劉樂平，鄒 歡，曾昭韋，嚴亞駿

(華東交通大學 機電工程學院，南昌 330013)

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針對柴油發(fā)電機上箱體振動問題的改進設計

劉樂平，鄒 歡，曾昭韋，嚴亞駿

(華東交通大學 機電工程學院，南昌 330013)

提出一種對上箱體殼體薄弱部分進行加固，提高其固有頻率，避開柴油機低階點火頻率以達到減震目的的上箱體改進設計。選用ANSYS有限元分析軟件，對在UG中簡化過的FEM上箱體模型進行數值模態(tài)分析。用三維軟件UG簡化模型后利用數值模態(tài)分析法得到發(fā)電機上箱體的薄弱點對其進行加固，提高上箱體的固有頻率。進行剛體模態(tài)測試法確定發(fā)電機上箱體固有頻率，將測試數據與數值模態(tài)分析的數據進行對比，驗證設計合理性。結合有限元數值模態(tài)分析軟件和LMS實驗模態(tài)測試設備分析上箱體的固有頻率，并采集了優(yōu)化后的上箱體額定載荷下的振動數據。該數據表明：上箱體進行此改進設計能有效減小上箱體振動。

振動；固有頻率；隔振器；剛體模態(tài)測試

0 前言

柴油發(fā)電機主機轉速較低、變化范圍大，使其振動頻率范圍也相應的變大，這就導致發(fā)電機上箱體很容易產生與柴油發(fā)電機相同的頻率而發(fā)生共振，其里面的設備就會發(fā)生共振破壞。因此，國內外對如何控制振動的研究一直沒有停止過，19世紀20年代振動控制技術才開始出現(xiàn)，發(fā)展到今天振動控制技術已漸漸成熟[1]。2006年楊鐵軍提出來輪船及動力裝置的主動隔振技術[2]；同年韓春杰等人提出用有限元分析振動[3]；2010年日本菅原等人提出了半主與全主懸掛的振動控制方法[4]；2012年孫衛(wèi)紅等人提出了主動、被動及混沌隔振三種振動控制方法等[5]。這些前人的研究為振動控制技術的發(fā)展奠定了堅實的基礎?，F(xiàn)今，安裝隔振器或改變機器本身固有頻率是通用機械中常用的兩種減振方法，發(fā)電機上箱體由于自身結構的原因無法采用隔振技術，故要對發(fā)電機上箱體的振動進行控制，可改變其自身的固有頻率來避免與柴油發(fā)電機產生共振。本文利用ANSYS分析軟件對在UG中簡化后的上箱體FEM模型進行數值模態(tài)分析，得出上箱體局部模態(tài)與柴油發(fā)電機頻率很接近，很容易發(fā)生共振破壞，針對此問題來對發(fā)電機上箱體改進設計。

1 問題分析

發(fā)電機上箱體的非驅動端包含了發(fā)電機電纜的出線部分，電纜線通過螺栓螺母與固定在接線盒上的銅牌連接[6]，若對整個上箱體采用隔振的方法，則可能導致上箱體振幅將比剛性連接時更大，這對發(fā)電機是有很大危害的[7]。若將整個上箱體內的所有設備采取隔振設計，那無論是設計成本，還是發(fā)電機體積都會增大很多。故針對發(fā)電機上箱體易產生共振的問題，本文不采取安裝隔振器來實現(xiàn)減振，而是從上箱體的結構出發(fā)，對上箱體薄弱結構的薄弱部位實行加固處理，使其固有頻率提高，以避開柴油機發(fā)電機的振動頻率，防止共振，從而達到減振目的。

2 上箱體數值模態(tài)分析

用ANSYS有限元分析軟件對在UG軟件中簡化過的FEM發(fā)電機上箱體模型進行數值模態(tài)分析。

2.1 模型簡化過程

模型的簡化是否合理對分析結果的正確性很重要。發(fā)電機上箱體含有很多零部件，若直接將沒簡化的發(fā)電機上箱體模型導入ANSYS中，則這些零部件的材料定義將非常復雜，數值模態(tài)分析將無法進行[8]。故將發(fā)電機上箱體模型導入ANSYS前用三維軟件UG將上箱體模型簡化。簡化的規(guī)定如下：省略帶繞組的轉子、將定子繞組的質量附加在定子鐵芯上并將其作為一個部件裝配在發(fā)電機FEM模型中、忽略焊接工藝的影響、將兩個部件間的螺栓連接預緊力用他們之間的表面摩擦力代替等等，得到發(fā)電機FEM模型如圖1所示。

圖1 發(fā)電機的FEM模型

2.2 模型分析

將導入ANSYS中的簡化模型定義好材料、網格劃分、加載求解[9]，在最后分析計算時，將發(fā)電機上箱體底腳螺栓孔位置的接觸面設為固定面，并打開阻尼屬性，對上箱體的25階局部模態(tài)進行求解。分析得到的發(fā)電機上箱體25階模態(tài)如圖2所示。

圖2 發(fā)電機上箱體25階模態(tài)值

從模態(tài)分析結果圖可看出，發(fā)電機上箱體的振動分為兩部分：第一部分為振動頻率在5Hz～13Hz之間的前6階，分析可知這應該是冷卻器的振動；第二部分就是發(fā)電機上箱體殼體的振動，振動頻率在35Hz～92.5Hz之間,其中，可以分析出35Hz為冷卻器蓋板的振動頻率，剩下的為發(fā)電機上箱體驅動端的振動頻率，且它的最小振動振動頻率為54Hz。發(fā)電機上箱體在振動頻率為35Hz～92.5Hz之間的部分模態(tài)和振型如圖3所示。

35.5Hz 54Hz

68Hz 77Hz

87Hz 92.5Hz圖3 上箱體局部模態(tài)及振型

根據發(fā)電機上箱體的組成結構知，發(fā)電機上箱體是由驅動端和非驅動端組成的[10]，從上述模態(tài)和振型結果圖可以看出，發(fā)電機上箱體驅動端和非驅動端各面局部模態(tài)都普遍偏低，查閱柴油發(fā)電機的振動頻率后對比可知，發(fā)電機上箱體的振動頻率與柴油發(fā)電機點火啟動頻率很接近，極易產生共振，引起破壞。

3 上箱體改進設計

利用ANSYS對發(fā)電機上箱體分析后得出發(fā)電機上箱體的薄弱部位為殼體各個面的幾何中心，且此處的振動幅度最大。對上箱體的薄弱部位焊接兩條相互交叉的加強筋來對此處進行加固，對改進設計后的發(fā)電機上箱體重新建立FEM模型并簡化后導入ANSYS進行模態(tài)分析，得到的與上箱體結構改進前對應的模態(tài)表和部分模態(tài)振型圖如圖4、圖5所示。

圖4 發(fā)電機前25階局部模態(tài)表

36Hz 63.5Hz

68Hz 77.5Hz

87Hz 92.5Hz圖5 殼體局部模態(tài)及振型圖

將加固前與加固后的發(fā)電機上箱體后19階殼體局部模態(tài)及振型圖對比，可以發(fā)現(xiàn)：發(fā)電機上箱體驅動端最小振動頻率由54Hz提高至63.5Hz，說明對上箱體的薄弱部位焊接兩條相互交叉的加強筋后上箱體固有頻率提高了10Hz左右。即證明焊接加強筋對提高上箱體的固有頻率是有作用的。

4 剛體模態(tài)測試證明

為了得到焊接加強筋后的發(fā)電機上箱體確切的固有頻率，對其進行剛體模態(tài)測試。將模擬發(fā)電機固定在實驗臺上，并在LMS Test Lab中建立發(fā)電機上箱體的簡化模型[11]，將傳感器如圖6所示分布在上箱體的簡化模型上，用PCB086D20激振錘在需要測量的部位用同樣大小和方向的力連續(xù)敲擊三次，并將三次敲擊結果進行擬合，收集到的上箱體傳感器上所有的振動數據如圖7所示。

從圖7可看出，發(fā)電機上箱體剛體模態(tài)測試的一階局部模態(tài)為33Hz，低于ANSYS數值模態(tài)分析的一階固有頻率63.5Hz。再次證明焊接加強筋的方法能夠使上箱體的固有頻率提高。

圖6 上箱體測試的傳感器分布圖

圖7 發(fā)電機上箱體頻譜圖

5 結論

本文改進設計了上箱體，對上箱體的薄弱部位焊接兩條相互交叉的加強筋來提高發(fā)電機上箱體的固有頻率，避開了柴油發(fā)電機的共振頻率。在發(fā)電機上箱體的改進設計中，利用 FEM建立上箱體模型，并將模型在UG中簡化后導入ANSYS中進行有限元分析，從而得出上箱體殼體有可能產生共振的薄弱部位，并采取對此部位焊接兩條相互交叉的加強筋的改進設計。將改進后的上箱體簡化模型再次進行有限元分析，并比較改進前后的分析結果，結果證明焊接加強筋的方法能夠將發(fā)電機上箱體固有頻率提高10Hz左右，避開與柴油發(fā)電機的共振頻率，達到減振。

[1] 陳康, 郭鐘璠. IEC標準34—14《中心高為56毫米及以上旋轉電機的機械振動—振動強度的測量、評定及限值》的簡介[J]. 中小型電機, 1983(4):41-42.

[2] 楊鐵軍, 李新輝, 朱明剛,等. 船用柴油發(fā)電機組主動減振試驗研究[J]. 振動工程學報, 2013, 26(2):160-168. [3] 韓春杰, 張海莉, 井丹丹. 基于ANSYS的鉆柱縱向振動諧響應規(guī)律研究[J]. 化工自動化及儀表, 2015(8):904-907.

[4] 菅原, 能生, 邢鴻麟. 垂向半主動懸掛裝置性能試驗[J]. 國外鐵道車輛, 2002, 39(3):32-36.

[5] 孫衛(wèi)紅, 晏欣. 潛艇振動與噪聲控制技術的最新研究進展[J]. 噪聲與振動控制, 2012, 32(5):6-10.

[6] 雷勝明, 毛小明, 朱華,等. 發(fā)電機振動異常分析與處理[J]. 設備管理與維修, 2012(9):56-58.

[7] 劉宏藝, 湯曉芬. 柴油發(fā)電機水冷卻器懸掛式安裝設計及振動分析[J]. 電機與控制應用, 2016, 43(3):28-32.[8] 葉艷琴. 柴油發(fā)電機組振動測試及有限元分析[D]. 南昌：南昌大學, 2010.

[9] 李黎明. ANSYS有限元分析實用教程[M].北京：清華大學出版社, 2005.

[10] 王術新, 姜春明. 船用柴油發(fā)電機組的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 艦船科學技術, 2004, 26(4):23-25.

[11] 張立彬, 蔣帆, 王揚渝,等. 基于LMS Test.Lab的小型農業(yè)作業(yè)機振動測試與分析[J]. 農業(yè)工程學報, 2008, 24(5):100-104.

(編輯 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

劉樂平(1965—)，男，江西泰和人，華東交通大學教授，高級工程師，研究方向為機電一體化、液壓與氣動技術方面的教學與數控機床的開發(fā)研制工作，(E-mail)jxllp@163.com。

TH162；TG65

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