利用弹簧阻尼端盖降低主发电机在机车上振动值的分析

引言

内燃机车柴油发电机组的振动问题由来已久,过大的振动会影响主发电机的技术性能和使用寿命。出口非洲的某型内燃机车,因批量出现主发电机在机车上振动值超标,严重影响项目交付,过大的振动严重影响主发电机的寿命,并且每次处理振动问题时,需对主发电机一柴油机机组进行重新组装,所需人力、物力等生产成本极高,如果不能找出振动超标的根本原因,会导致多次处理仍不能有效降低振动值,给配件和整机制造商造成巨大损失。

本文根据该型机车的特点,找出可能造成振动的所有因素,并分析出其中占比最大、导致振动超标的根本因素。通过分析主发电机在该型机车上的振动数据和振动频谱,根据频谱分析找出振动超标的根本原因,并结合整改所投入的人力、物力和各方关注的重点,提出了相应的解决方案,为后续类似机车的设计、改造和故障处理提供了借鉴。

1振动原因分析

主发电机单机试验时振动值合格,在机车上振动值超标。分析造成此种现象的原因,应从单主发电机开始,再将发电机和柴油机作为一个整体系统考虑。从固定不动的定子部分和旋转的轴系分别考虑,主发电机单机振动合格,说明主发转子动平衡和整机组装合格,但是和柴油机组装成机组后振动又超差,分析可能的原因有:

(1）主发转子与柴油机曲轴动平衡合格,但组装后整个轴系的动平衡不合格,可能是装配不良导致连接定位出现偏差、主发转子与柴油机曲轴的不平衡量叠加等原因所致,这个原因可以通过组装前的模拟试验来查找并解决。应确保定位止口的加工精度和组装的规范操作,避免因轴系动平衡不合格而造成返工。

(2）主发定子安装支撑点少,导致系统不稳定。对于中大型主发电机,定子地脚支撑不得少于四个(一边各两个）,接触面应足够大,且地脚支撑之间的距离也应足够大,确保电机重心在两个地脚中心的附近。这样才能保证组装后的主发电机足够稳定,充分化解柴油机通过定子传递过来的振动,避免振动集中在电机某一部分。这个问题在设计初期就应充分考虑,如产品已经量产,在定子上焊接地脚会有较大的风险,容易引起定子变形,降低定子线圈的绝缘性能等。量产后的主发电机再增加地脚需采取可靠的工艺手段,或者采用焊接和螺栓紧固结合的方式,避免对电机其余部件造成不良影响。

(3）柴油机与主发电机组成的系统产生共振。这是系统设计中尽力避免但又经常出现的问题,设计初期应通过模拟建模和样机试验准确把握各部件的固有频率,使大部件的固有频率间隔足够大,且要有削弱共振的补救措施。

(4）所选轴承不合理。有部分轴承不适应柴油发电机组的系统结构,表现为振动明显比使用别的轴承高。这需要与轴承厂家提前沟通,选取合适的轴承。

通过专业机构检测柴油发电机组的固有频率,分析振动超差机组的振动频谱,结合一系列排除试验,最终确定系统共振是导致主发电机振动值超标的根本原因。专业机构检测显示柴油发电机组的固有频率为45Hz,而振动频谱分析表明主发电机45Hz的振动与主发电机所有振动的百分比超过50%,频谱分析如图1所示。因此,需要采取措施适当提高主发电机的固有频率,使主发电机固有频率偏离机组共振频率。同时要采取措施,吸收部分无法降低（或不可避免）的振动。

2系统共振问题的解决

由于该机车已经生产20列,如对整体结构做大的改动,费用将非常昂贵,这是用户和制造商都无法接受的。因此需在原部件做适当改动,要能充分利用原部件,避免原部件报废或者改造费用过高,要达到既不产生较大费用,同时也能显著提高主发电机固有频率的目的。通过分析主发电机结构,寻找强度和稳定性的薄弱点,最终选择对主发电机端盖做升级,将原普通结构端盖改为内部带弹簧和橡胶阻尼的新型端盖。改动升级的目的:（1）通过在端盖上增加弹簧和橡胶阻尼,从而提高端盖的内应力,提高端盖的强度和稳定性,提高主发电机固有频率:（2）利用弹簧和橡胶阻尼吸收部分振动,通过将振动转化为其他能量,从而降低主发电机的振动值。弹簧阻尼端盖的等效结构图如图2所示。

图2弹簧阻尼端盖的等效结构图

弹簧阻尼端盖的结构:（1）框体为原老结构端盖,在原端盖的两个筋板之间沿半径方向增加弹簧机构(图中简化为单一弹簧）,弹簧机构分内外两层,中间带有导向杆,所选弹簧的劲度系数和压缩量根据端盖的强度试验数据选择,既要保证产生足够的内应力,又不能使端盖产生有害变形:(2）然后在框体和弹簧机构之间的空间里灌装橡胶,使端盖和弹簧机构之间的间隙通过橡胶融为一体:(3）最后在腔体上增加一盖板,确保整个弹簧阻尼的稳定性,使其不会因为长期运行而产生移位,同时盖板压缩弹簧和橡胶,也会在轴向产生部分内应力,进一步提高端盖的内应力。

弹簧阻尼端盖有如下几个优点:(1）端盖的内应力增大,选择合适的弹簧,即可使端盖的内应力满足特定的要求,这样可以提高端盖的刚度,进而提高整个主发电机的固有频率,使主发电机固有频率远离柴油发电机组的共振频率,削弱由于系统共振产生的附加振动值:(2）端盖内部填充的橡胶,一方面可增强端盖的刚度,进而提高端盖稳定性,避免在机组运行过程中产生有害变形,另一方面可吸收系统产生的各阶频率的振动,将振动能量转化为热能量,通过通风再将热能量散发,从而降低主发电机振动值:(3）可在原端盖的基础上通过增加配件更改为弹簧阻尼端盖,改造费用低,便于用户和制造商接受。

机车试验和固有频率检测表明:与原来老结构端盖相比,弹簧阻尼端盖能够提高主发电机的固有频率,从而降低柴油发电机组系统的共振:对于无法避免的振动,如转子轴系的残余不平衡和活塞做功产生的振动,弹簧阻尼端盖能够吸收转化。因而能够明显降低柴油发电机组系统振动值,达到了通过改动小部件却显著提高系统性能的目标,且改造费用低,用户和制造商均满意。

3结语

如何降低内燃机车柴油发电机组的振动值是各机车厂家长期研究的课题。针对某一特定的车型,尤其是已经量产,无法再做大的改动的机车,如何经济、高效地解决部件振动值高的问题,需要配件和整车制造商认真研究。本文根据出口机车的特点,创造性地设计出了弹簧阻尼端盖,既可充分利用现有端盖,又可以解决出口机车存在的实际问题,这值得在后续新型机车上推广。