振动噪声控制与排放（PPT79页)

柴油机振动、噪声控制与废气排放胡以怀本学期教学内容第一章．振动及控制理论第二章．船舶振声激励源第三章．船舶机械振动及控制第五章．噪声及控制理论第六章．船舶噪声控制第七章．柴油机排放及控制1807年第一艘蒸汽机动力船“克莱蒙特”建成；1904年柴油机用于船舶推进。20世纪50年代后，船舶功率和航速迅速增大，高强度钢使用。过大的船舶振动称为有害振动，它会：•引起船体结构和机械部件的疲劳破坏；•造成船舶仪表、机械设备的失效和失灵；•影响船员和旅客的正常工作和生活。船舶噪声还会使:•船员感到疲劳；•降低船员的听力和工作效率；•危及船员的身心健康和船舶的航行安全；•影响客轮的居住舒适性；•影响舰艇的作战隐蔽性。船体振动、噪声的激励源主要有：•柴油主机和螺旋桨产生的周期性激励力；•辅机的不均衡力、轴系安装不良、周期性波浪载荷；•船舶附属体（舵、水翼、潜艇升降噪声等）所产生的流体动载荷。船舶机械振动、噪声的控制措施：（1）设计控制在船舶设计阶段通过减小激励力和力矩，减弱噪声源及其传递和改变振动的固有频率或激励频率防止工作范围内强共振等。（2）使用控制在船舶使用阶段发现振动、噪声问题时则通过增加阻尼和吸声材料以吸收振声能量和装设减振、防噪装置以减小振声的危害等措施来实现。一般来说“防胜于治”，在船舶设计阶段通过对力矩的振动预报和噪声预报来控制振动、噪声通常是最有效、最经济的措施。船舶柴油机在运行时会排放出大量的氧化硫（SOx）、氧化氮（NOx）、碳烟微粒（PM）和一氧化碳（CO）等，对大气环境造成严重污染。世界各港口国对船舶防污染管理与设施的检查日趋严格，这些都使得船舶防污染受到前所未有的重视。第一章振动及控制理论一、无阻尼自由振动系统运动微分方程为：其中自由振动频率：初相位：xmkx)cos(twAxnmkwn二、有阻尼自由振动系统运动微分方程为：设其通解为式中X、s为待定常数，X为实数，s为复数。将其代入（1.1-4）式，得得特征方程为0)()()(tkxtxctxmstXetx)(0)()()(2txkXetxcXsetxemXsststst02kcsms则特征根式中设ωn称为无阻尼自由振动频率（固有振动频率），ξ称为粘滞阻尼因子或阻尼率。特征根为)()(222242,12mkmcmcmmkccsmkmkcmkc]1)([222mkcmkn2,0)()(2)(2txtxtxnnns)1(22,1讨论：1.当0ξ1时（小阻尼情况）,得一对共轭复特征根式中称为有阻尼自由振动频率。有nis)1(22,1dnis2,1titidndneXeXtx)(2)(1)(]sin)(cos)[()(2121tXXitXXetxddtn)cos(tXedtn有阻尼系统的自由振动是一种减幅振动如图1.1-2所示，其振幅按指数规律衰减，阻尼率ξ值越大，振幅衰减越快。ndww212.当ξ1时（过阻尼情况）得两个实数特征根则有这时系统不产生振动，很快就趋近于平衡位置如图1.1-3所示。从物理意义上看，表明阻尼较大时，由初始激励输入系统的能量很快就被消耗掉了，而系统来不及产生振动。ns122,1tstseXeXtx2121)(3.当ξ＝1时（临界阻尼情况），得两个重根则有这种情况下的运动也是非周期性的。4.当ξ0时,x(t)则表现为一种增幅振动。nnss21tnetAAtx)()(21三、有阻尼系统的简谐强迫振动单自由度有阻尼强迫振动的微分方程为：xmtKAkxxc)cos(tkAtFkxxcxmcoscos)()()(txtxtxphKFA)cos(')(tXtx)()2()(1222HAAXnn222)2()(11)(nnH设为频率比，则有：幅频特性相频特性讨论：（1）激励频率很低时，即（2）激励频率很高时，即（3）222)2()1(1)(rrHrr/2112rrtg;1)(,0Hr时;0)(,,1)(,1HrHr时且当时曲线出现峰值，时在接近的范围内时，即与在)(,1Hrn;)(,0H时且四、有阻尼一般强迫振动可以看作是由一系列简谐激励组成的，其响应也是一系列谐波响应的叠加。课后作业：1．想一想日常生活中遇到的共振的实例？nppptTpbtTpaatF10)2sin2cos(21)(第二章船舶振声激励源•波浪冲击、爆炸冲击波、火炮发射后座力、抛锚等引起的非周期性激励；•汽轮机、电动机等回转机械激励力易满足静、动平衡条件；•发电机、空压机、泵浦的激励力引起局部结构的振动；•柴油机、螺旋桨的周期性激励力—船舶振动主要激励源。ξ2.1柴油机激励力一、往复惯性力1.单缸往复惯性力略去频率为4ω以上的高阶项，得)(1txmQ)cos1()cos1()(LtRtx664422sin64231sin421sin211cos)2cos1(4)cos1()(tRtRtx)2cos(cos)(2ttRwtx则：2.单缸离心惯性力是一阶激励力3.多缸机惯性力以三缸二冲程柴油机为例，发火顺序为1—3—2，发火间隔角1200。一阶往复惯性力合力：二阶往复惯性力合力：)2cos(cos21ttRmQ22RmQr0)120cos()240cos(cos001311QQii0)120(2cos)240(2cos2cos002312QQii垂直与水平离心力合力分别为4.多缸机惯性力矩一阶往复惯性力矩：二阶往复惯性力矩：0)120sin()240sin(sin0)120cos()240cos(cos0000rrHrrVQQQQ031iriQ)]120cos()2()240cos()(cos[0011llQMQ)30cos(3]sin23sin23[011lQlQ)]120(2cos)2()240(2cos)(2cos[0022llQMQ)302cos(302lQ离心惯性力矩：如果各合力和合力矩都等于零，则认为柴油机是平衡的。但实际上机体是弹性体，受力后会发生变形，从而传递激励力到船体上。如果以上的合力和合力矩（考虑到三阶为止）都等于零，即可认为该柴油机是平衡的。由于它们的作用形态都是对外而表现出来的，因此也称它们为外力和外力矩，其值取决于运动部件的质量、发火顺序、缸数和曲柄排列等。当选用存在有不平衡惯性力和力矩的柴油机作为船舶主机时，则会激起船体的振动。作用在垂直平面内的垂向力及纵摇力矩是船舶垂向振动的激励力，当其频率与船体垂向弯曲振动某阶的固有频率相等或接近时，就会激起较大的垂向振动响应。)]120cos()2()240cos()(cos[00llQMrQrV)30cos(30lQr)]120sin()2()240sin()(sin[00llQMrQrH)30sin(30lQr二、倾覆力矩活塞承受的力指向气缸壁的侧向压力PN,PN＝Ptgβ侧推力PN相对于机座形成一力矩MT＝PN·H=T·R，为倾覆力矩。转矩MT与倾覆力矩PN·H在数值上相等,即转矩MT是随曲柄转角α成周期性变化的，它的大小与曲柄转角有关，是时间的函数，用傅里叶级数可表示为倾覆力矩Mt会引起船体的横摇振动，扭矩MT会引起轴系的扭转振动。RTHPMNTgDpP42MMMktTkkkn01sin()ξ2.2螺旋桨激励力一、表面力螺旋桨回转时作用在它附近船体表面上的变动水压力。（1）载荷效应：随着螺旋桨的旋转，桨叶周期性地时而接近该点，时而远离该点。因此，由涡引起该点的压力也相应地时大时小呈周期性地变化，这是产生脉冲压力的起因之一。涡强度与螺旋桨载荷有关。（2）叶厚效应：流场中某一点P处所受压力必将随着圆柱接近和远离该点而发生周期性变化，是桨叶具有厚度而引起的。当船体尾部的流场不均匀时，这种脉动压力就会增大。其主要频率成分为螺旋桨叶频和叶频的整数倍，其大小取决于桨叶的几何要素、船体尾部线形、伴流特征、桨轴转速、功率、螺旋桨叶梢与尾壳板之间的间隙，以及螺旋桨的叶片数等。二、轴承力螺旋桨旋转时产生的流体力（推力和旋转力），通过轴系、轴承传给船体的激励力。各叶片的推力不尽相同，且合力中心不通过螺旋桨架轴，形成My，Mz。各叶片的旋转阻力不相同，形成侧向分力Fy，Fz。轴承力是由螺旋桨盘面内伴流不均所产生的，其影响因素有：（1）螺旋桨的制造精度：质量不均匀、螺距不等，螺旋桨旋转中心与桨轴不同心。它产生轴频激励力。，脉冲压力叶片数，脉冲压力梢隙（2）螺旋桨盘面内的伴流场：单桨船的轴承力大于双桨船；单桨四叶船的推力波最大；单桨五叶船的垂向弯矩波动最大。ξ2.3其他激励力一、波浪激励力（1）轻载时船首底部出水后再入水时产生的冲击；（2）满载时船首甲板上浪的冲击；（3）船首部外板的外飘波浪冲击。船与波浪的遭遇频率：其中：vs-航速；θ-船与波浪间的夹角，迎浪为00，顺浪为1800；]λ-波长。2cosgvvse在一定海况下，只要改变航向角θ或船的航速即可改变，从而避免发生波激振动。二、回转机械的激励力1.风机的质量偏心2.电动机的激励力频率为轴频率。三、轴系激励力1.轴系质量偏心会形成轴系回转运动。2.联轴节3.排气压力波：4.舵)(25020kgmefp)(2024.021211kgffmpnmfξ2.3振动、噪声的容许标准一、振动的危害（1）使船员、旅客极度不适，易疲劳、有损健康，机器仪表失常、失灵损坏；（2）高应力区船体结构出现裂缝、疲劳破坏；（3）影响人员工作、健康及舰船的作战性能和潜艇的隐蔽性。人体固有频率在6～9Hz之间：1～2.5Hz范围，感到压力与振动；6～7Hz范围，感到晕船、恶心、呕吐；16～20Hz范围，感到噪声。二、ISO组织规定，在1～80Hz范围内人体忍受振动的三种限界：（1）舒适性限界（RC），不能保证舒适感的限界；（2）疲劳限界（FDP），出现疲劳，导致工作效率衰退的限界；（3）耐久限界（RC），不能保证人员健康的限界；图2.4-2垂向振动的FDP限界三、船舶振动衡准1.海船（适用于20米以上的钢质海上运输船舶）对水平振动耐受程度低于垂向振动以及逗留时间等不同，分为Ⅰ类区和Ⅱ类区，各以上、下限界线把振动程度划分为三种情况。I类区：指船上生活区及连续工作4h和超过4h的区域，如驾驶室、报务室、集控室。II类区：指船人员工作和逗留时间小于4h的区域。（１）在下限界线以下者，认为振动轻微，不影响人员的正常生活和工作；（２）超过上限界线时，则振动剧烈，严重影响生活和工作；（３）落在上、下限界线以内时，则属于尚能容许的程度。2.内河船（适用于30米以上的钢质运输船舶）各类内河船的垂向振动加速度单幅值按下式划分为三个区域。kfa81式中：ƒ──频率（Hz），小于8赫时以8赫计；k──随船舶类型和舱室而异的系数，k＝1.0～2.0──衡准系数0.035良好0.0350.047尚好0.047不允许水平振动的标准取为垂向振动的0.75倍。第三章船舶机械振动控制防振：在船体设计阶段。减振：在船舶使用阶段。基本原理：1.避免共振：改变固有频率或激励频率；2.减小激励力；3.减小振动的传递。ξ3.1柴油机振动控制一、防止共振选择主机应配合螺旋桨，尤其应避免在主机常用转速下的低阶