柴油發電機水冷卻器懸掛式安裝設計及振動分析

　　柴油機是柴油發電機組的主要振源。它在為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]。水冷卻器作為空-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]。對于傳統的水冷卻器螺栓安裝方式，如圖1所示，在低頻激振的環境下，振動性能不存在太大問題(如發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，表現為水冷卻器上端出現很大的振動速度[3]。為解決這種難題，對水冷卻器開發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　懸掛安裝設計

　　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掛的狀態，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　懸掛式安裝設計

　　粘彈性阻尼材料只在一定的溫度區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，要根據產品的環境條件確定材料的使用溫度范圍，結合產品的激振頻率帶，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為熱能而耗散，主要用于振動和噪聲控制。它的優點有: (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，衰減高頻振動和噪聲; (3)彈性模量比金屬小得多，可產生較大彈性形變; (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時對振動的影響。

　　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，并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　懸掛安裝的諧振分析

　　對于簡諧振動的系統，如圖3所示，有如下算式:

　　式中: m——對剛體直線運動慣性的度量稱質量;

　　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——系統阻尼比，ζ= c/2mωn;

　　ωn——系統固有角頻率，ωn=

　　Bs——在靜力F0作用下產生的靜位移，

　　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生的衰減自由振動和一個伴隨受迫振動產生的自由振動，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。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，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。阻尼部件的網格大小設為20 mm，其余部件設為60 mm。

　　圖4　懸掛安裝式發電機模型

　　圖5　螺栓連接式發電機模型

　　阻尼材料天然橡膠的主要參數是: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

　　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據可以得到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軸數據

　　表2　螺栓安裝的A點X軸數據

　　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中的匯總數據能夠看出，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，通過掌握柴油機準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。