王敬涛
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摘要:针对柴油机激振与发电机的振动易引起，上箱体局部共振的问题,根据上箱体冷却器的固有频率,结合隔振方法 在减小冷却器振动的条件下设计一种新型冷却器的悬挂式安装方法井对隔振器重新进行设计。因冷却器的固有频率很低, 故利用隔振方法将其与机座进行隔离,阻断由机座传导至冷却器的高频振动。先利用Benstone振动数据采集仪对发电机上 箱体标记位置进行振动数据的采集,井与国际标准规定的振动数据做比较,确定振动速度超标位置。再利用LMS振动测试 设备对上箱体中冷却器进行刚体模态测试，由得出的具体刚体模态测试数据可知冷却器的固有频率,据此设计出一种新的 悬挂式冷却器安装方式。最后结合有限元数值模态分析软件对新设计的冷却器进行谐振分析。分析表明,悬挂式安装方式 的冷却器安装此橡胶隔振器后振动频率明显降低。
关键词:振动;固有频率;隔振器;模态分析;刚体模态测试
引言
随着机械产品大型化和轻量化的发展趋势,对新 型材料的研究和机械设备的减振提出了越来越高的要 求,其中尤以降振为当今研究重点。虽然振动技术有 时可以造福人类,如乐器演奏、按摩器材和超声滚压 加工等。但在机械产品中,多数情况下振动是不利 的,机械产品的振动会加速某些零部件的磨损,造成 紧固件的断裂和脱落。振动问题一直是制约制造业发 展的一大难题,国内外专家对如何减小振动带来的问 题提出了很多可靠的办法。在发电机上箱 体的改进设计中,利用FEM建立上箱体模型,并将模 型在UG中简化后导入ANSYS中进行有限元分析,从 而得出，上箱体壳体有可能产生共振的薄弱部位,并采 取对此部位焊接两条相互交叉的加强筋的改进设计。将改进后的上箱体简化模型再次进行有限元分析,并 比较改进前后的分析结果,结果证明焊接加强筋的方 法能够将发电机上箱体固有频率提高10Hz左右,避开与柴油发电机的共振频率,达到减振。
1 问题分析
发电机上箱体的非驱动端包含了发电机电缆的出 线部分,电缆线通过螺栓螺母与固定在接线盒上的铜牌连接,若对整个上箱体采用隔振的方法,则可能导 致上箱体振幅将比刚性连接时更大,这对发电机是有 很大危害的。若将整个上箱体内的所有设备采取隔 振设计,那无论是设计成本，还是发电机体积都会增大 很多。故针对发电机上箱体易产生共振的问题,本文 不采取安装隔振器来实现减振,而是从上箱体的结构 出发,对上箱体薄弱结构的薄弱部位实行加固处理,使 其固有频率提高,以避开柴油机发电机的振动频率,防 止共振,从而达到减振目的。
2上箱体数值模态分析
用ANSYS有限元分析软件对在UG软件中简化 过的FEM发电机上箱体模型进行数值模态分析。
2.1模型简化过程
模型的简化是否合理对分析结果的正确性很重 要。发电机上箱体含有很多零部件,若直接将没简化 的发电机上箱体模型导人ANSYS中,则这些零部件的 材料定义将非常复杂，数值模态分析将无法进行。 故将发电机上箱体模型导入ANSYS前用三维软件UG 将上箱体模型简化。简化的规定如下:省略带绕组的 转子、将定子绕组的质量附加在定子铁芯上并将其作 为一个部件装配在发电机FEM模型中、忽略焊接工艺 的影响、将两个部件间的螺栓连接预紧力用他们之间 的表面摩擦力代替等等,得到发电机FEM模型 。
2.2模型分析
将导入ANSYS中的简化模型定义好材料、网格划 分、加载求解,在最后分析计算时,将发电机上箱体 底脚螺栓孔位置的接触面设为固定面,并打开阻尼属 性,对上箱体的25阶局部模态进行求解。从模态分析结果图可看出,发电机上箱体的振动 分为两部分:第一部分为振动频率在5Hz-13Hz之间 的前6阶,分析可知这应该是冷却器的振动;第二部分 就是发电机上箱体壳体的振动,振动频率在35Hz 92.5Hz之间,其中，可以分析出35Hz为冷却器盖板的 振动频率,剩下的为发电机上箱体驱动端的振动频率， 且它的最小振动振动频率为54Hz。根据发电机上箱体的组成结构知，发电机上箱 体是由驱动端和非驱动端组成的,从上述模态和 振型结果图可以看出,发电机上箱体驱动端和非驱 动端各面局部模态都普遍偏低,查阅柴油发电机的 振动频率后对比可知，发电机上箱体的振动频率与 柴油发电机点火启动频率很接近,极易产生共振,引 起破坏。
3上箱体改进设计
利用ANSYS对发电机上箱体分析后得出发电机 上箱体的薄弱部位为壳体各个面的几何中心,且此处 的振动幅度最大。对上箱体的薄弱部位焊接两条相互 交叉的加强筋来对此处进行加固,对改进设计后的发 电机上箱体重新建立FEM模型并简化后导入ANSYS 进行模态分析,得到的与上箱体结构改进前对应的模 态表和部分模态振型图。将加固前与加固后的发电机上箱体后19阶壳体 局部模态及振型图对比,可以发现:发电机上箱体驱动 端最小振动频率由54Hz提高至63.5Hz,说明对上箱 体的薄弱部位焊接两条相互交叉的加强筋后上箱体固 有频率提高了10Hz左右。即证明焊接加强筋对提高 上箱体的固有频率是有作用的。
4刚体模态测试证明
为了得到焊接加强筋后的发电机上箱体确切的固 有频率,对其进行刚体模态测试。将模拟发电机固定 在实验台上，并在LMS Test Lab中建立发电机上箱体 的简化模型,用PCB086D20激振铁在需要测量的部位 用同样大小和方向的力连续敲击三次,并将三次敲击 结果进行拟合,发电机上箱体刚体模态测试的一 阶局部模态为33Hz,低于ANSYS数值模态分析的一阶固有频率63.5Hz。再次证明焊接加强筋的方法能 够使上箱体的固有频率提高。
5结论
主要针对船用柴油发电机上箱体振动问题,利用 分析软件辅助进行改善设计。
改善措施有: (1)对上箱体振动进行检测,得出上箱体各个 位置的振动数据。对上箱体进行有限元分析,得出其 前25阶固有频率和振型,与检测到的上箱体振动数 据对比,验证有限元数值模态分析的可靠性。 (2)利用LMS振动测试设备对上箱体中的冷却 器进行实验模态分析,根据其固有频率和振型设计了 一种新的悬挂式的冷却器安装方式,并根据安装方式 设计了一款隔振频率为10Hz的隔振器。分析结果表 明隔振器的隔振效果良好。本文改进设计了上箱体,对上箱体的薄弱部位焊 接两条相互交叉的加强筋来提高发电机上箱体的固有 频率,避开了柴油发电机的共振频率。在发电机上箱 体的改进设计中,利用FEM建立上箱体模型,并将模 型在UG中简化后导入ANSYS中进行有限元分析,从 而得出，上箱体壳体有可能产生共振的薄弱部位,并采 取对此部位焊接两条相互交叉的加强筋的改进设计。将改进后的上箱体简化模型再次进行有限元分析,并 比较改进前后的分析结果,结果证明焊接加强筋的方 法能够将发电机上箱体固有频率提高10Hz左右,避开与柴油发电机的共振频率,达到减振。
参考文献
[1]刘乐平,邹欢,曾昭韦,邬向东,严亚骏,杨振庭.针对柴油发电机上箱体振动问题的隔振器设计[J].机床与液压,2017,45(22):9-13.
[2]刘乐平,邹欢,曾昭韦,严亚骏.针对柴油发电机上箱体振动问题的改进设计[J].组合机床与自动化加工技术,2017(07):152-154.
[3]严亚骏. 船用柴油发电机上箱体振动分析及改进设计[D].华东交通大学,2016.