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13600443583關(guān)于5L23/30DF型防音發(fā)電機(jī)組，區(qū)別于以往的8隔振器公共底座，本文探求設(shè)計(jì)一款只裝配三個(gè)隔振器的公共底座。為驗(yàn)證該公共底座的安全性，在有限元軟件ANSYS中進(jìn)行仿真詳述。首先對(duì)公共底座進(jìn)行主要建模，對(duì)其它部件進(jìn)行簡化。然后針對(duì)機(jī)組進(jìn)行力學(xué)總述和震動(dòng)特征解析，包括靜力學(xué)敘述、模態(tài)詮釋、震動(dòng)響應(yīng)細(xì)說、頻率響應(yīng)淺析等。最后對(duì)機(jī)組進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)論述。仿真結(jié)果表明，隔振器的變形量差值最大百分比為4%，隔振器布置合理，受力變形均勻；此公共底座在力學(xué)上能夠滿足材料的強(qiáng)度要求，同時(shí)機(jī)組的固有頻率能夠避開激勵(lì)頻率，避免共振的出現(xiàn)。低噪音發(fā)電機(jī)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果的對(duì)比表明，仿真詳解結(jié)果與真實(shí)結(jié)果接近，仿真程序可信。
船用防音發(fā)電機(jī)組是一種中小型獨(dú)立的發(fā)電裝置，主要由低噪音發(fā)電機(jī)、三相交流同步發(fā)電機(jī)和監(jiān)控系統(tǒng)3部分構(gòu)成，并全部組裝在一個(gè)公共底座上，在實(shí)際的防音發(fā)電機(jī)組隔振設(shè)計(jì)中，單層8個(gè)隔振器的對(duì)稱部署最為易發(fā)，近些年來國內(nèi)外著名移動(dòng)式靜音發(fā)電機(jī)廠商及研發(fā)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)對(duì)這種規(guī)格的公共底座作過一些解讀和優(yōu)化[1–3]，胡甫才[4]等通過理論推導(dǎo)驗(yàn)證了靜音發(fā)電機(jī)組的雙層隔振效果。本文從安全性角度出發(fā)，淺聊這一款安裝了3個(gè)隔振器的公共底座是否能夠滿足靜力學(xué)強(qiáng)度要求和變形要求；要求在裝配狀態(tài)下公共底座的固有頻率要避開機(jī)組的作業(yè)頻率，避免震動(dòng)擴(kuò)大，一方面保護(hù)機(jī)組，另一方面預(yù)防振動(dòng)通過地板傳遞到其它的工作機(jī)器上。在靜音發(fā)電機(jī)組幾個(gè)貢獻(xiàn)量較大的力矩作用下，要求公共底座能夠滿足材料強(qiáng)度的要求，并且隔振器能夠在其承載范圍內(nèi)工作。
靜音發(fā)電機(jī)組的建模分為兩部分，一部分為本論文的淺析對(duì)象，即公共底座，另一部分為底座使用對(duì)象，即靜音柴油發(fā)電機(jī)、飛輪以及發(fā)電機(jī)。公共底座實(shí)際是由各種形狀規(guī)格的板焊接而成，在三維建模軟件creo 2.0中，根據(jù)各板件的實(shí)際尺寸建立公共底座三維模型，建模時(shí)忽略各板件中的焊接坡口。對(duì)于低噪聲柴油發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)、飛輪等非重點(diǎn)總述對(duì)象，根據(jù)它們的實(shí)際外形尺寸建模，再調(diào)節(jié)模型的密度和內(nèi)部空間組成，最終使整個(gè)機(jī)組的品質(zhì)、重心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與實(shí)際保持一致。其組成參數(shù)見表1，模型如圖1和圖2所示。
圖1中靜音發(fā)電機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速為750 轉(zhuǎn)/分鐘，品質(zhì)為16 572 kg。此前經(jīng)過隔振設(shè)計(jì)，3個(gè)隔振器均使用用Rubber Design公司的產(chǎn)品，類型為RD214X，50°ShoreA。隔振器的剛度參數(shù)見表2，裝配位置見表3。建模時(shí)，使用圓柱體代替，底面圓的直徑與隔振器上安裝表面圓的直徑一致。
將機(jī)組三維模型從creo 2.0中導(dǎo)出為“x_t”文件格式，再導(dǎo)入ANSYS中，設(shè)置發(fā)電機(jī)模型材料的密度設(shè)置為2 215 kg/m3，其余材料密度7 850 kg/m3，整個(gè)機(jī)組模型的泊松比為0.3，彈性模量為2.07 Gpa。將隔振器設(shè)為剛體屬性，并用3向彈簧單元模擬隔振器的剛度，每個(gè)彈簧單元的一端接地，防音發(fā)電機(jī)組解述模型處于約束狀態(tài)。
根據(jù)文獻(xiàn)[5]，網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)約束模態(tài)的影響較小，選用公共底座最小板厚的1～2倍大小的單元時(shí)，計(jì)算結(jié)果正確。文中公共底座的最小板厚為12 mm，故設(shè)置單元大小為20 mm，將低噪音發(fā)電機(jī)、飛輪和發(fā)電機(jī)的網(wǎng)格設(shè)置為自動(dòng)劃分，最終得到179 483個(gè)節(jié)點(diǎn)、57 585個(gè)單元。
其中：k表示隔振器靜剛度，x表示隔振器變形，F(xiàn)表示防音發(fā)電機(jī)組自重。由于這款公共底座的隔振器只有3個(gè)，相比易損的裝配了8個(gè)隔振器的公共底座，隔振器要承受成倍的應(yīng)力，在只承受自身重力的情形下，機(jī)組的最大等效應(yīng)力產(chǎn)生在與隔振器1連接的支座上，如圖3所示，達(dá)到了94.549 MPa，而與隔振器3直接連接的覆板最大等效應(yīng)力只有60.53 MPa，這是由于低噪音發(fā)電機(jī)質(zhì)量比發(fā)電機(jī)品質(zhì)大的多，公共底座下隔振器所能夠承受的載荷不均勻，靠近集裝箱發(fā)電機(jī)要比靠近發(fā)電機(jī)的載荷大，這種影響在安裝了3個(gè)隔振器的機(jī)組中顯得尤為明顯。
對(duì)于低碳鋼而言，抗拉強(qiáng)度σb和屈服強(qiáng)度σs是衡量材料強(qiáng)度的兩個(gè)重要指標(biāo)。根據(jù)GB-T 3274-2007《碳素構(gòu)成鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼熱軋厚鋼板和鋼帶》[6]，4.5 mm～16 mm的板抗拉強(qiáng)度σb=375 MPa，屈服強(qiáng)度σs=235 MPa，下面從兩個(gè)角度驗(yàn)證組成鋼材料的安全性，一是正向角度，即已知材料許用應(yīng)力，校核等效應(yīng)力是否超標(biāo)；二是逆向角度，即已知材料許用應(yīng)力，通過安全系數(shù)來求應(yīng)力極限，再判斷等效應(yīng)力是否超過了應(yīng)力極限。
從第一個(gè)角度來看，公共底座所用板的抗拉強(qiáng)度σb和屈服強(qiáng)度σs均大于最大應(yīng)力值94.549 MPa，故應(yīng)力滿足鋼板強(qiáng)度的要求。
從第二個(gè)角度來看，利用最大等效應(yīng)力理論得到的公共底座的安全系數(shù)最小值也出現(xiàn)在與隔振器1連接的支座上，最小安全系數(shù)為2.68，安全系數(shù)的計(jì)算方法為
其中：FA表示安全系數(shù)，σlim表示極限應(yīng)力，[σ]表示等效應(yīng)力，則公共底座所用板的最小應(yīng)力極限為2.68×235=629.8 MPa，遠(yuǎn)大于94.549 MPa，所以從這角度來看，防音發(fā)電機(jī)組是安全的。
在式（1）中，還有一個(gè)位移條件x，對(duì)于用彈簧單元模擬的隔振器的變形量，參考3個(gè)隔振器的上表面，它們相對(duì)于隔振器底部的變形量處于8.11 mm～8.44 mm范圍之內(nèi)，平均值為8.275 mm，變形量差值最大百分比為4%?？梢钥闯?，隔振器布局合理，變形受力均勻。
模態(tài)詳解是動(dòng)力學(xué)敘述的基礎(chǔ)內(nèi)容，工程上有助于在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之前避免可能出現(xiàn)的共振，有助于在其它動(dòng)力細(xì)說中估算求解控制數(shù)據(jù)。模態(tài)講述的實(shí)質(zhì)是計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)特點(diǎn)方程的特性值和特征向量。典型的無阻尼構(gòu)成自由震動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程式為
在模態(tài)陳述中，前6階對(duì)結(jié)構(gòu)變形的講解影響大，是組成整體性能的反映，高階涉及到構(gòu)成的局部特性，本文不予考慮。約束狀態(tài)下公共底座的固有頻率及振型如表4所示。
表4中：Roll表示繞x軸搖擺，即橫搖；Pitch表示繞y軸搖擺，即縱搖；Yaw表示繞z軸搖擺，即平搖。
防音發(fā)電機(jī)組的額定速度為750 轉(zhuǎn)/分鐘，即激振頻率為12.5 Hz，從表中可以看出，前6階固有頻率都避開了低噪音發(fā)電機(jī)激勵(lì)頻率，所以隔振器的選購和布局合理，公共底座的設(shè)計(jì)也合理。
此外，基于隔振器位置的不同，其裝置的固有頻率也會(huì)有顯著的不同，這一款公共底座隔振器的選定橫向剛度大于垂向剛度，高效預(yù)防了水平方向的巨大位移。
在多缸機(jī)靜音發(fā)電機(jī)中，除了各缸中的慣性力外，還存在各種慣性力對(duì)低噪聲柴油發(fā)電機(jī)重心形成的合成慣性力矩，詳見表5。
通過查詢?cè)摍C(jī)組的資料，可知該5缸靜音發(fā)電機(jī)組的詳細(xì)擾動(dòng)力矩如表6所示，具體有1.0諧次和2.0諧次往復(fù)慣性力矩，2.5諧次和5.0諧次傾覆力矩。
按照表6的數(shù)據(jù)加載各階力矩，進(jìn)行諧響應(yīng)陳說，得到的最大應(yīng)力為33.396 MPa，遠(yuǎn)小于上文提到的抗拉強(qiáng)度σb和屈服強(qiáng)度σs，位置位于公共底座上由低噪音柴油發(fā)電機(jī)向發(fā)電機(jī)過渡的位置，如圖4所示。撬裝發(fā)電機(jī)組
在工程實(shí)際中，當(dāng)公共底座的剛度不夠時(shí)，容易損生機(jī)組的“V”形變形，嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)率垢邚椥月?lián)軸器的斷裂，高彈性聯(lián)軸器能夠補(bǔ)償徑向、軸向、角向的對(duì)中誤差，補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)動(dòng)量的振蕩，能夠較好的保護(hù)低噪聲發(fā)電機(jī)和電機(jī)。如果實(shí)際中確實(shí)已經(jīng)發(fā)生了聯(lián)軸器的斷裂，可以考慮增加底座的剛度、在聯(lián)軸器中心面平面部署隔振器、在靜音發(fā)電機(jī)與電機(jī)之間部署剛性隔板等。
為了討論不同頻率下靜音發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)響應(yīng)特征，計(jì)算了最高階擾動(dòng)頻率即75 Hz頻率內(nèi)的震動(dòng)響應(yīng)特點(diǎn)，如圖5所示。
單層隔振是一種最簡單的隔離振動(dòng)的方法，理論上隔離效果會(huì)隨著外界干擾頻率增加而更加顯著，而圖5中仿真結(jié)果顯示，雖然Pitch方向2.0階力矩?cái)_動(dòng)比1.0階動(dòng)大得多，但震動(dòng)響應(yīng)卻沒有相應(yīng)地提升，反而有點(diǎn)削弱；Roll方向2.5階震動(dòng)響應(yīng)則強(qiáng)烈的多，5階震動(dòng)響應(yīng)因?yàn)榱剌^小，但也有一定的幅值波動(dòng)。上面兩個(gè)現(xiàn)象表明：
?。?）就論述頻率范圍內(nèi)相對(duì)而言，在高頻段因?yàn)楦粽衿鞯拇嬖?，?huì)產(chǎn)生一定的駐波效應(yīng)，隔振器的剛度在很大程度上會(huì)隨著頻率的增高而有所增加，相應(yīng)的單層隔振在高頻段內(nèi)的衰減值也會(huì)有所下降；
?。?）橫搖（Roll）方向的力矩比縱搖（Pitch）方向的力矩對(duì)防音發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的影響更大。
試驗(yàn)裝備采用北京東方所DASP智能參數(shù)采集和信號(hào)淺述機(jī)構(gòu)V10，包括一個(gè)東方所4通道采集儀，DASP解讀軟件，加轉(zhuǎn)速探頭，另外使用激振器作為激勵(lì)，圖6模態(tài)試驗(yàn)安裝示意圖。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，首先在DASP軟件中建立與底座實(shí)際尺寸和結(jié)構(gòu)一致的模型，分為2層共設(shè)置了104個(gè)激勵(lì)點(diǎn)，如圖7。因3.3節(jié)中小議出過渡段振動(dòng)響應(yīng)最明顯，故在試驗(yàn)中，將加載度探頭置于公共底座的過渡段，然后通過激振器在各測(cè)點(diǎn)位置對(duì)機(jī)組進(jìn)行1 Hz～1 000 Hz正弦掃頻的垂向激勵(lì)，獲取整個(gè)機(jī)組垂向的模態(tài)頻率，圖8所示為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。
試驗(yàn)結(jié)果顯示，x軸方向與縱搖（Pitch，繞y軸）方向耦合，y軸方向與橫搖（Roll，繞x軸）方向耦合。仿真值與試驗(yàn)值的各階固有頻率偏差百分比分別為59.5%，4.3%，0，4.0%，3.5%，2.8%，除1階固有頻率有較大的偏差外，其余固有頻率的偏差都較小，究其起因，在試驗(yàn)闡述時(shí)，只在垂向進(jìn)行激勵(lì)，加載度探頭也只捕捉垂向的震動(dòng)加載度，對(duì)于橫向的振動(dòng)響應(yīng)無法捕捉。而仿真計(jì)算結(jié)果顯示，公共底座的第1階模態(tài)正是橫向移動(dòng)和橫搖，因此，兩者發(fā)生了較大的誤差。
關(guān)于該5缸防音發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)的公共底座能夠滿足鋼板強(qiáng)度上的要求，同時(shí)隔振器的選擇能夠滿足機(jī)組的安全性要求，機(jī)組的固有頻率避開了一次激勵(lì)頻率。對(duì)于低噪音柴油發(fā)電機(jī)的激勵(lì)，橫搖（Roll）方向的力矩比縱搖（Pitch）方向的力矩對(duì)防音發(fā)電機(jī)組震動(dòng)的影響更大。