（1.海軍駐江南船廠軍事代表室，上海 200011；2.上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

柴油發(fā)電機(jī)組是船舶的重要設(shè)備，其主要作用是為船舶提供所需的電力。因此，保證柴油發(fā)電機(jī)組安全可靠的運行是十分必要的。柴油機(jī)作為柴油發(fā)電機(jī)組重要設(shè)備之一，其本身結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、零部件較多，并且由于國內(nèi)加工以及工藝水平的限制，很多關(guān)鍵部件主要依托進(jìn)口，這就要求在運行中需特別注意其可靠性。在設(shè)計過程中，無論是柴油機(jī)結(jié)構(gòu)本身還是與之相連接的設(shè)備都應(yīng)該嚴(yán)格遵守設(shè)計規(guī)程[1]。

1 柴油發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)形式

當(dāng)前，柴油發(fā)電機(jī)組主要由柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、高彈性聯(lián)軸器和公共底座組成。柴油機(jī)通過聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)連接，進(jìn)而將動力轉(zhuǎn)化為電能，其具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

公共底座的作用是支撐柴油機(jī)與發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)形式對柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)都有一定的影響，應(yīng)該按照設(shè)計規(guī)程以及工程經(jīng)驗等對公共底座進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。

圖1 柴發(fā)機(jī)組示意圖

2 研究過程

某型柴油發(fā)電機(jī)組的研究設(shè)計過程分為科研樣機(jī)和交付設(shè)備兩個階段。樣機(jī)設(shè)計階段是為了充分驗證機(jī)組的性能以及暴露設(shè)計生產(chǎn)過程中存在的問題，進(jìn)而在裝備上進(jìn)行改進(jìn)和完善。發(fā)電機(jī)、柴油機(jī)和聯(lián)軸器等都是選型產(chǎn)品，其本身的總體結(jié)構(gòu)不會發(fā)生很大的改變，僅在一些細(xì)節(jié)方面會有一定的改善。公共底座屬于結(jié)構(gòu)件，只要保證連接接口可以對應(yīng)，在滿足設(shè)計原則的前提下，其他位置的結(jié)構(gòu)形式是可以進(jìn)行調(diào)整的。樣機(jī)的公共底座結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

由于總體設(shè)計單位的要求，對于交付設(shè)備的柴油發(fā)電機(jī)組提出了新的安裝要求。因此，公共底座在結(jié)構(gòu)上有比較大的改變，具體結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

對比圖2和圖3可以看出：兩種公共底座在結(jié)構(gòu)形式上有比較大的差異。因此，需要著重分析兩種形式對整個機(jī)組的影響，本文以對柴油機(jī)的影響為例進(jìn)行分析。

圖2 樣機(jī)底座模型

圖3 交付設(shè)備底座模型

2.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析不可或缺的一個環(huán)節(jié)，模態(tài)分析的作用主要有以下三個方面：1）使結(jié)構(gòu)避免共振或使結(jié)構(gòu)按特定頻率振動；2）了解結(jié)構(gòu)對不同類型的動力載荷的響應(yīng)；3）有助于在其他動力學(xué)分析中估算求解控制參數(shù)，如時間步長等。在很多場合，模態(tài)分析都起著舉足輕重的作用，如很多機(jī)械都要求避免共振，進(jìn)行模態(tài)分析后，可以了解結(jié)構(gòu)的固有振動頻率和振型，并采取必要的措施，避免機(jī)械在使用中產(chǎn)生共振[2-5]。

計算采用大型有限元商用分析軟件ANSYS。采用一種單元：SOLID185單元；劃分網(wǎng)格時采用了網(wǎng)格自由劃分，計算參數(shù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)

對兩種形式的公共底座進(jìn)行具體分析，確定結(jié)構(gòu)形式改變對模態(tài)的影響，具體計算結(jié)果如圖4所示，圖中數(shù)值代表自由模態(tài)振動頻率。

圖4 計算結(jié)果

由圖4可以看出：公共底座在結(jié)構(gòu)改變以后，其模態(tài)的陣型和頻率均有很大的改變，根據(jù)設(shè)計原則和工程經(jīng)驗，兩種形式的振動頻率均有效規(guī)避了機(jī)組的共振頻率，滿足機(jī)組的使用要求。

2.2 柴油機(jī)機(jī)體變形計算

該型柴油發(fā)電機(jī)組的柴油機(jī)在結(jié)構(gòu)上相對比較軟，容易產(chǎn)生機(jī)體變形。對于樣機(jī)的底座機(jī)構(gòu)形式，已經(jīng)經(jīng)過試驗驗證其結(jié)構(gòu)可以滿足使用要求。對于更改后的公共底座是否可以滿足要求，需要經(jīng)過計算方可最終確定。

為了驗證底座剛度對柴油機(jī)機(jī)腳以及缸體變形的影響，先對整機(jī)機(jī)組進(jìn)行建模處理，整體模型包括柴油機(jī)缸體、發(fā)電機(jī)和公共底座。柴油機(jī)發(fā)火順序以及發(fā)火間隔角度如圖5所示，由圖5可以看出：柴油機(jī)在工作過程中有兩個缸間隔12°進(jìn)行工作，由于相隔時間比較短，可以認(rèn)為其是同時進(jìn)行發(fā)火（工作狀態(tài)更嚴(yán)苛）。

圖5 發(fā)火順序

柴油機(jī)工作時的爆發(fā)壓力主要作用在相應(yīng)的支撐軸瓦上，采用相同的約束方式和邊界條件對樣機(jī)底座和裝備底座繼續(xù)約束，對模型分別進(jìn)行靜力學(xué)分析和計算，具體計算結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出：對于樣機(jī)底座和裝備底座兩種情況，在A10-B4缸發(fā)火的時候，柴油機(jī)機(jī)體變形最大，變形量分別為0.036 6 mm與0.032 3 mm（缸口變形最大值約為0.024 4 mm）。由此可見，兩種底座對柴油機(jī)機(jī)體變形影響比較小，并且量值相當(dāng)。所以，公共底座結(jié)構(gòu)形式的改變對柴油機(jī)機(jī)體變形的影響并不大，可以滿足機(jī)組的使用要求。

表2 對比分析

3 結(jié)論

根據(jù)總體設(shè)計單位的要求，對柴油發(fā)電機(jī)組公共底座的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了比較大的改動，為了驗證不同形式的公共底座對整個設(shè)備的影響，從公共底座自由模態(tài)以及機(jī)體變形兩個方面對其機(jī)組進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1）不同形式的公共底座模態(tài)振型和頻率均有較大的差異，但均滿足機(jī)組的使用要求；

2）公共底座結(jié)構(gòu)形式的改變對柴油機(jī)機(jī)體變形的影響并不大，根據(jù)樣機(jī)的使用經(jīng)驗，可以確定改型后的公共底座可以滿足使用要求。

[1] 柯常忠, 索海波.ANSYS 優(yōu)化技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械, 2005(1)： 9-11.

[2] 傅志方.振動模態(tài)分析與參數(shù)識別[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 1990.

[3] 張海華.沖擊載荷作用下船用設(shè)備與構(gòu)件強度評估數(shù)值實驗研究[D].哈爾濱： 哈爾濱工程大學(xué),2009.

[4] 趙新.船用大型設(shè)備抗沖擊數(shù)值模擬研究[D].哈爾濱： 哈爾濱工程大學(xué), 2008.

[5] 胡仁喜, 徐東升, 李亞東.ANSYS13.0 機(jī)械與結(jié)構(gòu)有限元分析從入門到精通[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011.