遲睿新

摘 要：柴油發(fā)電機(jī)組主要由原動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)），發(fā)電機(jī)，機(jī)組公共底座組成。而原動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的連接則是有兩種方式：1.通過薄金屬疊壓而成的剛性聯(lián)軸器；2.通過由不銹鋼，橡膠或是工程塑料等組合做成的彈性聯(lián)軸器，前者由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜被廣泛應(yīng)用。本文主要討論由原動(dòng)機(jī)曲軸，剛性聯(lián)接器和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子組成剛性聯(lián)結(jié)系統(tǒng)組合的機(jī)組軸系振動(dòng)問題。振源一般來至于原動(dòng)機(jī)，通過聯(lián)軸器傳至發(fā)電機(jī)，進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)組合振動(dòng)。而振動(dòng)的強(qiáng)度取決于發(fā)電機(jī)的后軸承室和軸承外圈的配合間隙以及聯(lián)軸器片的剛度。為此本文建立了柴油發(fā)電機(jī)組軸系的簡(jiǎn)化模型，模擬在這個(gè)過程中，不同的軸承間隙對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)的影響。最后，通過模擬結(jié)果來預(yù)測(cè)和減少柴油發(fā)電機(jī)組的軸系振動(dòng)。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)：軸承間隙：機(jī)組振動(dòng)：機(jī)組軸及影響：

1 簡(jiǎn)介

柴油發(fā)電機(jī)組由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 建設(shè)周期短，性能穩(wěn)定，移動(dòng)方便等優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。但是柴油發(fā)電機(jī)組也有其固有的缺點(diǎn)，比如單機(jī)容量小，突發(fā)性機(jī)械故障率高，維修成本高，排放，噪聲和振動(dòng)等問題。在振動(dòng)方面，國內(nèi)外已經(jīng)有許多關(guān)于降低噪聲和振動(dòng)的措施。例如，在機(jī)組公共底座上設(shè)計(jì)新型的隔振器來減小柴油發(fā)電機(jī)組的機(jī)械振動(dòng)，隔振就是將振動(dòng)源與地基等結(jié)構(gòu)或機(jī)器設(shè)備之間裝設(shè)隔振器或隔振墊層，用彈性連接代替剛性連接，以隔絕或減弱振動(dòng)能量的傳遞，從而實(shí)現(xiàn)減振的目的。降低柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組系統(tǒng)的重心就是升高柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)的底腳高度，將底腳從底部移至腰部，相應(yīng)的發(fā)電機(jī)的機(jī)身就會(huì)降低，甚至降至與機(jī)組底座中部平齊，這樣可以最大程度的降低機(jī)組整體的重心，從而達(dá)到減輕機(jī)組振動(dòng)的效果等等。但是現(xiàn)有的這些被動(dòng)措施都沒有辦法從根本上主動(dòng)減輕柴油發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)特性。

本文建立了柴油發(fā)電機(jī)組的傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型，包括發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，發(fā)電機(jī)聯(lián)軸器片，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和軸承。通過計(jì)算整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的軸系振動(dòng)，來驗(yàn)證不同的軸承間隙對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)的影響。相信最終結(jié)論對(duì)于改善柴油發(fā)電機(jī)組的機(jī)械振動(dòng)會(huì)有所幫助。

2 柴油發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)介紹

2.1 機(jī)組軸系基本數(shù)據(jù)

軸系布置數(shù)據(jù)

機(jī)組安裝類型：柴油發(fā)電機(jī)組；中間連接方式：聯(lián)軸器；減震器：有。

柴油機(jī)基本數(shù)據(jù)

引擎輸出功率：1800kW；氣缸數(shù)目：12：額定轉(zhuǎn)速：1500rpm：最低額定轉(zhuǎn)速：600rpm。

發(fā)電機(jī)基本數(shù)據(jù)

發(fā)電機(jī)類型：交流無刷同步發(fā)電機(jī)；發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)：2；發(fā)電機(jī)負(fù)荷：2250kVA；發(fā)電機(jī)軸轉(zhuǎn)速：1500rpm。

2.2 軸系扭振系統(tǒng)當(dāng)量圖

圖1是軸系扭振系統(tǒng)當(dāng)量圖，根據(jù)軸系扭振系統(tǒng)當(dāng)量圖可以計(jì)算出柴油發(fā)電機(jī)組在正常工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，軸端的扭振應(yīng)力和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的慣性力矩是否超過許用值，在符合要求（CG/Z001-84）的前提下，可以進(jìn)一步建立三維簡(jiǎn)化模型。

圖2是柴油發(fā)電機(jī)組的軸系傳動(dòng)系統(tǒng)的三維模型簡(jiǎn)化圖。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)端（圖示發(fā)電機(jī)風(fēng)扇的左側(cè)）由聯(lián)軸器支撐，另一端由非驅(qū)動(dòng)端（圖示右側(cè)）上的一個(gè)滑動(dòng)軸承支撐。柴油機(jī)的飛輪和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過具有固定螺栓的若干張聯(lián)軸器片連接，聯(lián)軸器具有很好的平面度和軸向剛度，因此它可以看作是一種膜片。同時(shí)聯(lián)軸器片的彈性又可以消除柴油機(jī)曲軸和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不對(duì)中。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在聯(lián)軸器一側(cè)的允許位移量大于在非驅(qū)動(dòng)端側(cè)的允許位移量。也就是說柴油機(jī)飛輪上較大的位移或振動(dòng)將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)軸承上的超限位移。

3. 傳動(dòng)的模擬分析

3.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣性矩

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上零部件多數(shù)為不規(guī)則形狀，如果按1：1模型計(jì)算慣性矩，十分復(fù)雜，而且可能沒辦法得到計(jì)算結(jié)果。這里就需要將實(shí)物簡(jiǎn)化成計(jì)算機(jī)可以模擬的模型，一些半徑較小，質(zhì)量較輕的零件忽略，通過取等效質(zhì)量和慣性力矩建立發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)化模型。表1給出了發(fā)電機(jī)軸系的計(jì)算質(zhì)量和慣性矩。

3.2 聯(lián)軸器

聯(lián)軸器片具有內(nèi)外兩圈固定孔，外側(cè)孔通過緊固螺栓固定在柴油機(jī)的飛輪上，內(nèi)側(cè)孔通過緊固螺栓與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸（2831kg）連接，聯(lián)軸器片為SAE#18，5片的厚度為1.5mm的鋼板疊壓而成，經(jīng)過軟件計(jì)算出的扭矩形變角度為0.006697，剛度為8.71×107N﹒m。

3.3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和軸承

圖5為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的簡(jiǎn)化模型。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸包含轉(zhuǎn)子鐵心、風(fēng)扇（含風(fēng)扇支架）、平衡環(huán)、軸承以及一些可以忽略質(zhì)量的零部件。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的部件多數(shù)是通過過盈配合安裝在轉(zhuǎn)軸上，在柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的部件，幾乎不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)位移，所以為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文將所有發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子部件簡(jiǎn)化為一個(gè)剛性的整體。為了驗(yàn)證軸瓦和軸承室之間的薄油膜對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組軸系振動(dòng)的影響，軸承側(cè)建立了一系列簡(jiǎn)化彈簧模擬模型，也就是將軸瓦與轉(zhuǎn)軸之間的薄油膜模擬成徑向彈簧，軸瓦將其模擬成等質(zhì)量的實(shí)心模塊。軸瓦和軸承室之間的薄油膜可以被簡(jiǎn)化認(rèn)為是一個(gè)徑向變形的非定心彈簧模型。在1500rpm的運(yùn)行條件下，通過觸發(fā)柴油發(fā)電機(jī)一側(cè)的振動(dòng)，對(duì)于非定心彈簧模型，軟件會(huì)使用非線性方程積分計(jì)算預(yù)測(cè)擠壓油膜性能。模擬發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸和軸承軸瓦之間的油膜壓力來獲得傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

4 軸瓦和軸承室之間的間隙的影響

根據(jù)以上的參數(shù)，經(jīng)過模擬計(jì)算，圖4顯示了軸瓦和軸承室之間的間隙是會(huì)影響柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組的軸系振動(dòng)。從圖中我們可以看出，在間隙0.03mm以下的時(shí)候，軸承的間隙對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組的振動(dòng)幾乎沒有影響，是一個(gè)相對(duì)比較平穩(wěn)的平線，略微有上揚(yáng)的趨勢(shì)。但是如果間隙增加超過0.03mm，柴油發(fā)電機(jī)組軸系振動(dòng)會(huì)突然升高。而且隨著間隙的增加，當(dāng)軸承間隙超過0.05mm時(shí)，機(jī)組的振動(dòng)幅度會(huì)呈現(xiàn)非直線型的增長(zhǎng)。此時(shí)軸瓦和軸承室之間的擠壓膜的動(dòng)態(tài)性能較低。直接導(dǎo)致由串聯(lián)連接構(gòu)成的這個(gè)機(jī)組軸系動(dòng)態(tài)性能也顯著降低，振動(dòng)加大。

為了驗(yàn)證模擬的有效性，使用四向振動(dòng)測(cè)試儀器，對(duì)不同軸瓦間隙的機(jī)組軸系振動(dòng)結(jié)果進(jìn)行實(shí)測(cè)繪制，圖5顯示了大間隙（0.058mm）和小間隙（0.029mm）的軸振動(dòng)軌跡對(duì)比，柴油發(fā)電機(jī)組同樣運(yùn)行在1500rpm的轉(zhuǎn)速下，觸發(fā)柴油發(fā)電機(jī)一側(cè)的同樣振幅的振動(dòng)，雖然大間隙（0.058mm）的振動(dòng)位移多數(shù)是在合格范圍內(nèi)，但是小間隙的振動(dòng)位移無論是橫向或是縱向都具有更小的振動(dòng)位移量，也使整個(gè)機(jī)組的軸系具備更穩(wěn)定的性能。

5 結(jié)論

本文使用了簡(jiǎn)化的柴油發(fā)電機(jī)組的軸系統(tǒng)分析模型，模擬了機(jī)組軸系的振動(dòng)。模型內(nèi)的發(fā)電機(jī)軸承被模擬為徑向擠壓彈簧，用于計(jì)算對(duì)軸系振動(dòng)的影響。經(jīng)過模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪圖分析，軸承間隙的大小是影響柴油機(jī)組振動(dòng)的影響因素之一，減小發(fā)電機(jī)的軸承間隙，甚至提高潤(rùn)滑油粘度可以改善整個(gè)柴油發(fā)電機(jī)組的軸系振動(dòng)。