利用彈簧阻尼端蓋降低主發(fā)電機(jī)在機(jī)車上振動值的分析

引言

內(nèi)燃機(jī)車柴油發(fā)電機(jī)組的振動問題由來已久,過大的振動會影響主發(fā)電機(jī)的技術(shù)性能和使用壽命。出口非洲的某型內(nèi)燃機(jī)車,因批量出現(xiàn)主發(fā)電機(jī)在機(jī)車上振動值超標(biāo),嚴(yán)重影響項(xiàng)目交付,過大的振動嚴(yán)重影響主發(fā)電機(jī)的壽命,并且每次處理振動問題時(shí),需對主發(fā)電機(jī)一柴油機(jī)機(jī)組進(jìn)行重新組裝,所需人力、物力等生產(chǎn)成本極高,如果不能找出振動超標(biāo)的根本原因,會導(dǎo)致多次處理仍不能有效降低振動值,給配件和整機(jī)制造商造成巨大損失。

本文根據(jù)該型機(jī)車的特點(diǎn),找出可能造成振動的所有因素,并分析出其中占比最大、導(dǎo)致振動超標(biāo)的根本因素。通過分析主發(fā)電機(jī)在該型機(jī)車上的振動數(shù)據(jù)和振動頻譜,根據(jù)頻譜分析找出振動超標(biāo)的根本原因,并結(jié)合整改所投入的人力、物力和各方關(guān)注的重點(diǎn),提出了相應(yīng)的解決方案,為后續(xù)類似機(jī)車的設(shè)計(jì)、改造和故障處理提供了借鑒。

1振動原因分析

主發(fā)電機(jī)單機(jī)試驗(yàn)時(shí)振動值合格,在機(jī)車上振動值超標(biāo)。分析造成此種現(xiàn)象的原因,應(yīng)從單主發(fā)電機(jī)開始,再將發(fā)電機(jī)和柴油機(jī)作為一個(gè)整體系統(tǒng)考慮。從固定不動的定子部分和旋轉(zhuǎn)的軸系分別考慮,主發(fā)電機(jī)單機(jī)振動合格,說明主發(fā)轉(zhuǎn)子動平衡和整機(jī)組裝合格,但是和柴油機(jī)組裝成機(jī)組后振動又超差,分析可能的原因有:

(1）主發(fā)轉(zhuǎn)子與柴油機(jī)曲軸動平衡合格,但組裝后整個(gè)軸系的動平衡不合格,可能是裝配不良導(dǎo)致連接定位出現(xiàn)偏差、主發(fā)轉(zhuǎn)子與柴油機(jī)曲軸的不平衡量疊加等原因所致,這個(gè)原因可以通過組裝前的模擬試驗(yàn)來查找并解決。應(yīng)確保定位止口的加工精度和組裝的規(guī)范操作,避免因軸系動平衡不合格而造成返工。

(2）主發(fā)定子安裝支撐點(diǎn)少,導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。對于中大型主發(fā)電機(jī),定子地腳支撐不得少于四個(gè)(一邊各兩個(gè)）,接觸面應(yīng)足夠大,且地腳支撐之間的距離也應(yīng)足夠大,確保電機(jī)重心在兩個(gè)地腳中心的附近。這樣才能保證組裝后的主發(fā)電機(jī)足夠穩(wěn)定,充分化解柴油機(jī)通過定子傳遞過來的振動,避免振動集中在電機(jī)某一部分。這個(gè)問題在設(shè)計(jì)初期就應(yīng)充分考慮,如產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn),在定子上焊接地腳會有較大的風(fēng)險(xiǎn),容易引起定子變形,降低定子線圈的絕緣性能等。量產(chǎn)后的主發(fā)電機(jī)再增加地腳需采取可靠的工藝手段,或者采用焊接和螺栓緊固結(jié)合的方式,避免對電機(jī)其余部件造成不良影響。

(3）柴油機(jī)與主發(fā)電機(jī)組成的系統(tǒng)產(chǎn)生共振。這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中盡力避免但又經(jīng)常出現(xiàn)的問題,設(shè)計(jì)初期應(yīng)通過模擬建模和樣機(jī)試驗(yàn)準(zhǔn)確把握各部件的固有頻率,使大部件的固有頻率間隔足夠大,且要有削弱共振的補(bǔ)救措施。

(4）所選軸承不合理。有部分軸承不適應(yīng)柴油發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),表現(xiàn)為振動明顯比使用別的軸承高。這需要與軸承廠家提前溝通,選取合適的軸承。

通過專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測柴油發(fā)電機(jī)組的固有頻率,分析振動超差機(jī)組的振動頻譜,結(jié)合一系列排除試驗(yàn),最終確定系統(tǒng)共振是導(dǎo)致主發(fā)電機(jī)振動值超標(biāo)的根本原因。專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測顯示柴油發(fā)電機(jī)組的固有頻率為45Hz,而振動頻譜分析表明主發(fā)電機(jī)45Hz的振動與主發(fā)電機(jī)所有振動的百分比超過50%,頻譜分析如圖1所示。因此,需要采取措施適當(dāng)提高主發(fā)電機(jī)的固有頻率,使主發(fā)電機(jī)固有頻率偏離機(jī)組共振頻率。同時(shí)要采取措施,吸收部分無法降低（或不可避免）的振動。

2系統(tǒng)共振問題的解決

由于該機(jī)車已經(jīng)生產(chǎn)20列,如對整體結(jié)構(gòu)做大的改動,費(fèi)用將非常昂貴,這是用戶和制造商都無法接受的。因此需在原部件做適當(dāng)改動,要能充分利用原部件,避免原部件報(bào)廢或者改造費(fèi)用過高,要達(dá)到既不產(chǎn)生較大費(fèi)用,同時(shí)也能顯著提高主發(fā)電機(jī)固有頻率的目的。通過分析主發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu),尋找強(qiáng)度和穩(wěn)定性的薄弱點(diǎn),最終選擇對主發(fā)電機(jī)端蓋做升級,將原普通結(jié)構(gòu)端蓋改為內(nèi)部帶彈簧和橡膠阻尼的新型端蓋。改動升級的目的:（1）通過在端蓋上增加彈簧和橡膠阻尼,從而提高端蓋的內(nèi)應(yīng)力,提高端蓋的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,提高主發(fā)電機(jī)固有頻率:（2）利用彈簧和橡膠阻尼吸收部分振動,通過將振動轉(zhuǎn)化為其他能量,從而降低主發(fā)電機(jī)的振動值。彈簧阻尼端蓋的等效結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2彈簧阻尼端蓋的等效結(jié)構(gòu)圖

彈簧阻尼端蓋的結(jié)構(gòu):（1）框體為原老結(jié)構(gòu)端蓋,在原端蓋的兩個(gè)筋板之間沿半徑方向增加彈簧機(jī)構(gòu)(圖中簡化為單一彈簧）,彈簧機(jī)構(gòu)分內(nèi)外兩層,中間帶有導(dǎo)向桿,所選彈簧的勁度系數(shù)和壓縮量根據(jù)端蓋的強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇,既要保證產(chǎn)生足夠的內(nèi)應(yīng)力,又不能使端蓋產(chǎn)生有害變形:(2）然后在框體和彈簧機(jī)構(gòu)之間的空間里灌裝橡膠,使端蓋和彈簧機(jī)構(gòu)之間的間隙通過橡膠融為一體:(3）最后在腔體上增加一蓋板,確保整個(gè)彈簧阻尼的穩(wěn)定性,使其不會因?yàn)殚L期運(yùn)行而產(chǎn)生移位,同時(shí)蓋板壓縮彈簧和橡膠,也會在軸向產(chǎn)生部分內(nèi)應(yīng)力,進(jìn)一步提高端蓋的內(nèi)應(yīng)力。

彈簧阻尼端蓋有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1）端蓋的內(nèi)應(yīng)力增大,選擇合適的彈簧,即可使端蓋的內(nèi)應(yīng)力滿足特定的要求,這樣可以提高端蓋的剛度,進(jìn)而提高整個(gè)主發(fā)電機(jī)的固有頻率,使主發(fā)電機(jī)固有頻率遠(yuǎn)離柴油發(fā)電機(jī)組的共振頻率,削弱由于系統(tǒng)共振產(chǎn)生的附加振動值:(2）端蓋內(nèi)部填充的橡膠,一方面可增強(qiáng)端蓋的剛度,進(jìn)而提高端蓋穩(wěn)定性,避免在機(jī)組運(yùn)行過程中產(chǎn)生有害變形,另一方面可吸收系統(tǒng)產(chǎn)生的各階頻率的振動,將振動能量轉(zhuǎn)化為熱能量,通過通風(fēng)再將熱能量散發(fā),從而降低主發(fā)電機(jī)振動值:(3）可在原端蓋的基礎(chǔ)上通過增加配件更改為彈簧阻尼端蓋,改造費(fèi)用低,便于用戶和制造商接受。

機(jī)車試驗(yàn)和固有頻率檢測表明:與原來老結(jié)構(gòu)端蓋相比,彈簧阻尼端蓋能夠提高主發(fā)電機(jī)的固有頻率,從而降低柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的共振:對于無法避免的振動,如轉(zhuǎn)子軸系的殘余不平衡和活塞做功產(chǎn)生的振動,彈簧阻尼端蓋能夠吸收轉(zhuǎn)化。因而能夠明顯降低柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)振動值,達(dá)到了通過改動小部件卻顯著提高系統(tǒng)性能的目標(biāo),且改造費(fèi)用低,用戶和制造商均滿意。

3結(jié)語

如何降低內(nèi)燃機(jī)車柴油發(fā)電機(jī)組的振動值是各機(jī)車廠家長期研究的課題。針對某一特定的車型,尤其是已經(jīng)量產(chǎn),無法再做大的改動的機(jī)車,如何經(jīng)濟(jì)、高效地解決部件振動值高的問題,需要配件和整車制造商認(rèn)真研究。本文根據(jù)出口機(jī)車的特點(diǎn),創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)出了彈簧阻尼端蓋,既可充分利用現(xiàn)有端蓋,又可以解決出口機(jī)車存在的實(shí)際問題,這值得在后續(xù)新型機(jī)車上推廣。