柴油发电机水冷却器悬挂式安装设计及振动分析

　　柴油发电机水冷却器悬挂式安装设计及振动分析

　　柴油机是柴油发电机组的主要振源。它在为系统提供机械能的同时，也引起噪声和机组结构振动，影响到机组和设备的安全与寿命[1]。水冷却器作为空-水冷发电机的重要散热部件，因其安装位置受到的振动影响一般都比较大。工程实际中也经常遇到水冷却器框架或者连接水管被振裂的情况，直接影响发电机的安全使用[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]。为解决这种难题，对水冷却器开发出了一种新式的悬挂安装方式，使其在较宽的柴油机点火频率带上呈现出较好的阻尼特性，起到抑制振动峰值的作用，还能提升抗冲击性能，延长了冷却器的使用寿命，降低因损坏或者维护而产生的费用。此种设计对发电机的材料成本和制造时间几乎没有影响。

　　1　悬挂安装设计

　　南昌ABB发电机有限公司560和630机座号的空-水冷发电机，冷却器采用的是一种新式安装设计。冷却器放弃传统的螺栓安装，如图1所示，取而代之的是在X，Y，Z方向上使用多个圆柱型的阻尼部件进行固定，如图2所示。各阻尼部件一端贴在冷却器边框上，另一端安装在电机上箱体上。水冷却器在3个方向上处于一种被阻尼部件夹住悬挂的状态，不与电机上箱体直接接触。

　　图1　螺栓安装方式使用的螺栓孔

　　图2　悬挂式安装设计

　　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，阻尼部件的位置和数量还须考虑发电机的整体结构和装配工艺，并根据不同型号柴油机的点火频率对设计进行谐振分析验证，不断优化。

　　2　悬挂安装的谐振分析

　　对于简谐振动的系统，如图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——直线位移弹簧常数或刚度;

　　c——阻尼系数。

　　图3　简谐振动系统

　　式(1)两端同时除以m得:

　　式中:ξ——系统阻尼比，ζ= c/2mωn;

　　ωn——系统固有角频率，ωn=

　　Bs——在静力F0作用下产生的静位移，

　　Bs= F0/k。

　　根据常微分方程理论，全解包括齐次方程的通解x1(t)和非齐次方程的特解x2(t)，即

　　式中: X——受迫振动的幅值或振幅;

　　ψ——位移响应与激振力之间的相位差。

　　如果进一步分解可将x1(t)分成一个由初始条件产生的衰减自由振动和一个伴随受迫振动产生的自由振动，与初始条件无关，也是衰减振动。x2(t)代表由简谐激振力引起的稳态响应，与激振力同频率，振幅和频率与初始条件无关。

　　在做悬挂式安装计算分析时，其安装结构和材料属性代表了简谐振动系统。外部条件则是柴油机的点火频率及激振力。通常情况下，点火频率可根据柴油机转速、缸数和类型计算得出，但是激振力的大小和方向较难确定。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，在相同条件下对螺栓安装的结构和悬挂安装的结构进行计算，并比对结果，从而得出结论。

　　2.1　分析模型和主要参数设置

　　目前，有限元法是计算复杂结构阻尼和动力响应的主要手段。其中，一般的模态分析用于计算电机各阶固有频率和阻尼比，但不能计算因外部激振而产生的振动情况。本文采用谐振分析手段，通过添加外部载荷和扫频范围模拟柴油机组运行状态，达到有效验证悬挂安装方式的目的。

　　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。

　　图4　悬挂安装式发电机模型

　　图5　螺栓连接式发电机模型

　　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。

　　图6　外部激振力设置

　　2.2　结果对比分析

　　根据机组振动测量的经验，一般冷却器上部振动速度最大，所以选取图7中的A点进行对比分析。

　　图7　结果分析的位置

　　2.2.1振动速度对比

　　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。

　　图8　悬挂安装的A点X轴方向激振振幅及相位分布

　　图9　螺栓安装的A点X轴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　悬挂安装的A点X轴数据

　　表2　螺栓安装的A点X轴数据

　　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。

　　图10　两种安装方式下的A点X轴方向最大速度对比

　　根据图11可以得出，在各点火频率上，水冷却器悬挂安装的振动性能都明显优于螺栓安装。Y轴和Z轴的速度对比如图12、13所示，可以得出同样的结论。

　　图11　两种安装方式对应柴油机点火频率的速度对比

　　图12　A点Y轴速度对比

　　图13　A点Z轴速度对比

　　2.2.2　应力对比

　　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。

　　图14　两种安装方式下A点在X，Y，Z方向上的应力对比

　　2.2.3整机性能对比

　　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

　　通过在相同外部条件下的分析对比，这种新式的悬挂安装方式的抗振性能明显优于传统的螺栓安装方式，尤其对振动速度起到明显的抑制作用，同时因为加装了阻尼部件，使整机的振动性能也得到了一些提升。

　　3　结语

　　对于柴油发电机组来说，除了加强制造工艺水平，对旋转部件校正不平衡惯性力，来降低激振力对设备的损坏外，本文提出了一种新式的悬挂式安装方式，用于对类似水冷却器的关键部件进行减振防护。通过与一般的螺栓安装在柴油机激振环境下进行计算对比，得到较为满意的结果。目前这种设计已成功使用在南京ABB发电机有限公司560和630机座号的发电机上。需要指出的是，未来需与各大机组厂进行合作，通过掌握柴油机准确参数和试验数据完善此种安装方式的设计方案，进一步提升抗振性能。