柴油發(fā)電機水冷卻器懸掛式安裝設計及振動分析

　　柴油機是柴油發(fā)電機組的主要振源。它在為系統(tǒng)提供機械能的同時，也引起噪聲和機組結構振動，影響到機組和設備的安全與壽命[1]。水冷卻器作為空-水冷發(fā)電機的重要散熱部件，因其安裝位置受到的振動影響一般都比較大。工程實際中也經(jīng)常遇到水冷卻器框架或者連接水管被振裂的情況，直接影響發(fā)電機的安全使用[2]。對于傳統(tǒng)的水冷卻器螺栓安裝方式，如圖1所示，在低頻激振的環(huán)境下，振動性能不存在太大問題(如發(fā)電機出廠時由電動機帶動的性能試驗)。但是，當與柴油機配合時，因其會產(chǎn)生高于30 Hz的點火激振頻率，螺栓安裝方式的水冷卻器往往振動很大，表現(xiàn)為水冷卻器上端出現(xiàn)很大的振動速度[3]。為解決這種難題，對水冷卻器開發(fā)出了一種新式的懸掛安裝方式，使其在較寬的柴油機點火頻率帶上呈現(xiàn)出較好的阻尼特性，起到抑制振動峰值的作用，還能提升抗沖擊性能，延長了冷卻器的使用壽命，降低因損壞或者維護而產(chǎn)生的費用。此種設計對發(fā)電機的材料成本和制造時間幾乎沒有影響。

　　1　懸掛安裝設計

　　南昌ABB發(fā)電機有限公司560和630機座號的空-水冷發(fā)電機，冷卻器采用的是一種新式安裝設計。冷卻器放棄傳統(tǒng)的螺栓安裝，如圖1所示，取而代之的是在X，Y，Z方向上使用多個圓柱型的阻尼部件進行固定，如圖2所示。各阻尼部件一端貼在冷卻器邊框上，另一端安裝在電機上箱體上。水冷卻器在3個方向上處于一種被阻尼部件夾住懸掛的狀態(tài)，不與電機上箱體直接接觸。

　　圖1　螺栓安裝方式使用的螺栓孔

　　圖2　懸掛式安裝設計

　　粘彈性阻尼材料只在一定的溫度區(qū)域和頻率范圍內具有較高的阻尼損耗因子。因此，選擇阻尼部件的材料時，要根據(jù)產(chǎn)品的環(huán)境條件確定材料的使用溫度范圍，結合產(chǎn)品的激振頻率帶，選擇較為成熟的材料。這里使用的是天然橡膠，它是一種有效的阻尼材料，能將固體機械振動能轉變?yōu)闊崮芏纳?，主要用于振動和噪聲控制。它的?yōu)點有: (1)可以自由確定形狀，通過調整橡膠材質來控制硬度，可滿足對各個方向上剛度和強度的要求; (2)內部摩擦大，減振效果好，有利于越過共振區(qū)，衰減高頻振動和噪聲; (3)彈性模量比金屬小得多，可產(chǎn)生較大彈性形變; (4)沖擊剛度高于靜剛度和動剛度，有利于沖擊變形。

　　對于阻尼部件的排布設計，要遵從以下設計原則: (1)同一機型的懸掛安裝設計中應使用相同型號的阻尼部件; (2)各阻尼部件受力要均勻，靜壓縮量基本一致; (3)盡量提高支撐面積; (4)阻尼部件應均勻分布并對稱冷卻器的重心; (5)重心計算精度不夠時，需要考慮其靜止和動態(tài)時對振動的影響。

　　除以上要求外，阻尼部件的位置和數(shù)量還須考慮發(fā)電機的整體結構和裝配工藝，并根據(jù)不同型號柴油機的點火頻率對設計進行諧振分析驗證，不斷優(yōu)化。

　　2　懸掛安裝的諧振分析

　　對于簡諧振動的系統(tǒng)，如圖3所示，有如下算式:

　　式中: m——對剛體直線運動慣性的度量稱質量;

　　k——直線位移彈簧常數(shù)或剛度;

　　c——阻尼系數(shù)。

　　圖3　簡諧振動系統(tǒng)

　　式(1)兩端同時除以m得:

　　式中:ξ——系統(tǒng)阻尼比，ζ= c/2mωn;

　　ωn——系統(tǒng)固有角頻率，ωn=

　　Bs——在靜力F0作用下產(chǎn)生的靜位移，

　　Bs= F0/k。

　　根據(jù)常微分方程理論，全解包括齊次方程的通解x1(t)和非齊次方程的特解x2(t)，即

　　式中: X——受迫振動的幅值或振幅;

　　ψ——位移響應與激振力之間的相位差。

　　如果進一步分解可將x1(t)分成一個由初始條件產(chǎn)生的衰減自由振動和一個伴隨受迫振動產(chǎn)生的自由振動，與初始條件無關，也是衰減振動。x2(t)代表由簡諧激振力引起的穩(wěn)態(tài)響應，與激振力同頻率，振幅和頻率與初始條件無關。

　　在做懸掛式安裝計算分析時，其安裝結構和材料屬性代表了簡諧振動系統(tǒng)。外部條件則是柴油機的點火頻率及激振力。通常情況下，點火頻率可根據(jù)柴油機轉速、缸數(shù)和類型計算得出，但是激振力的大小和方向較難確定。本文假定了在X、Y、Z方向上存在的激振力的大小和相位差，在相同條件下對螺栓安裝的結構和懸掛安裝的結構進行計算，并比對結果，從而得出結論。

　　2.1　分析模型和主要參數(shù)設置

　　目前，有限元法是計算復雜結構阻尼和動力響應的主要手段。其中，一般的模態(tài)分析用于計算電機各階固有頻率和阻尼比，但不能計算因外部激振而產(chǎn)生的振動情況。本文采用諧振分析手段，通過添加外部載荷和掃頻范圍模擬柴油機組運行狀態(tài)，達到有效驗證懸掛安裝方式的目的。

　　為盡量貼近實際工況，分析模型除了冷卻器、上箱體、阻尼部件、螺栓連接外，還增加了發(fā)電機的前后端蓋、機座和定子，如圖4和圖5所示。阻尼部件的網(wǎng)格大小設為20 mm，其余部件設為60 mm。

　　圖4　懸掛安裝式發(fā)電機模型

　　圖5　螺栓連接式發(fā)電機模型

　　阻尼材料天然橡膠的主要參數(shù)是:楊氏模量為3 MPa，泊松比為0.49，密度為0.94 kg/m3。

　　激振力設定為在X，Y，Z三個方向上皆為2 kN的3個均布載荷，分別作用在驅動端軸承室、后端蓋和前箱體上。Y和Z方向上的力與X方向的力相位差分別是30°和60°，如圖6所示。掃頻范圍0～75 Hz，共求15個解。

　　圖6　外部激振力設置

　　2.2　結果對比分析

　　根據(jù)機組振動測量的經(jīng)驗，一般冷卻器上部振動速度最大，所以選取圖7中的A點進行對比分析。

　　圖7　結果分析的位置

　　2.2.1振動速度對比

　　諧振計算后，可以得到A點在0～75 Hz掃頻范圍內的最大振幅和對應的相位角。結果包含了X、Y、Z方向上的幅頻曲線。下面以X方向為例進行分析對比，如圖8和圖9所示。

　　圖8　懸掛安裝的A點X軸方向激振振幅及相位分布

　　圖9　螺栓安裝的A點X軸方向激振振幅及相位分布

　　根據(jù)簡諧振動公式，最大振動速度V = A· ω= A·2πf。由各結果中的頻率和振幅數(shù)據(jù)可以得到A點X軸方向上的最大振動速度，如表1和表2所示。

　　表1　懸掛安裝的A點X軸數(shù)據(jù)

　　表2　螺栓安裝的A點X軸數(shù)據(jù)

　　由圖10可以看出在35 Hz以下的低頻激振下，兩條速度曲線互有交錯。但是在35 Hz以上的較高頻率帶上懸掛安裝方式的A點振動速度明顯低于螺栓安裝方式。柴油機的點火頻率f = (n/60) * engine order正是處于大于30 Hz的頻率帶上。

　　圖10　兩種安裝方式下的A點X軸方向最大速度對比

　　根據(jù)圖11可以得出，在各點火頻率上，水冷卻器懸掛安裝的振動性能都明顯優(yōu)于螺栓安裝。Y軸和Z軸的速度對比如圖12、13所示，可以得出同樣的結論。

　　圖11　兩種安裝方式對應柴油機點火頻率的速度對比

　　圖12　A點Y軸速度對比

　　圖13　A點Z軸速度對比

　　2.2.2　應力對比

　　與振動速度分析過程類似，可以得到兩種不同安裝方式下A點的應力對比，如圖14所示。應力的對比結果也與振動速度相近，在45 Hz以上的頻率段上懸掛安裝方式優(yōu)于螺栓安裝方式。

　　圖14　兩種安裝方式下A點在X，Y，Z方向上的應力對比

　　2.2.3整機性能對比

　　以點火頻率45 Hz為例進行整機計算，計算時填入該頻率下A點最大振動位移時對應的相位角，可以得到圖15和圖16中的結果。類似的方法還可以得到兩種不同安裝方式下的整機應力對比。從表3中的匯總數(shù)據(jù)能夠看出，水冷卻器的懸掛安裝方式使整機振動性能也有所提升。

　　圖15　懸掛安裝45 Hz時的X軸整機振動位移

　　圖16　螺栓安裝45 Hz時的X軸整機振動位移

　　表3　兩種安裝方式在45 Hz激振頻率下的整機性能對比

　　通過在相同外部條件下的分析對比，這種新式的懸掛安裝方式的抗振性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的螺栓安裝方式，尤其對振動速度起到明顯的抑制作用，同時因為加裝了阻尼部件，使整機的振動性能也得到了一些提升。

　　3　結語

　　對于柴油發(fā)電機組來說，除了加強制造工藝水平，對旋轉部件校正不平衡慣性力，來降低激振力對設備的損壞外，本文提出了一種新式的懸掛式安裝方式，用于對類似水冷卻器的關鍵部件進行減振防護。通過與一般的螺栓安裝在柴油機激振環(huán)境下進行計算對比，得到較為滿意的結果。目前這種設計已成功使用在南京ABB發(fā)電機有限公司560和630機座號的發(fā)電機上。需要指出的是，未來需與各大機組廠進行合作，通過掌握柴油機準確參數(shù)和試驗數(shù)據(jù)完善此種安裝方式的設計方案，進一步提升抗振性能。