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某柴油发电机组公共底座的安全性分析

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某柴油发电机组公共底座的安全性分析

责任编辑:澳门威尼斯app下载??? 发布时间:2020-08-19 ??? 【

摘 要:针对5L23/30DF型柴油发电机组,区别于以往的8隔振器公共底座,本文研究设计一款只安装三个隔振器的公共底座。为验证该公共底座的安全性,在有限元AppANSYS中进行仿真分析。首先对公共底座进行详细建模,对其它部件进行简化。然后针对机组进行力学分析和振动特性分析,包括静力学分析、模态分析、振动响应分析、频率响应分析等。最后对机组进行模态试验分析。仿真结果表明,隔振器的变形量差值最大百分比为4%,隔振器布置合理,受力变形均匀;此公共底座在力学上能够满足材料的强度要求,同时机组的固有频率能够避开激励频率,避免共振的发生。模态试验结果与仿真分析结果的对比表明,仿真分析结果与真实结果接近,仿真过程可信。

关键词:振动与波;柴油发电机组;隔振;有限元;动力学分析;模态测试

船用柴油发电机组是一种中小型独立的发电设备,主要由柴油机、三相交流同步发电机和控制屏3部分组成,并全部组装在一个公共底座上,在实际的柴油发电机组隔振设计中,单层8个隔振器的对称布置最为常见,近些年来国内外著名柴油机厂商及研发设计机构对这种类型的公共底座作过一些分析和优化[1–3],胡甫才[4]等通过理论推导验证了柴油发电机组的双层隔振效果。本文从安全性角度出发,分析这一款安装了3个隔振器的公共底座是否能够满足静力学强度要求和变邪拿磐尼斯app下载螅灰笤诎沧白刺鹿驳鬃墓逃衅德室芸榈墓ぷ髌德剩乐拐穸┐螅环矫姹;せ椋硪环矫娣乐拐穸ü匕宕莸狡渌墓ぷ骰魃稀T诓裼头⒌缁榧父龉毕琢拷洗蟮牧刈饔孟拢蠊驳鬃芄宦悴牧锨慷鹊囊螅⑶腋粽衿髂芄辉谄涑性胤段诠ぷ鳌

1 机组三维模型的建立

柴油发电机组的建模分为两部分,一部分为本论文的分析对象,即公共底座,另一部分为底座使用对象,即柴油机、飞轮以及发电机。公共底座实际是由各种形状规格的板焊接而成,在三维建模Appcreo 2.0中,根据各板件的实际尺寸建立公共底座三维模型,建模时忽略各板件中的焊接坡口。对于柴油机、发电机、飞轮等非重点分析对象,根据它们的实际外形尺寸建模,再调整模型的密度和内部空间结构,最终使整个机组的质量、重心位置、转动惯量与实际保持一致。其结构参数见表1,模型如图1和图2所示。

表1 柴油发电机组几何参数

图1 柴油发电机组模型图

图2 公共底座模型图

图1中柴油发电机组的额定转速为750 r/min,质量为16 572 kg。此前经过隔振设计,3个隔振器均使用用Rubber Design企业的产品,型号为RD214X,50°ShoreA。隔振器的刚度参数见表2,安装位置见表3。建模时,使用圆柱体代替,底面圆的直径与隔振器上安装表面圆的直径一致。

2 静力学分析

将机组三维模型从creo 2.0中导出为“x_t”文件格式,再导入ANSYS中,设置发电机模型材料的密度设置为2 215 kg/m3,其余材料密度7 850 kg/m3,整个机组模型的泊松比为0.3,弹性模量为2.07 Gpa。将隔振器设为刚体属性,并用3向弹簧单元模拟隔振器的刚度,每个弹簧单元的一端接地,柴油发电机组分析模型处于约束状态。

表2 隔振器参数参数

表3 隔振器安装位置(相对于重心)

根据文献[5],网格质量对约束模态的影响较小,选择公共底座最小板厚的1~2倍大小的单元时,计算结果准确。文中公共底座的最小板厚为12 mm,故设置单元大小为20 mm,将柴油机、飞轮和发电机的网格设置为自动划分,最终得到179 483个节点、57 585个单元。

在线性结构静力分析中,物体的力学方程式为

其中:k表示隔振器静刚度,x表示隔振器变形,F表示柴油发电机组自重。由于这款公共底座的隔振器只有3个,相比常见的安装了8个隔振器的公共底座,隔振器要承受成倍的应力,在只承受自身重力的情况下,机组的最大等效应力出现在与隔振器1连接的支座上,如图3所示,达到了94.549 MPa,而与隔振器3直接连接的覆板最大等效应力只有60.53 MPa,这是由于柴油机质量比发电机质量大的多,公共底座下隔振器所能够承受的载荷不均匀,靠近柴油机要比靠近发电机的载荷大,这种影响在安装了3个隔振器的机组中显得尤为明显。

图3 公共底座最大应力位置

等效应力被定义为

其中:σ1σ2σ3分别表示3个主应力。

对于低碳钢而言,抗拉强度σb和屈服强度σs是衡量材料强度的两个重要指标。根据GB-T 3274-2007《碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带》[6],4.5 mm~16 mm的板抗拉强度 σb =375 MPa,屈服强度σs =235 MPa,下面从两个角度验证结构钢材料的安全性,一是正向角度,即已知材料许用应力,校核等效应力是否超标;二是逆向角度,即已知材料许用应力,通过安全系数来求应力极限,再判断等效应力是否超过了应力极限。

从第一个角度来看,公共底座所用板的抗拉强度σb和屈服强度σs均大于最大应力值94.549 MPa,故应力满足钢板强度的要求。

从第二个角度来看,利用最大等效应力理论得到的公共底座的安全系数最小值也出现在与隔振器1连接的支座上,最小安全系数为2.68,安全系数的计算方式为

其中:FA表示安全系数,σlim表示极限应力,[σ]表示等效应力,则公共底座所用板的最小应力极限为2.68×235=629.8 MPa,远大于94.549 MPa,所以从这角度来看,柴油发电机组是安全的。

在式(1)中,还有一个位移因素x,对于用弹簧单元模拟的隔振器的变形量,参考3个隔振器的上表面,它们相对于隔振器底部的变形量处于8.11 mm~8.44 mm范围之内,平均值为8.275 mm,变形量差值最大百分比为4%。可以看出,隔振器布置合理,变形受力均匀。

3 机组振动特性分析

3.1 模态分析

模态分析是动力学分析的基础内容,工程上有助于在产品设计之前避免可能发生的共振,有助于在其它动力分析中估算求解控制参数。模态分析的实质是计算结构振动特征方程的特征值和特征向量。典型的无阻尼结构自由振动的运动方程式为

其中:K表示隔振器的动刚度,令{X}={Φ}sin(ωt+ψ),代入式(4),有

式(5)为结构振动的特征方程,模态分析就是计算该特征方程的特征值ω和特征向量[Φ]。

在模态分析中,前6阶对结构变形的分析影响大,是结构整体性能的反映,高阶涉及到结构的局部特性,本文不予考虑。约束状态下公共底座的固有频率及振型如表4所示。

表4 前6阶固有频率及振型

表4中:Roll表示绕x轴摇摆,即横摇;Pitch表示绕y轴摇摆,即纵摇;Yaw表示绕z轴摇摆,即平摇。

柴油发电机组的额定转速为750 r/min,即激振频率为12.5 Hz,从表中可以看出,前6阶固有频率都避开了柴油机激励频率,所以隔振器的选型和布置合理,公共底座的设计也合理。

此外,基于隔振器位置的不同,其系统的固有频率也会有显著的不同,这一款公共底座隔振器的选型横向刚度大于垂向刚度,有效避免了水平方向的巨大位移。

3.2 扰动力分析

在多缸机柴油机中,除了各缸中的惯性力外,还存在各种惯性力对柴油机重心形成的合成惯性力矩,详见表5。

表5 惯性力和惯性力矩

通过查询该机组的资料,可知该5缸柴油发电机组的主要扰动力矩如表6所示,主要有1.0谐次和2.0谐次往复惯性力矩,2.5谐次和5.0谐次倾覆力矩。

3.3 振动响应分析

按照表6的数据加载各阶力矩,进行谐响应分析,得到的最大应力为33.396 MPa,远小于上文提到的抗拉强度σb和屈服强度σs,位置位于公共底座上由柴油机向发电机过渡的位置,如图4所示。

表6 柴油发电机组扰动力

图4 谐相应分析最大等效应力

在工程实际中,当公共底座的刚度不够时,容易发生机组的“V”形变形,严重时,甚至会导致高弹性联轴器的断裂,高弹性联轴器能够补偿径向、轴向、角向的对中误差,补偿旋转动量的振荡,能够较好的保护柴油机和电机。如果实际中确实已经发生了联轴器的断裂,可以考虑增加底座的刚度、在联轴器中心面平面布置隔振器、在柴油机与电机之间布置刚性隔板等。

3.4 频率响应分析

为了探求不同频率下柴油发电机组的振动响应特性,计算了最高阶扰动频率即75 Hz频率内的振动响应特性,如图5所示。

图5 75 Hz内的振动响应特性

单层隔振是一种最简单的隔离振动的方法,理论上隔离效果会随着外界干扰频率增加而更加显著,而图5中仿真结果显示,虽然Pitch方向2.0阶力矩扰动比1.0阶动大得多,但振动响应却没有相应地增强,反而有点削弱;Roll方向2.5阶振动响应则强烈的多,5阶振动响应由于力矩较小,但也有一定的幅值波动。上面两个现象表明:

(1)就分析频率范围内相对而言,在高频段由于隔振器的存在,会产生一定的驻波效应,隔振器的刚度在很大程度上会随着频率的增高而有所增加,相应的单层隔振在高频段内的衰减值也会有所下降;

(2)横摇(Roll)方向的力矩比纵摇(Pitch)方向的力矩对柴油发电机组振动的影响更大。

4 模态试验分析

模态分析是动力学分析的基础,它的准确性也直接影响到之后的动力学分析的可信度。

4.1 试验设备及试验方法

试验设备采用北京东方所DASP智能数据采集和信号分析系统V10,包括一个东方所4通道采集仪,DASP分析App,加速度传感器,另外使用激振器作为激励,图6模态试验安装示意图。在进行试验时,首先在DASPApp中建立与底座实际尺寸和结构一致的模型,分为2层共设置了104个激励点,如图7。因3.3节中分析出过渡段振动响应最明显,故在试验中,将加速度传感器置于公共底座的过渡段,然后通过激振器在各测点位置对机组进行1 Hz~1 000 Hz正弦扫频的垂向激励,获取整个机组垂向的模态频率,图8所示为试验现场。

图6 模态试验安装示意图

4.2 试验结果

表7 模态试验结果

4.3 对比分析

试验结果显示,x轴方向与纵摇(Pitch,绕y轴)方向耦合,y轴方向与横摇(Roll,绕x轴)方向耦合。仿真值与试验值的各阶固有频率偏差百分比分别为59.5%,4.3%,0,4.0%,3.5%,2.8%,除1阶固有频率有较大的偏差外,其余固有频率的偏差都较小,究其原因,在试验分析时,只在垂向进行激励,加速度传感器也只捕捉垂向的振动加速度,对于横向的振动响应无法捕捉。而仿真计算结果显示,公共底座的第1阶模态正是横向移动和横摇,因此,两者出现了较大的误差。

图7 模态试验测点布置图

图8 模态试验现场安装图

5 结语

针对该5缸柴油发电机组设计的公共底座能够满足钢板强度上的要求,同时隔振器的选型能够满足机组的安全性要求,机组的固有频率避开了一次激励频率。对于柴油机的激励,横摇(Roll)方向的力矩比纵摇(Pitch)方向的力矩对柴油发电机组振动的影响更大。


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