縱向振動(dòng)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的影響和危害
一般而言，造成柴油發(fā)電機(jī)組縱向振動(dòng)的原因均由發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線對(duì)中不準(zhǔn)、以及柴油發(fā)電機(jī)燃燒的不穩(wěn)定性及各缸工作的不均勻性引起的。同時(shí)不應(yīng)忽視聯(lián)軸器對(duì)軸系縱向振動(dòng)的影響，以往的案例中也出現(xiàn)過(guò)因高彈安裝問(wèn)題導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)組縱向振動(dòng)故障。因此，盡可能的減小發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸與軸向定位裝置之間的間隙也有助于減輕縱向振動(dòng)。本文結(jié)合實(shí)際案例對(duì)發(fā)電機(jī)組縱向振動(dòng)原因進(jìn)行了探討，對(duì)今后類似問(wèn)題的分析處理有一定借鑒指導(dǎo)意義。
一、發(fā)電機(jī)縱向振動(dòng)的危害
（1）造成曲軸曲柄銷承受額外的彎曲應(yīng)力和拉壓應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生曲軸的彎曲疲勞破壞；
（2）降低與曲軸相接觸的零部件的可靠性和使用壽命，比如造成止推瓦的磨損、活塞和缸套的偏磨等。
（3）對(duì)于非電控柴油發(fā)電機(jī)，縱向振動(dòng)會(huì)影響到康明斯發(fā)電機(jī)組的配氣相位和供油正時(shí)，降低設(shè)備整體性能；
（4）對(duì)于剛性連接發(fā)電機(jī)組*縱向振動(dòng)會(huì)造成連接螺栓承受額外的拉壓應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成疲勞損壞；對(duì)于彈性連接發(fā)電機(jī)組，由于高彈普遍采用過(guò)盈配合連接方式，過(guò)大的縱向振動(dòng)振幅勢(shì)必會(huì)造成高彈減振橡膠件的損壞；
（5）包括縱向振動(dòng)在內(nèi)的各種振動(dòng)是發(fā)電機(jī)組主要的噪聲源之一，人們普遍認(rèn)為只有出現(xiàn)了共振才會(huì)造成破壞，但實(shí)際上即使縱向振動(dòng)不在共振狀態(tài)多種激勵(lì)共同影響下造成的劇烈振動(dòng)也會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞。
二、縱向振動(dòng)激勵(lì)力源分析
1、軸系縱向振動(dòng)激勵(lì)力源分析
軸系縱向振動(dòng)主要是由軸向(x向）不平衡擾力造成的。在理想情況下，康明斯發(fā)電機(jī)組曲軸軸向(x向）并不受力，但在實(shí)際工作中，受零部件的加工及裝配誤差和部件的不均勻受熱、受力變形（主要指曲軸的受力變形）等因素的影響，康明斯發(fā)電機(jī)組缸內(nèi)燃燒壓力推動(dòng)活塞在y向運(yùn)動(dòng)時(shí)，其燃燒壓力在 x向會(huì)存在一個(gè)分力（”：1，2，3，4，5，n為氣缸數(shù)) ，該分力通過(guò)連桿共同作用在曲軸上。其中：簡(jiǎn)諧力為各缸氣缸燃燒壓力在x向分力的合力，也是發(fā)電機(jī)組軸系縱向振動(dòng)的一個(gè)主要激勵(lì)力源之一。
2、發(fā)電機(jī)縱向振動(dòng)激勵(lì)力源分析
根據(jù)發(fā)電機(jī)的工作特點(diǎn)，發(fā)電機(jī)在起勵(lì)后其定、轉(zhuǎn)子磁勵(lì)線將自動(dòng)尋找對(duì)中，以保證磁場(chǎng)穩(wěn)定，即決定電機(jī)x向（軸向）擾力大小及特性的是發(fā)電機(jī)內(nèi)部定、轉(zhuǎn)子磁勵(lì)線的相對(duì)位置。發(fā)電機(jī)x向擾力主要會(huì)在如下兩種情況下出現(xiàn)：
（1）發(fā)電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下定、轉(zhuǎn)子磁勵(lì)線出現(xiàn)錯(cuò)位，使得發(fā)電機(jī)組在啟動(dòng)后的起勵(lì)過(guò)程中，為了保證電機(jī)運(yùn)行中磁場(chǎng)的穩(wěn)定，磁場(chǎng)在x向上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)軸向力迫使轉(zhuǎn)子軸移動(dòng)至系統(tǒng)穩(wěn)定。
（2）發(fā)電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下定、轉(zhuǎn)子磁勵(lì)線對(duì)中良好，如果穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)轉(zhuǎn)子收到一個(gè)軸向外力影響并造成一定位移時(shí)，磁場(chǎng)在x向上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相反的軸向力迫使轉(zhuǎn)子回到原來(lái)的穩(wěn)定位置。當(dāng)外力和位移為一變量時(shí)，在發(fā)電機(jī)組的磁場(chǎng)特性作用下，便會(huì)出現(xiàn)軸系的縱向振動(dòng)。
（3）固定于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的冷卻風(fēng)扇在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)x向力，該軸向力的大小與發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速成正比。
3、聯(lián)軸器縱向振動(dòng)激勵(lì)力源分析
發(fā)電機(jī)組所采用的高彈聯(lián)軸器連接部分的減振橡膠，該聯(lián)軸器在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中只是起到傳遞扭矩和減振的作用，只要安裝得當(dāng)，并不會(huì)在軸向上產(chǎn)生額外的振動(dòng)。
4、其它縱向振動(dòng)激勵(lì)力源分析
在氣體壓力和往復(fù)慣性力產(chǎn)生的徑向簡(jiǎn)諧力的作用下，曲柄會(huì)舒張變形，形成所謂的彎曲一縱向耦合振動(dòng)；同時(shí)一缸曲柄的舒張變形會(huì)造成其他缸曲柄的x向位移，對(duì)氣缸燃燒壓力的x向分力產(chǎn)生影響。軸系縱向振動(dòng)也可能由軸系弭烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)藕合激發(fā)產(chǎn)生，特別是當(dāng)兩者臨界轉(zhuǎn)速相同或相近時(shí)更易產(chǎn)生圃。
柴油發(fā)電機(jī)組縱向振動(dòng)示意圖
三、縱向振動(dòng)激勵(lì)力源故障排除
從上述激勵(lì)源的分析中可知，造成縱向振動(dòng)的激勵(lì)源較多，為找出主要原因，在分析研究之后，采用了試驗(yàn)的方法對(duì)各種可能原因逐一進(jìn)行了排除和驗(yàn)證。考慮到電機(jī)風(fēng)扇產(chǎn)生的擾力較小，通過(guò)拆除風(fēng)扇進(jìn)行啟動(dòng)和停車試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象未發(fā)生明顯改變，故該激勵(lì)源排除在主要原因之外。
由于加工和裝配都存在一定誤差，故就算是同型號(hào)發(fā)電機(jī)，其定、轉(zhuǎn)子磁勵(lì)線對(duì)中情況都會(huì)存在一定差別，為了了解發(fā)電機(jī)擾力對(duì)發(fā)電機(jī)組縱向振動(dòng)的影響，在同一臺(tái)位上更換多臺(tái)同型號(hào)發(fā)電機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，數(shù)次試驗(yàn)下的縱向振動(dòng)現(xiàn)象存在明顯差別，但故障并未消除。結(jié)合分析可知，發(fā)電機(jī)擾力是造成縱向振動(dòng)的影響因素之一，但不是主要因素；在滿足電機(jī)其他設(shè)計(jì)要求的前提下，盡可能的減小轉(zhuǎn)子軸與軸向定位裝置之間的間隙有助于減輕縱向振動(dòng)。
通過(guò)上述分析可知，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)此時(shí)的工作特性應(yīng)是造成發(fā)電機(jī)組縱向振動(dòng)的主要原因。結(jié)合故障特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)劇烈縱向振動(dòng)都是在啟動(dòng)和停車時(shí)轉(zhuǎn)速約為480rpm左右出現(xiàn)，理論分析可知，此低負(fù)荷低轉(zhuǎn)速工況下康明斯發(fā)電機(jī)組缸內(nèi)燃油霧化差，燃燒不穩(wěn)定。由于發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)中不能在此故障工況下長(zhǎng)時(shí)停留，因此無(wú)法獲得該工況下的燃燒參數(shù)，故采用類似低負(fù)荷工況 i下（100％額定轉(zhuǎn)速，25％額定負(fù)荷）康明斯發(fā)電機(jī)組參數(shù)進(jìn)行類比分析，發(fā)現(xiàn)該機(jī)型在類似低負(fù)荷下各缸工作均勻性較差，這勢(shì)必會(huì)造成曲軸受力不均勻，而曲軸的不均勻受力變形將促使擾動(dòng)力的增大；同時(shí)各缸的不穩(wěn)定燃燒和各缸扭矩輸出的不均勻性還會(huì)引起扭振，通過(guò)扭振測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，發(fā)電機(jī)組在480印m下的確出現(xiàn)了明顯的扭振特性，雖然曲軸應(yīng)力、電機(jī)扭矩及電角均未超差，但明顯的扭振特性勢(shì)必會(huì)激發(fā)一定的縱向振動(dòng)。由此可見(jiàn)，康明斯發(fā)電機(jī)組各缸工作的穩(wěn)定性和均勻性是造成發(fā)電機(jī)組縱向振動(dòng)的重要因素。
四、借鑒措施
可用matlab 工具箱編寫程序?qū)Σ裼桶l(fā)電機(jī)組的雙層隔振系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，分析了采用不同中間質(zhì)量、鐘狀罩剛度、上下減震器的剛度及減振器阻尼系數(shù)等對(duì)隔振效果的影響，為該發(fā)電機(jī)組的隔振器選用提供參考依據(jù)。
matlab 工具箱編寫程序，通過(guò)輸入不同參數(shù)，對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的雙層隔振系統(tǒng)的隔振性能進(jìn)行計(jì)算，對(duì)隔振效果進(jìn)行了比較。
設(shè)備隔振系統(tǒng)圖

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