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引言

內燃機車柴油發電機組的振動問題由來已久,過大的振動會影響主發電機的技術性能和使用壽命。出口非洲的某型內燃機車,因批量出現主發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電機的壽命,并且每次處理振動問題時,需對主發電機一柴油機機組進行重新組裝,所需人力、物力等生產成本極高,如果不能找出振動超標的根本原因,會導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、導致振動超標的根本因素。通過分析主發電機在該型機車上的振動數據和振動頻譜,根據頻譜分析找出振動超標的根本原因,并結合整改所投入的人力、物力和各方關注的重點,提出了相應的解決方案,為后續類似機車的設計、改造和故障處理提供了借鑒。

1振動原因分析

主發電機單機試驗時振動值合格,在機車上振動值超標。分析造成此種現象的原因,應從單主發電機開始,再將發電機和柴油機作為一個整體系統考慮。從固定不動的定子部分和旋轉的軸系分別考慮,主發電機單機振動合格,說明主發轉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）主發轉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,可能是裝配不良導致連接定位出現偏差、主發轉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。應確保定位止口的加工精度和組裝的規范操作,避免因軸系動平衡不合格而造成返工。

(2）主發定子安裝支撐點少,導致系統不穩定。對于中大型主發電機,定子地腳支撐不得少于四個(一邊各兩個）,接觸面應足夠大,且地腳支撐之間的距離也應足夠大,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電機足夠穩定,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。這個問題在設計初期就應充分考慮,如產品已經量產,在定子上焊接地腳會有較大的風險,容易引起定子變形,降低定子線圈的絕緣性能等。量產后的主發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）柴油機與主發電機組成的系統產生共振。這是系統設計中盡力避免但又經常出現的問題,設計初期應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。有部分軸承不適應柴油發電機組的系統結構,表現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。

通過專業機構檢測柴油發電機組的固有頻率,分析振動超差機組的振動頻譜,結合一系列排除試驗,最終確定系統共振是導致主發電機振動值超標的根本原因。專業機構檢測顯示柴油發電機組的固有頻率為45Hz,而振動頻譜分析表明主發電機45Hz的振動與主發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電機的固有頻率,使主發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系統共振問題的解決

由于該機車已經生產20列,如對整體結構做大的改動,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,要達到既不產生較大費用,同時也能顯著提高主發電機固有頻率的目的。通過分析主發電機結構,尋找強度和穩定性的薄弱點,最終選擇對主發電機端蓋做升級,將原普通結構端蓋改為內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,從而提高端蓋的內應力,提高端蓋的強度和穩定性,提高主發電機固有頻率:（2）利用彈簧和橡膠阻尼吸收部分振動,通過將振動轉化為其他能量,從而降低主發電機的振動值。彈簧阻尼端蓋的等效結構圖如圖2所示。

圖2彈簧阻尼端蓋的等效結構圖

彈簧阻尼端蓋的結構:（1）框體為原老結構端蓋,在原端蓋的兩個筋板之間沿半徑方向增加彈簧機構(圖中簡化為單一彈簧）,彈簧機構分內外兩層,中間帶有導向桿,所選彈簧的勁度系數和壓縮量根據端蓋的強度試驗數據選擇,既要保證產生足夠的內應力,又不能使端蓋產生有害變形:(2）然后在框體和彈簧機構之間的空間里灌裝橡膠,使端蓋和彈簧機構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定性,使其不會因為長期運行而產生移位,同時蓋板壓縮彈簧和橡膠,也會在軸向產生部分內應力,進一步提高端蓋的內應力。

彈簧阻尼端蓋有如下幾個優點:(1）端蓋的內應力增大,選擇合適的彈簧,即可使端蓋的內應力滿足特定的要求,這樣可以提高端蓋的剛度,進而提高整個主發電機的固有頻率,使主發電機固有頻率遠離柴油發電機組的共振頻率,削弱由于系統共振產生的附加振動值:(2）端蓋內部填充的橡膠,一方面可增強端蓋的剛度,進而提高端蓋穩定性,避免在機組運行過程中產生有害變形,另一方面可吸收系統產生的各階頻率的振動,將振動能量轉化為熱能量,通過通風再將熱能量散發,從而降低主發電機振動值:(3）可在原端蓋的基礎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:與原來老結構端蓋相比,彈簧阻尼端蓋能夠提高主發電機的固有頻率,從而降低柴油發電機組系統的共振:對于無法避免的振動,如轉子軸系的殘余不平衡和活塞做功產生的振動,彈簧阻尼端蓋能夠吸收轉化。因而能夠明顯降低柴油發電機組系統振動值,達到了通過改動小部件卻顯著提高系統性能的目標,且改造費用低,用戶和制造商均滿意。

3結語

如何降低內燃機車柴油發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,尤其是已經量產,無法再做大的改動的機車,如何經濟、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。本文根據出口機車的特點,創造性地設計出了彈簧阻尼端蓋,既可充分利用現有端蓋,又可以解決出口機車存在的實際問題,這值得在后續新型機車上推廣。