柴油发电机轴承间隙对机组轴系振动的影响

迟睿新

摘 要：柴油发电机组主要由原动机（柴油机），发电机，机组公共底座组成。而原动机与发电机的连接则是有两种方式：1.通过薄金属叠压而成的刚性联轴器；2.通过由不锈钢，橡胶或是工程塑料等组合做成的弹性联轴器，前者由于结构简单，价格便宜被广泛应用。本文主要讨论由原动机曲轴，刚性联接器和发电机转子组成刚性联结系统组合的机组轴系振动问题。振源一般来至于原动机，通过联轴器传至发电机，进而带动整个系统组合振动。而振动的强度取决于发电机的后轴承室和轴承外圈的配合间隙以及联轴器片的刚度。为此本文建立了柴油发电机组轴系的简化模型，模拟在这个过程中，不同的轴承间隙对系统振动的影响。最后，通过模拟结果来预测和减少柴油发电机组的轴系振动。

关键词：发电机：轴承间隙：机组振动：机组轴及影响：

1 简介

柴油发电机组由于其结构简单， 建设周期短，性能稳定，移动方便等优点在现代工业中被广泛应用。但是柴油发电机组也有其固有的缺点，比如单机容量小，突发性机械故障率高，维修成本高，排放，噪声和振动等问题。在振动方面，国内外已经有许多关于降低噪声和振动的措施。例如，在机组公共底座上设计新型的隔振器来减小柴油发电机组的机械振动，隔振就是将振动源与地基等结构或机器设备之间装设隔振器或隔振垫层，用弹性连接代替刚性连接，以隔绝或减弱振动能量的传递，从而实现减振的目的。降低柴油发电机机组系统的重心就是升高柴油机和发电机的底脚高度，将底脚从底部移至腰部，相应的发电机的机身就会降低，甚至降至与机组底座中部平齐，这样可以最大程度的降低机组整体的重心，从而达到减轻机组振动的效果等等。但是现有的这些被动措施都没有办法从根本上主动减轻柴油发电机组的振动特性。

本文建立了柴油发电机组的传动系统简化模型，包括发动机曲轴，發电机联轴器片，发电机转子和轴承。通过计算整个传动系统在发电机运转时的轴系振动，来验证不同的轴承间隙对系统振动的影响。相信最终结论对于改善柴油发电机组的机械振动会有所帮助。

2 柴油发电机组传动系统介绍

2.1 机组轴系基本数据

轴系布置数据

机组安装类型：柴油发电机组；中间连接方式：联轴器；减震器：有。

柴油机基本数据

引擎输出功率：1800kW；气缸数目：12：额定转速：1500rpm：最低额定转速：600rpm。

发电机基本数据

发电机类型：交流无刷同步发电机；发电机极对数：2；发电机负荷：2250kVA；发电机轴转速：1500rpm。

2.2 轴系扭振系统当量图

图1是轴系扭振系统当量图，根据轴系扭振系统当量图可以计算出柴油发电机组在正常工作转速范围内，轴端的扭振应力和发电机转子的惯性力矩是否超过许用值，在符合要求（CG/Z001-84）的前提下，可以进一步建立三维简化模型。

图2是柴油发电机组的轴系传动系统的三维模型简化图。发电机转子驱动端（图示发电机风扇的左侧）由联轴器支撑，另一端由非驱动端（图示右侧）上的一个滑动轴承支撑。柴油机的飞轮和发电机转子通过具有固定螺栓的若干张联轴器片连接，联轴器具有很好的平面度和轴向刚度，因此它可以看作是一种膜片。同时联轴器片的弹性又可以消除柴油机曲轴和发电机转子两个转子系统的不对中。发电机转子在联轴器一侧的允许位移量大于在非驱动端侧的允许位移量。也就是说柴油机飞轮上较大的位移或振动将导致发电机轴承上的超限位移。

3. 传动的模拟分析

3.1 发电机转子惯性矩

发电机转子上零部件多数为不规则形状，如果按1：1模型计算惯性矩，十分复杂，而且可能没办法得到计算结果。这里就需要将实物简化成计算机可以模拟的模型，一些半径较小，质量较轻的零件忽略，通过取等效质量和惯性力矩建立发电机转子简化模型。表1给出了发电机轴系的计算质量和惯性矩。

3.2 联轴器

联轴器片具有内外两圈固定孔，外侧孔通过紧固螺栓固定在柴油机的飞轮上，内侧孔通过紧固螺栓与发电机转轴（2831kg）连接，联轴器片为SAE#18，5片的厚度为1.5mm的钢板叠压而成，经过软件计算出的扭矩形变角度为0.006697，刚度为8.71×107N﹒m。

3.3 发电机转子和轴承

图5为发电机转子的简化模型。发电机的转轴包含转子铁心、风扇（含风扇支架）、平衡环、轴承以及一些可以忽略质量的零部件。发电机转子上的部件多数是通过过盈配合安装在转轴上，在柴油发电机组运行时，发电机转子上的部件，几乎不会产生转动位移，所以为了简化计算，本文将所有发电机转子部件简化为一个刚性的整体。为了验证轴瓦和轴承室之间的薄油膜对柴油发电机组轴系振动的影响，轴承侧建立了一系列简化弹簧模拟模型，也就是将轴瓦与转轴之间的薄油膜模拟成径向弹簧，轴瓦将其模拟成等质量的实心模块。轴瓦和轴承室之间的薄油膜可以被简化认为是一个径向变形的非定心弹簧模型。在1500rpm的运行条件下，通过触发柴油发电机一侧的振动，对于非定心弹簧模型，软件会使用非线性方程积分计算预测挤压油膜性能。模拟发电机转子转轴和轴承轴瓦之间的油膜压力来获得传动系统的动态特性。

4 轴瓦和轴承室之间的间隙的影响

根据以上的参数，经过模拟计算，图4显示了轴瓦和轴承室之间的间隙是会影响柴油发电机机组的轴系振动。从图中我们可以看出，在间隙0.03mm以下的时候，轴承的间隙对于柴油发电机机组的振动几乎没有影响，是一个相对比较平稳的平线，略微有上扬的趋势。但是如果间隙增加超过0.03mm，柴油发电机组轴系振动会突然升高。而且随着间隙的增加，当轴承间隙超过0.05mm时，机组的振动幅度会呈现非直线型的增长。此时轴瓦和轴承室之间的挤压膜的动态性能较低。直接导致由串联连接构成的这个机组轴系动态性能也显著降低，振动加大。

为了验证模拟的有效性，使用四向振动测试仪器，对不同轴瓦间隙的机组轴系振动结果进行实测绘制，图5显示了大间隙（0.058mm）和小间隙（0.029mm）的轴振动轨迹对比，柴油发电机组同样运行在1500rpm的转速下，触发柴油发电机一侧的同样振幅的振动，虽然大间隙（0.058mm）的振动位移多数是在合格范围内，但是小间隙的振动位移无论是横向或是纵向都具有更小的振动位移量，也使整个机组的轴系具备更稳定的性能。

5 结论

本文使用了简化的柴油发电机组的轴系统分析模型，模拟了机组轴系的振动。模型内的发电机轴承被模拟为径向挤压弹簧，用于计算对轴系振动的影响。经过模拟计算结果和实测数据绘图分析，轴承间隙的大小是影响柴油机组振动的影响因素之一，减小发电机的轴承间隙，甚至提高润滑油粘度可以改善整个柴油发电机组的轴系振动。