针对柴油发电机上箱体振动问题的改进设计

刘乐平，邹 欢，曾昭韦，严亚骏

(华东交通大学 机电工程学院，南昌 330013)



针对柴油发电机上箱体振动问题的改进设计

刘乐平，邹 欢，曾昭韦，严亚骏

(华东交通大学 机电工程学院，南昌 330013)

提出一种对上箱体壳体薄弱部分进行加固，提高其固有频率，避开柴油机低阶点火频率以达到减震目的的上箱体改进设计。选用ANSYS有限元分析软件，对在UG中简化过的FEM上箱体模型进行数值模态分析。用三维软件UG简化模型后利用数值模态分析法得到发电机上箱体的薄弱点对其进行加固，提高上箱体的固有频率。进行刚体模态测试法确定发电机上箱体固有频率，将测试数据与数值模态分析的数据进行对比，验证设计合理性。结合有限元数值模态分析软件和LMS实验模态测试设备分析上箱体的固有频率，并采集了优化后的上箱体额定载荷下的振动数据。该数据表明：上箱体进行此改进设计能有效减小上箱体振动。

振动；固有频率；隔振器；刚体模态测试

0 前言

柴油发电机主机转速较低、变化范围大，使其振动频率范围也相应的变大，这就导致发电机上箱体很容易产生与柴油发电机相同的频率而发生共振，其里面的设备就会发生共振破坏。因此，国内外对如何控制振动的研究一直没有停止过，19世纪20年代振动控制技术才开始出现，发展到今天振动控制技术已渐渐成熟[1]。2006年杨铁军提出来轮船及动力装置的主动隔振技术[2]；同年韩春杰等人提出用有限元分析振动[3]；2010年日本菅原等人提出了半主与全主悬挂的振动控制方法[4]；2012年孙卫红等人提出了主动、被动及混沌隔振三种振动控制方法等[5]。这些前人的研究为振动控制技术的发展奠定了坚实的基础。现今，安装隔振器或改变机器本身固有频率是通用机械中常用的两种减振方法，发电机上箱体由于自身结构的原因无法采用隔振技术，故要对发电机上箱体的振动进行控制，可改变其自身的固有频率来避免与柴油发电机产生共振。本文利用ANSYS分析软件对在UG中简化后的上箱体FEM模型进行数值模态分析，得出上箱体局部模态与柴油发电机频率很接近，很容易发生共振破坏，针对此问题来对发电机上箱体改进设计。

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[6]，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[7]。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入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[8]。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模型如图1所示。

图1 发电机的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[9]，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。分析得到的发电机上箱体25阶模态如图2所示。

图2 发电机上箱体25阶模态值

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。发电机上箱体在振动频率为35Hz～92.5Hz之间的部分模态和振型如图3所示。

35.5Hz 54Hz

68Hz 77Hz

87Hz 92.5Hz图3 上箱体局部模态及振型

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[10]，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如图4、图5所示。

图4 发电机前25阶局部模态表

36Hz 63.5Hz

68Hz 77.5Hz

87Hz 92.5Hz图5 壳体局部模态及振型图

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[11]，将传感器如图6所示分布在上箱体的简化模型上，用PCB086D20激振锤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，收集到的上箱体传感器上所有的振动数据如图7所示。

从图7可看出，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。

图6 上箱体测试的传感器分布图

图7 发电机上箱体频谱图

5 结论

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。

[1] 陈康, 郭钟璠. IEC标准34—14《中心高为56毫米及以上旋转电机的机械振动—振动强度的测量、评定及限值》的简介[J]. 中小型电机, 1983(4):41-42.

[2] 杨铁军, 李新辉, 朱明刚,等. 船用柴油发电机组主动减振试验研究[J]. 振动工程学报, 2013, 26(2):160-168. [3] 韩春杰, 张海莉, 井丹丹. 基于ANSYS的钻柱纵向振动谐响应规律研究[J]. 化工自动化及仪表, 2015(8):904-907.

[4] 菅原, 能生, 邢鸿麟. 垂向半主动悬挂装置性能试验[J]. 国外铁道车辆, 2002, 39(3):32-36.

[5] 孙卫红, 晏欣. 潜艇振动与噪声控制技术的最新研究进展[J]. 噪声与振动控制, 2012, 32(5):6-10.

[6] 雷胜明, 毛小明, 朱华,等. 发电机振动异常分析与处理[J]. 设备管理与维修, 2012(9):56-58.

[7] 刘宏艺, 汤晓芬. 柴油发电机水冷却器悬挂式安装设计及振动分析[J]. 电机与控制应用, 2016, 43(3):28-32.[8] 叶艳琴. 柴油发电机组振动测试及有限元分析[D]. 南昌：南昌大学, 2010.

[9] 李黎明. ANSYS有限元分析实用教程[M].北京：清华大学出版社, 2005.

[10] 王术新, 姜春明. 船用柴油发电机组的研究现状与发展趋势[J]. 舰船科学技术, 2004, 26(4):23-25.

[11] 张立彬, 蒋帆, 王扬渝,等. 基于LMS Test.Lab的小型农业作业机振动测试与分析[J]. 农业工程学报, 2008, 24(5):100-104.

(编辑 李秀敏)

Improved Design of Upper Case for Vibration Problem of Diesel Generator

LIU Le-ping，ZOU Huan，ZENG Zhao-wei，YAN Ya-jun

(School of Mechatronics Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

A improved design method is putting forward to strengthen the weak part of the upper case body, to improve its natural frequency, to avoid the low ignition frequency of diesel engine to achieve the design of the upper case of shock absorber. Choosing ANSYS finite element analysis software to carry out the numerical modal analysis for the simplified FEM upper case model in UG software . After using three dimensional software UG simplified model and using numerical modal analysis method strengthen the weak points of the generator on the box to improve the natural frequency of the upper box body, The natural frequency of the generator is determined by the experimental modal method. Comparing the test data and numerical modal analysis of the data to verify the rationality of the design. Combined with the finite element modal analysis software and LMS experimental modal testing equipment to analysis the natural frequency of the box，and collecting the vibration data of the optimized upper box under the rated load. The data show that the improved design of the upper case can effectively reduce the vibration of the upper case.

vibration；natural frequency；isolator；rigid modal test

1001-2265(2017)07-0152-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.07.037

2016-08-31；

2016-12-12

刘乐平(1965—)，男，江西泰和人，华东交通大学教授，高级工程师，研究方向为机电一体化、液压与气动技术方面的教学与数控机床的开发研制工作，(E-mail)jxllp@163.com。

TH162；TG65

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