引言
內(nèi)燃機車柴油發(fā)電機組的振動問題由來已久,過大的振動會影響主發(fā)電機的技術(shù)性能和使用壽命。出口非洲的某型內(nèi)燃機車,因批量出現(xiàn)主發(fā)電機在機車上振動值超標,嚴重影響項目交付,過大的振動嚴重影響主發(fā)電機的壽命,并且每次處理振動問題時,需對主發(fā)電機一柴油機機組進行重新組裝,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,給配件和整機制造商造成巨大損失。
本文根據(jù)該型機車的特點,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)致振動超標的根本因素。通過分析主發(fā)電機在該型機車上的振動數(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,提出了相應(yīng)的解決方案,為后續(xù)類似機車的設(shè)計、改造和故障處理提供了借鑒。
1振動原因分析
主發(fā)電機單機試驗時振動值合格,在機車上振動值超標。分析造成此種現(xiàn)象的原因,應(yīng)從單主發(fā)電機開始,再將發(fā)電機和柴油機作為一個整體系統(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)電機單機振動合格,說明主發(fā)轉(zhuǎn)子動平衡和整機組裝合格,但是和柴油機組裝成機組后振動又超差,分析可能的原因有:
(1）主發(fā)轉(zhuǎn)子與柴油機曲軸動平衡合格,但組裝后整個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)子與柴油機曲軸的不平衡量疊加等原因所致,這個原因可以通過組裝前的模擬試驗來查找并解決。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)定子安裝支撐點少,導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。對于中大型主發(fā)電機,定子地腳支撐不得少于四個(一邊各兩個）,接觸面應(yīng)足夠大,且地腳支撐之間的距離也應(yīng)足夠大,確保電機重心在兩個地腳中心的附近。這樣才能保證組裝后的主發(fā)電機足夠穩(wěn)定,充分化解柴油機通過定子傳遞過來的振動,避免振動集中在電機某一部分。這個問題在設(shè)計初期就應(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,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,避免對電機其余部件造成不良影響。
(3）柴油機與主發(fā)電機組成的系統(tǒng)產(chǎn)生共振。這是系統(tǒng)設(shè)計中盡力避免但又經(jīng)常出現(xiàn)的問題,設(shè)計初期應(yīng)通過模擬建模和樣機試驗準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)機構(gòu)檢測柴油發(fā)電機組的固有頻率,分析振動超差機組的振動頻譜,結(jié)合一系列排除試驗,最終確定系統(tǒng)共振是導(dǎo)致主發(fā)電機振動值超標的根本原因。專業(yè)機構(gòu)檢測顯示柴油發(fā)電機組的固有頻率為45Hz,而振動頻譜分析表明主發(fā)電機45Hz的振動與主發(fā)電機所有振動的百分比超過50%,頻譜分析如圖1所示。因此,需要采取措施適當提高主發(fā)電機的固有頻率,使主發(fā)電機固有頻率偏離機組共振頻率。同時要采取措施,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
由于該機車已經(jīng)生產(chǎn)20列,如對整體結(jié)構(gòu)做大的改動,費用將非常昂貴,這是用戶和制造商都無法接受的。因此需在原部件做適當改動,要能充分利用原部件,避免原部件報廢或者改造費用過高,要達到既不產(chǎn)生較大費用,同時也能顯著提高主發(fā)電機固有頻率的目的。通過分析主發(fā)電機結(jié)構(gòu),尋找強度和穩(wěn)定性的薄弱點,最終選擇對主發(fā)電機端蓋做升級,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,提高端蓋的強度和穩(wěn)定性,提高主發(fā)電機固有頻率:（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,在原端蓋的兩個筋板之間沿半徑方向增加彈簧機構(gòu)(圖中簡化為單一彈簧）,彈簧機構(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)端蓋的強度試驗數(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構(gòu)之間的空間里灌裝橡膠,使端蓋和彈簧機構(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,確保整個彈簧阻尼的穩(wěn)定性,使其不會因為長期運行而產(chǎn)生移位,同時蓋板壓縮彈簧和橡膠,也會在軸向產(chǎn)生部分內(nèi)應(yīng)力,進一步提高端蓋的內(nèi)應(yīng)力。
彈簧阻尼端蓋有如下幾個優(yōu)點:(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,進而提高整個主發(fā)電機的固有頻率,使主發(fā)電機固有頻率遠離柴油發(fā)電機組的共振頻率,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,一方面可增強端蓋的剛度,進而提高端蓋穩(wěn)定性,避免在機組運行過程中產(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,改造費用低,便于用戶和制造商接受。
機車試驗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)電機的固有頻率,從而降低柴油發(fā)電機組系統(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)電機組系統(tǒng)振動值,達到了通過改動小部件卻顯著提高系統(tǒng)性能的目標,且改造費用低,用戶和制造商均滿意。
3結(jié)語
如何降低內(nèi)燃機車柴油發(fā)電機組的振動值是各機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車,如何經(jīng)濟、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真研究。本文根據(jù)出口機車的特點,創(chuàng)造性地設(shè)計出了彈簧阻尼端蓋,既可充分利用現(xiàn)有端蓋,又可以解決出口機車存在的實際問題,這值得在后續(xù)新型機車上推廣。
