对结构简化方法，利用计算软件ANSYS建立台架试验有限元模型。机体结构采用壳单元划分，基础座采用壳、实体混合单元划分，3D壳单元35 478个，实体单元47 578个，弹簧单元126个。约束与基础座连接的地面节点，在荷载等效位置施加图3所示的三组荷载。柴油机的材料属性及质量属性都与台架试验状况一致。

图3 等效动态荷载作用位置

分析有限元模型，仿真台架试验过程。模态分析、谐响应分析是分析结构动力特性的重要手段，模态振型分布可以反映其自振特性，简谐激励作用下的响应能够获知在各阶模态频率下的响应大小；瞬态分析确定结构在瞬态荷载作用下的响应。

模态分析结果如表2，前两阶模态与台架试验结果相近，它们的模态振型如图4；其它阶的频率均较高，产生共振的可能性较小。第1阶为纵向振动，第2阶为横向振动。5缸低速机容易发生H型共振，即对应第2阶模态，本文研究的5S60 ME_C很可能在该阶模态下发生共振。

在侧推力简化节点上施加6 Hz～10 Hz的X方向、大小为1.5×106N谐激励进行谐响应分析，获取测点的在X方向的响应。计算结果如图5，在第1阶模态的响应值较小，而在第2阶模态的响应较大，出现了明显的共振现象。这一现象验证了前文的猜想，第2阶振型是5S60 ME_C的主振型。

表2 5S60 ME_C测量参数

图4 第1和2阶模态振型

图5 谐响应

计算有限元模型在5个指定工况下的结构响应，仿真结果与台架试验测量值对比如图6。计算结果的变化规律与测量结果相近。

图6 仿真计算结果与测量结果对比

通过对比ANSYS仿真计算与台架试验结果可以判定，5S60 ME_C在台架试验中机体主要是在第2阶模态频率发生共振。仿真计算模型与实际状况相近，该模型能够准确反映柴油机在台架试验中的振动特性。

4 台架试验减振优化

台架试验时，厂方尽量避免在指定工况转速下发生共振。在无法改变柴油机结构的前提下，只能通过增加连接螺栓预紧力或者改进支撑结构的方法避免柴油机共振。根据现场经验，前一种方法能够调整的共振转速较小，无法从根本上解决问题。因此，改进支撑结构是避免共振的主要优化方向。

5S60 ME_C台架试验主要是横向振动，根据现场条件，在基础座外侧增加支撑杆是比较可行的方案，能在原有设备上改进，安装工艺简便易行。

具体改进方法如图7，在基础座沿地基导轨的垂直截面上增加斜向支撑的工字钢，加强横向的支撑刚度。工字钢均采用同一型号，可选0100、0125、0151、0175、0200、0250六种型号；支撑的数目也不同，图7种分为四种布置方式：方案1—单侧5个支撑；方案2—双侧10个支撑；方案3—单侧9个支撑；方案4—双侧18个支撑。分别建立4种改进方案的有限元模型，对比工字钢不同时模态分析结果，分析第2阶模态振型和频率的变化规律。

表2 计算模态频率

图7 斜向支撑改进方案

各方案的计算结果显示，增加斜向支撑之后，机体的振型不发生变化。支撑结构与共振转速增量的关系如图8，随着工字钢轴向横截面积增大，共振转速增加；支撑数目增加也能有效的提高共振转速。斜向支撑主要增加横向刚度，使整体的第2阶模态（横向振型）频率升高，对第1阶模态频率影响不大。

图8 斜向支撑与共振转速的变化

考虑单独增加支撑比较繁杂、独立结构的刚度较低，将它们组合为一个整体支架与基座连接。由于柴油机的大部分重量分布在靠近输出端的基座上、受到空间的限制排气侧的无法布置斜向支撑，因此在操作侧靠近输出端设置斜向支架，如图9。计算得到该方案的第2阶模态频率为12.4 Hz，即5S60 ME_C对应的共振转速为148.8 r/min，远离了100%工况转速，能够达到在所有测试范围内都不发生共振的理想状态。

图9 斜向支架方案

5 结语

本文运用试验与仿真相结合的方法，研究了5S60 ME_C船用柴油机台架试验出现的机架振动问题，取得了以下结论：

（1）根据台架试验的特点建立了简化的有限元模型，加载通过柔性多体动力学计算得到的瞬态荷载进行FEM动力学分析。仿真计算和现场测试数据的对比显示，柴油机在第2阶模态发生共振，为H型共振。文中建立的FEM模型瞬态响应计算结果与实测值相近，模型准确可靠；

（2）评估了在基础座上添加横向支撑对横向振动频率的影响，根据分析结果并结合现场情况，在柴油机操作侧靠近输出端的基座上增加图9所示的支架，能够将5S60 ME_C测试的共振转速提高到148.8 r/min，避免在指定测试工况下发生共振。

[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]董伟.发动机台架振动仿真分析研究[J].拖拉机与农用运输车，2011，38(3)：31-37.

[4]张焕定，郝志勇，郑旭.四缸柴油机机体NVH性能改进[J].浙江大学学报（工学版），2013，47(5)：895-900.

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

[6]黄小玲，沈涛，朱祝兵.结合实例对9E型燃机基础的动扰力和动力特性的探讨[J].特种结构，2012，29(6)：68-73.

[7]陈长盛，王强，柳瑞锋.螺栓连接对结构模态及传递特性影响研究[J].振动和冲击，2014，33(2)：178-182.

[8]杨国庆.螺栓连接被连接件刚度理论计算方法研究[J].西安交通大学学报，2012，46(7)：y2-y8.

[9]唐应时，柴天，和进军，等.基于接触摩擦的少片变截面钢板弹簧的刚度分析[J].中南大学学报(自然科学版)，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

张文春(1988－)，男，江西萍乡人，博士研究生，轮机工程方向。E-mail:dreaming_fly@live.cn