静音发电机组吊装结构分析及优化

殷治梅, 孙勇, 仇海龙, 吴宁宁

1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261061；2.潍柴重机股份有限公司，山东 潍坊 261061

0 引言

静音发电机组因噪音低、外型美观，越来越多地应用在医院、机场、银行等对噪声及外观要求较高的公共场所。随着发电机组市场需求变化和技术升级，节约开发成本、提高可靠性的产品轻量化设计也越来越多地应用于产品的开发和设计。为了保证发电机组工作的安全性和可靠性，发电机组静音箱进行吊装时应尽量保持水平[1-2]。静音发电机组吊装结构的设计十分重要，必须保证整个机组吊装过程的安全性及平衡性，一旦吊装结构出现问题，轻则导致吊耳变形断裂，重则导致机组掉落到地面，造成严重损失。传统的静音箱机舱顶部有4个吊耳，需要2组吊装横梁来支撑吊耳，尽管吊装方式能够保证吊装的安全性及平衡性，但吊耳和吊装横梁仅在吊装时使用，一定程度上造成了设计浪费和成本增加。随着CAE仿真技术的应用和轻量化设计创新能力的提高，为了进一步减轻静音箱的质量，在保证吊装安全可靠的前提下，工程中也逐渐采用1组吊装横梁和2个吊耳的吊装结构优化方案。

本文中采用CAE仿真技术对1组吊装横梁和2个吊耳的优化吊装结构进行强度、位移分析，评估优化吊装结构的可靠性和平衡性，为吊装结构的优化设计提供理论依据[3-4]。

1 静音发电机组吊装结构

静音发电机组主要部件包括发动机、发电机、底盘、水箱、静音箱体、吊装横梁、吊耳等。底盘主要由H型钢和钢板焊接而成，承受发动机和发电机的质量、振动加速度及扭转等附加载荷[5-7]，柴油机曲轴和发电机转子旋转中心线的同轴度要求高，底盘必须具有较高的强度；静音箱体的强度要求不高，箱体周围有进排气格栅，面板主要采用冷轧钢板剪切、冲压制作，包裹在发电机组外围，起到隔音降噪的作用[8-10]；吊装横梁及吊耳由H型钢和钢板焊接而成，在机组吊装时起支撑作用，吊装结构需满足吊装过程的强度及平衡性要求。

静音发电机组原吊装结构如图1所示，有2组吊装横梁和4个吊耳，吊装时4个吊耳同时起吊，能保证较好的平衡性。优化设计后的吊装结构如图2所示，将2组吊装横梁、4个吊耳优化为1组吊装横梁、2个吊耳，适当调整了梁的宽度，在吊耳处增加了加强板，并对吊耳的厚度和有效半径等参数进行了优化设计,优化后的吊装结构总质量减少约100 kg。

图1 静音发电机组原吊装结构 图2 静音发电机组优化后吊装结构

2 力学性能分析

2.1 理论基础

吊装方案设计时，为了确定吊装横梁的位置，首先需要计算整个发电机组的质心：

(1)

式中：xc、yc、zc为质心的坐标，mm；mi为第i个零部件的质量，kg；xi、yi、zi分别为第i个零部件的质心距离坐标原点在x、y、z方向的距离，mm。

将每个零部件的质量及距原点的距离带入公式，计算得到机组的质心位置为(1945.8 mm，671.2 mm，812.9 mm)。根据质心位置选择吊装横梁位置。

吊装结构材料为Q345A，材料主要参数如表1所示。

表1 吊装结构材料参数

对吊耳危险截面进行应力校核，吊耳的开孔处为危险截面[11-12]，吊耳强度应满足：

(2)

(3)

式中：τ1为吊耳实际承受的剪应力，MPa；g为自由落体加速度；δ1为吊耳实际承受的拉应力，MPa；β为载荷系数，β=1.5；m为发电机组总质量，kg；n为吊耳个数，n=2；S为吊耳受力面积，mm2；R为吊耳板外边缘有效半径，mm；r为吊耳板内边缘有效半径，mm。

优化前后吊耳强度理论计算结果如表2所示(表中Δ为吊耳外缘和內缘的有效半径之差)。

表2 优化前后吊耳强度理论计算结果

优化前吊耳厚度为12 mm，Δ=20 mm，由计算结果可知，剪应力τ1<[τ]，拉应力δ1≮[δ]，优化前吊耳强度不符合设计要求；优化后吊耳厚度为14 mm，Δ=40 mm，由计算结果可知，剪应力τ1<[τ]，拉应力δ1<[δ]，优化后吊耳强度符合设计要求。

选用吊耳厚度为14 mm，Δ=40 mm的吊耳进行仿真计算和试验验证。

2.2 有限元模型

有限元法已广泛应用于吊装结构设计[13-14]。吊装结构受力分析常采用弹性有限元模型，材料变形服从胡克定律，应力与应变为线性关系。弹性有限元基本方程包括平衡方程、几何方程和物理方程，描述弹性体内任意点的应力、应变、位移和外力之间的关系。

静音发电机组有限元模型如图3所示。

图3 静音发电机组有限元模型

由于吊装结构外形对计算结果影响较小，有限元仿真模型不考虑发动机、发电机和水箱的外形，仅考虑其质量和质心位置。将发动机、发电机和水箱模型简化为在质心位置的质点，并与底盘建立相对应的接触关系，在Abaqus中直接对质点施加载荷。底盘及吊装梁质量为三维模型，吊耳中间上方1.5 m处设置吊点。网格划分采用Hypermesh中计算结果较为精确C3D10M类型网格。

2.3 载荷工况及边界条件

吊装横梁和吊耳在机组起吊时承受载荷，包括发动机、发电机、水箱、底盘、吊装结构的质量，载荷系数K=1.5，通过施加1.5g模拟1.5倍的载荷系数。将吊钩位置设为有限元节点，此节点各个方向的位移全部进行约束[15-16]。

3 仿真结果分析及试验验证

3.1 结果分析

静音发电机组吊装结构应力仿真结果如图4所示。位移仿真结果如图5所示(标尺为y方向位移，mm)。

由图4可知，吊耳孔最大应力为67 MPa，位于吊耳中心孔上方，小于材料Q345A的许用应力202.9 MPa，优化后的吊装结构强度满足要求。

图4 静音发电机组吊装结构应力云图 图5 静音发电机组吊装位移云图

以位移衡量起吊的平衡性，由图5可知，吊装时整体质心偏向发电机端，发电机端最大下沉位移为54.16 mm，满足静音发电机组的吊装平衡性要求(此发电机组偏移量设计允许范围为≤100 mm)。

3.2 试验验证

对新设计的静音发电机组按照试验规范进行吊装试验，吊装试验现场如图6所示。吊装时选用圆形吊装带，将发电机组吊离地面50 cm时静载5 min，观察吊装结构变形和受损情况以及机组的平衡性。吊装试验共重复进行5次，吊装试验结束后，吊装结构无变形及受损；通过水平测量仪测得静音机箱每次吊装的垂直偏移分别为51.8、52.0、52.3、51.9、52.1、52.0 mm，均小于吊装偏移允许范围，试验结果表明优化设计的吊装结构满足发电机组的吊装要求。

图6 静音发电机组吊装试验

4 结语

以材料力学和理论力学为理论基础，结合静音箱吊装结构的实际使用工况，对传统静音发电机组吊装结构进行优化设计，将2组吊装横梁、4个吊耳简化为1组吊装横梁、2个吊耳，利用网格绘制软件Hypermesh、仿真软件Abaqus对优化的静音发电机组吊装结构的应力和位移进行仿真分析，通过试验检验优化后吊装结构的可靠性和吊装平衡性。

1)优化后静音发电机组吊装结构的强度满足使用要求。

2)优化后静音发电机组垂直方向位移的仿真计算结果为54.16 mm，与吊装试验结果位移 52 mm比较接近，满足设计允许偏移量小于等于100 mm的要求。

3)吊装结构经优化设计后，质量减小约100 kg，静音发电机组更加轻量化，降低了产品开发成本，增大了产品的竞争力。