柴油發電機水冷卻器懸挂式安裝設計及振動分析2020-11-26 08:30

摘 要:爲減小機組運行時發電機水冷卻器的振動,對560和630機座號發電機的水冷卻器提出了一種新式的懸挂式安裝設計。該設計應用約束阻尼對水冷卻器進行振動抑制處理,在不對發電機整體結構作大的修改的前提下,提高阻尼能力,達到了減振效果。采用有限元的諧振計算對懸挂式安裝與傳統螺栓安裝進行對比分析,證明了這種新式設計的可行性與有效性。

關鍵詞:懸挂式安裝;阻尼減振;點火頻率;諧振分析

湯曉芬(1979—),女,碩士研究生,講師,研究方向爲交流同步發電機及柴油發電機組。

0 引言

柴油機是柴油發電機組的主要振源。它在爲系統提供機械能的同時,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]。水冷卻器作爲空-水冷發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,直接影響發電機的安全使用[2]。对于传统的水冷却器螺栓安装方式,如图1所示,在低频激振的环境下,振动性能不存在太大问题(如发电机出厂时由电动机带动的性能试验)。但是,当与柴油机配合时,因其会产生高于30 Hz的点火激振频率,螺栓安装方式的水冷却器往往振动很大,表现为水冷却器上端出现很大的振动速度[3]。爲解決這種難題,對水冷卻器開發出了一種新式的懸挂安裝方式,使其在較寬的柴油機點火頻率帶上呈現出較好的阻尼特性,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産生的費用。此種設計對發電機的材料成本和制造時間幾乎沒有影響。

1 懸挂安裝設計

南昌ABB發電機有限公司560和630機座號的空-水冷發電機,冷卻器采用的是一種新式安裝設計。冷卻器放棄傳統的螺栓安裝,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挂的狀態,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 懸挂式安裝設計

粘弹性阻尼材料只在一定的温度区域和频率范围内具有较高的阻尼损耗因子。因此,选择阻尼部件的材料时,要根据产品的环境条件确定材料的使用温度范围,结合产品的激振频率带,选择较为成熟的材料。这里使用的是天然橡胶,它是一种有效的阻尼材料,能将固体机械振动能转变为热能而耗散,主要用于振动和噪声控制。它的优点有: (1)可以自由确定形状,通过调整橡胶材质来控制硬度,可满足对各个方向上刚度和强度的要求; (2)内部摩擦大,减振效果好,有利于越过共振区,衰减高频振动和噪声; (3)弹性模量比金属小得多,可产生较大弹性形变; (4)冲击刚度高于静刚度和动刚度,有利于冲击变形。

对于阻尼部件的排布设计,要遵从以下设计原则: (1)同一机型的悬挂安装设计中应使用相同型号的阻尼部件; (2)各阻尼部件受力要均匀,静压缩量基本一致; (3)尽量提高支撑面积; (4)阻尼部件应均匀分布并对称冷却器的重心; (5)重心计算精度不够时,需要考虑其静止和动态时对振动的影响。

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

2 懸挂安裝的諧振分析

對于簡諧振動的系統,如圖3所示,有如下算式:

式中: m——对刚体直线运动惯性的度量称质量;

k——直線位移彈簧常數或剛度;

c——阻尼系數。

圖3 簡諧振動系統

式(1)兩端同時除以m得:

式中:ξ——系统阻尼比,ζ= c/2mωn;

ωn——系統固有角頻率,ωn=

Bs——在靜力F0作用下産生的靜位移,

Bs= F0/k。

根據常微分方程理論,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——受迫振动的幅值或振幅;

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産生的衰減自由振動和一個伴隨受迫振動産生的自由振動,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態響應,與激振力同頻率,振幅和頻率與初始條件無關。

在做懸挂式安裝計算分析時,其安裝結構和材料屬性代表了簡諧振動系統。外部條件則是柴油機的點火頻率及激振力。通常情況下,點火頻率可根據柴油機轉速、缸數和類型計算得出,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挂安裝的結構進行計算,並比對結果,從而得出結論。

2.1 分析模型和主要參數設置

目前,有限元法是計算複雜結構阻尼和動力響應的主要手段。其中,一般的模態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産生的振動情況。本文采用諧振分析手段,通過添加外部載荷和掃頻範圍模擬柴油機組運行狀態,達到有效驗證懸挂安裝方式的目的。

为尽量贴近实际工况,分析模型除了冷却器、上箱体、阻尼部件、螺栓连接外,还增加了发电机的前后端盖、机座和定子,如图4和图5所示。阻尼部件的网格大小设为20 mm,其余部件设为60 mm。

圖4 懸挂安裝式發電機模型

圖5 螺栓連接式發電機模型

阻尼材料天然橡胶的主要参数是:杨氏模量为3 MPa,泊松比为0.49,密度为0.94 kg/m3

激振力设定为在X,Y,Z三个方向上皆为2 kN的3个均布载荷,分别作用在驱动端轴承室、后端盖和前箱体上。Y和Z方向上的力与X方向的力相位差分别是30°和60°,如图6所示。扫频范围0~75 Hz,共求15个解。

圖6 外部激振力設置

2.2 結果對比分析

根據機組振動測量的經驗,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

谐振计算后,可以得到A点在0~75 Hz扫频范围内的最大振幅和对应的相位角。结果包含了X、Y、Z方向上的幅频曲线。下面以X方向为例进行分析对比,如图8和图9所示。

圖8 懸挂安裝的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

根据简谐振动公式,最大振动速度V = A· ω= A·2πf。由各结果中的频率和振幅数据可以得到A点X轴方向上的最大振动速度,如表1和表2所示。

表1 懸挂安裝的A點X軸數據

表2 螺栓安裝的A點X軸數據

由图10可以看出在35 Hz以下的低频激振下,两条速度曲线互有交错。但是在35 Hz以上的较高频率带上悬挂安装方式的A点振动速度明显低于螺栓安装方式。柴油机的点火频率f = (n/60) * engine order正是处于大于30 Hz的频率带上。

圖10 兩種安裝方式下的A點X軸方向最大速度對比

根據圖11可以得出,在各點火頻率上,水冷卻器懸挂安裝的振動性能都明顯優于螺栓安裝。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

与振动速度分析过程类似,可以得到两种不同安装方式下A点的应力对比,如图14所示。应力的对比结果也与振动速度相近,在45 Hz以上的频率段上悬挂安装方式优于螺栓安装方式。

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

以点火频率45 Hz为例进行整机计算,计算时填入该频率下A点最大振动位移时对应的相位角,可以得到图15和图16中的结果。类似的方法还可以得到两种不同安装方式下的整机应力对比。从表3中的汇总数据能够看出,水冷却器的悬挂安装方式使整机振动性能也有所提升。

图15 悬挂安装45 Hz时的X轴整机振动位移

图16 螺栓安装45 Hz时的X轴整机振动位移

表3 两种安装方式在45 Hz激振频率下的整机性能对比

通過在相同外部條件下的分析對比,這種新式的懸挂安裝方式的抗振性能明顯優于傳統的螺栓安裝方式,尤其對振動速度起到明顯的抑制作用,同時因爲加裝了阻尼部件,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挂式安裝方式,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境下進行計算對比,得到較爲滿意的結果。目前這種設計已成功使用在南京ABB發電機有限公司560和630機座號的發電機上。需要指出的是,未來需與各大機組廠進行合作,通過掌握柴油機准確參數和試驗數據完善此種安裝方式的設計方案,進一步提升抗振性能。