振動對柴油發電機的影響和危害
發布時間：2023-10-04 點擊：143
縱向振動對柴油發電機的影響和危害
一般而言，造成柴油發電機組縱向振動的原因均由發電機定轉子勵磁線對中不準、以及柴油發電機燃燒的不穩定性及各缸工作的不均勻性引起的。同時不應忽視聯軸器對軸系縱向振動的影響，以往的案例中也出現過因高彈安裝問題導致的發電機組縱向振動故障。因此，盡可能的減小發電機轉子軸與軸向定位裝置之間的間隙也有助于減輕縱向振動。本文結合實際案例對發電機組縱向振動原因進行了探討，對今后類似問題的分析處理有一定借鑒指導意義。
一、發電機縱向振動的危害
（1）造成曲軸曲柄銷承受額外的彎曲應力和拉壓應力，嚴重時會產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）對于非電控柴油發電機，縱向振動會影響到康明斯發電機組的配氣相位和供油正時，降低設備整體性能；
（4）對于剛性連接發電機組*縱向振動會造成連接螺栓承受額外的拉壓應力，嚴重時會造成疲勞損壞；對于彈性連接發電機組，由于高彈普遍采用過盈配合連接方式，過大的縱向振動振幅勢必會造成高彈減振橡膠件的損壞；
（5）包括縱向振動在內的各種振動是發電機組主要的噪聲源之一，人們普遍認為只有出現了共振才會造成破壞，但實際上即使縱向振動不在共振狀態多種激勵共同影響下造成的劇烈振動也會對設備造成損壞。
二、縱向振動激勵力源分析
1、軸系縱向振動激勵力源分析
軸系縱向振動主要是由軸向(x向）不平衡擾力造成的。在理想情況下，康明斯發電機組曲軸軸向(x向）并不受力，但在實際工作中，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，康明斯發電機組缸內燃燒壓力推動活塞在y向運動時，其燃燒壓力在 x向會存在一個分力（”：1，2，3，4，5，n為氣缸數) ，該分力通過連桿共同作用在曲軸上。其中：簡諧力為各缸氣缸燃燒壓力在x向分力的合力，也是發電機組軸系縱向振動的一個主要激勵力源之一。
2、發電機縱向振動激勵力源分析
根據發電機的工作特點，發電機在起勵后其定、轉子磁勵線將自動尋找對中，以保證磁場穩定，即決定電機x向（軸向）擾力大小及特性的是發電機內部定、轉子磁勵線的相對位置。發電機x向擾力主要會在如下兩種情況下出現：
（1）發電機在靜止狀態下定、轉子磁勵線出現錯位，使得發電機組在啟動后的起勵過程中，為了保證電機運行中磁場的穩定，磁場在x向上會產生一個軸向力迫使轉子軸移動至系統穩定。
（2）發電機在靜止狀態下定、轉子磁勵線對中良好，如果穩定運轉的電機轉子收到一個軸向外力影響并造成一定位移時，磁場在x向上會產生一個相反的軸向力迫使轉子回到原來的穩定位置。當外力和位移為一變量時，在發電機組的磁場特性作用下，便會出現軸系的縱向振動。
（3）固定于發電機轉子軸上的冷卻風扇在運轉時也會產生一個x向力，該軸向力的大小與發電機組轉速成正比。
3、聯軸器縱向振動激勵力源分析
發電機組所采用的高彈聯軸器連接部分的減振橡膠，該聯軸器在運轉過程中只是起到傳遞扭矩和減振的作用，只要安裝得當，并不會在軸向上產生額外的振動。
4、其它縱向振動激勵力源分析
在氣體壓力和往復慣性力產生的徑向簡諧力的作用下，曲柄會舒張變形，形成所謂的彎曲一縱向耦合振動；同時一缸曲柄的舒張變形會造成其他缸曲柄的x向位移，對氣缸燃燒壓力的x向分力產生影響。軸系縱向振動也可能由軸系弭烈的扭轉振動藕合激發產生，特別是當兩者臨界轉速相同或相近時更易產生圃。
柴油發電機組縱向振動示意圖
三、縱向振動激勵力源故障排除
從上述激勵源的分析中可知，造成縱向振動的激勵源較多，為找出主要原因，在分析研究之后，采用了試驗的方法對各種可能原因逐一進行了排除和驗證。考慮到電機風扇產生的擾力較小，通過拆除風扇進行啟動和停車試驗，發現故障現象未發生明顯改變，故該激勵源排除在主要原因之外。
由于加工和裝配都存在一定誤差，故就算是同型號發電機，其定、轉子磁勵線對中情況都會存在一定差別，為了了解發電機擾力對發電機組縱向振動的影響，在同一臺位上更換多臺同型號發電機進行了試驗，數次試驗下的縱向振動現象存在明顯差別，但故障并未消除。結合分析可知，發電機擾力是造成縱向振動的影響因素之一，但不是主要因素；在滿足電機其他設計要求的前提下，盡可能的減小轉子軸與軸向定位裝置之間的間隙有助于減輕縱向振動。
通過上述分析可知，柴油發動機此時的工作特性應是造成發電機組縱向振動的主要原因。結合故障特點，發現劇烈縱向振動都是在啟動和停車時轉速約為480rpm左右出現，理論分析可知，此低負荷低轉速工況下康明斯發電機組缸內燃油霧化差，燃燒不穩定。由于發電機組試驗中不能在此故障工況下長時停留，因此無法獲得該工況下的燃燒參數，故采用類似低負荷工況 i下（100％額定轉速，25％額定負荷）康明斯發電機組參數進行類比分析，發現該機型在類似低負荷下各缸工作均勻性較差，這勢必會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力的增大；同時各缸的不穩定燃燒和各缸扭矩輸出的不均勻性還會引起扭振，通過扭振測試和數據分析，發電機組在480印m下的確出現了明顯的扭振特性，雖然曲軸應力、電機扭矩及電角均未超差，但明顯的扭振特性勢必會激發一定的縱向振動。由此可見，康明斯發電機組各缸工作的穩定性和均勻性是造成發電機組縱向振動的重要因素。
四、借鑒措施
可用matlab 工具箱編寫程序對柴油發電機組的雙層隔振系統進行計算，分析了采用不同中間質量、鐘狀罩剛度、上下減震器的剛度及減振器阻尼系數等對隔振效果的影響，為該發電機組的隔振器選用提供參考依據。
matlab 工具箱編寫程序，通過輸入不同參數，對柴油發電機組的雙層隔振系統的隔振性能進行計算，對隔振效果進行了比較。
設備隔振系統圖
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一、發電機縱向振動的危害
（1）造成曲軸曲柄銷承受額外的彎曲應力和拉壓應力，嚴重時會產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）對于非電控柴油發電機，縱向振動會影響到康明斯發電機組的配氣相位和供油正時，降低設備整體性能；
（4）對于剛性連接發電機組*縱向振動會造成連接螺栓承受額外的拉壓應力，嚴重時會造成疲勞損壞；對于彈性連接發電機組，由于高彈普遍采用過盈配合連接方式，過大的縱向振動振幅勢必會造成高彈減振橡膠件的損壞；
（5）包括縱向振動在內的各種振動是發電機組主要的噪聲源之一，人們普遍認為只有出現了共振才會造成破壞，但實際上即使縱向振動不在共振狀態多種激勵共同影響下造成的劇烈振動也會對設備造成損壞。
二、縱向振動激勵力源分析
1、軸系縱向振動激勵力源分析
軸系縱向振動主要是由軸向(x向）不平衡擾力造成的。在理想情況下，康明斯發電機組曲軸軸向(x向）并不受力，但在實際工作中，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，康明斯發電機組缸內燃燒壓力推動活塞在y向運動時，其燃燒壓力在 x向會存在一個分力（”：1，2，3，4，5，n為氣缸數) ，該分力通過連桿共同作用在曲軸上。其中：簡諧力為各缸氣缸燃燒壓力在x向分力的合力，也是發電機組軸系縱向振動的一個主要激勵力源之一。
2、發電機縱向振動激勵力源分析
根據發電機的工作特點，發電機在起勵后其定、轉子磁勵線將自動尋找對中，以保證磁場穩定，即決定電機x向（軸向）擾力大小及特性的是發電機內部定、轉子磁勵線的相對位置。發電機x向擾力主要會在如下兩種情況下出現：
（1）發電機在靜止狀態下定、轉子磁勵線出現錯位，使得發電機組在啟動后的起勵過程中，為了保證電機運行中磁場的穩定，磁場在x向上會產生一個軸向力迫使轉子軸移動至系統穩定。
（2）發電機在靜止狀態下定、轉子磁勵線對中良好，如果穩定運轉的電機轉子收到一個軸向外力影響并造成一定位移時，磁場在x向上會產生一個相反的軸向力迫使轉子回到原來的穩定位置。當外力和位移為一變量時，在發電機組的磁場特性作用下，便會出現軸系的縱向振動。
（3）固定于發電機轉子軸上的冷卻風扇在運轉時也會產生一個x向力，該軸向力的大小與發電機組轉速成正比。
3、聯軸器縱向振動激勵力源分析
發電機組所采用的高彈聯軸器連接部分的減振橡膠，該聯軸器在運轉過程中只是起到傳遞扭矩和減振的作用，只要安裝得當，并不會在軸向上產生額外的振動。
4、其它縱向振動激勵力源分析
在氣體壓力和往復慣性力產生的徑向簡諧力的作用下，曲柄會舒張變形，形成所謂的彎曲一縱向耦合振動；同時一缸曲柄的舒張變形會造成其他缸曲柄的x向位移，對氣缸燃燒壓力的x向分力產生影響。軸系縱向振動也可能由軸系弭烈的扭轉振動藕合激發產生，特別是當兩者臨界轉速相同或相近時更易產生圃。
柴油發電機組縱向振動示意圖
三、縱向振動激勵力源故障排除
從上述激勵源的分析中可知，造成縱向振動的激勵源較多，為找出主要原因，在分析研究之后，采用了試驗的方法對各種可能原因逐一進行了排除和驗證。考慮到電機風扇產生的擾力較小，通過拆除風扇進行啟動和停車試驗，發現故障現象未發生明顯改變，故該激勵源排除在主要原因之外。
由于加工和裝配都存在一定誤差，故就算是同型號發電機，其定、轉子磁勵線對中情況都會存在一定差別，為了了解發電機擾力對發電機組縱向振動的影響，在同一臺位上更換多臺同型號發電機進行了試驗，數次試驗下的縱向振動現象存在明顯差別，但故障并未消除。結合分析可知，發電機擾力是造成縱向振動的影響因素之一，但不是主要因素；在滿足電機其他設計要求的前提下，盡可能的減小轉子軸與軸向定位裝置之間的間隙有助于減輕縱向振動。
通過上述分析可知，柴油發動機此時的工作特性應是造成發電機組縱向振動的主要原因。結合故障特點，發現劇烈縱向振動都是在啟動和停車時轉速約為480rpm左右出現，理論分析可知，此低負荷低轉速工況下康明斯發電機組缸內燃油霧化差，燃燒不穩定。由于發電機組試驗中不能在此故障工況下長時停留，因此無法獲得該工況下的燃燒參數，故采用類似低負荷工況 i下（100％額定轉速，25％額定負荷）康明斯發電機組參數進行類比分析，發現該機型在類似低負荷下各缸工作均勻性較差，這勢必會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力的增大；同時各缸的不穩定燃燒和各缸扭矩輸出的不均勻性還會引起扭振，通過扭振測試和數據分析，發電機組在480印m下的確出現了明顯的扭振特性，雖然曲軸應力、電機扭矩及電角均未超差，但明顯的扭振特性勢必會激發一定的縱向振動。由此可見，康明斯發電機組各缸工作的穩定性和均勻性是造成發電機組縱向振動的重要因素。
四、借鑒措施
可用matlab 工具箱編寫程序對柴油發電機組的雙層隔振系統進行計算，分析了采用不同中間質量、鐘狀罩剛度、上下減震器的剛度及減振器阻尼系數等對隔振效果的影響，為該發電機組的隔振器選用提供參考依據。
matlab 工具箱編寫程序，通過輸入不同參數，對柴油發電機組的雙層隔振系統的隔振性能進行計算，對隔振效果進行了比較。
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轉速快和轉速低會對柴油發電機組的有什么影響呢
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