減少發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)中振動(dòng)的研究

趙鎖成，劉曉潘，耿小昌，劉同旺

(河北華北柴油機(jī)有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050081)

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減少發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)中振動(dòng)的研究

趙鎖成，劉曉潘，耿小昌，劉同旺

(河北華北柴油機(jī)有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050081)

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)中產(chǎn)生的振動(dòng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)的檢查分析。普通的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)固定架結(jié)構(gòu)和連接系統(tǒng)剛度較弱，無法滿足大功率、高轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)需求，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)固定架結(jié)構(gòu)和連接系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。試驗(yàn)和監(jiān)測表明，改進(jìn)后，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)固定架和柴油機(jī)支承的剛度得到了提高，發(fā)動(dòng)機(jī)整體振動(dòng)幅度減小到了允許范圍以內(nèi)。

振動(dòng)；固定架；強(qiáng)度

發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的振動(dòng)，會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸等零部件以及相關(guān)監(jiān)測設(shè)備儀器造成不良影響。發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)中的振動(dòng)主要來源于發(fā)動(dòng)機(jī)本身，而由通風(fēng)系統(tǒng)、泵和循環(huán)系統(tǒng)或測功機(jī)等帶來的振動(dòng)通常被發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)所掩蓋；因此，應(yīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本身引起的振動(dòng)予以控制。

某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)過程中振動(dòng)較大，造成進(jìn)氣管和增壓器接口多次出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重時(shí)甚至造成主軸瓦損壞，直接影響了試驗(yàn)工作的進(jìn)行。針對(duì)上述問題，筆者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)的檢查分析，找出了與振動(dòng)源傳遞有關(guān)的因素，并制定了解決方案。

1 振動(dòng)測試

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)扭振測試

本測試是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)情況進(jìn)行分析，找出發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)工況扭振點(diǎn)，判斷其是否超出合理范圍。為了能獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全，選擇了一臺(tái)90°V型夾角發(fā)動(dòng)機(jī)，該種機(jī)型在運(yùn)轉(zhuǎn)中穩(wěn)定性較好。測試方法如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)扭振測試連接圖

為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的連貫性，從轉(zhuǎn)速1 000 r/min到2 400 r/min，每間隔50 r/min設(shè)置1個(gè)觀測點(diǎn)，共15個(gè)轉(zhuǎn)速觀察點(diǎn)，得到扭振幅值曲線圖如圖2所示。

圖2 扭振幅值曲線圖

由圖2可知，發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)沒有明顯的共振節(jié)點(diǎn)；在全負(fù)荷狀態(tài)下，各轉(zhuǎn)速下綜合扭振峰值≤0.3°，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)使用要求[1]。當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 400 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)單諧次出現(xiàn)偏高峰值0.3°。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體振動(dòng)測試

為了解發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)情況，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中進(jìn)行了振動(dòng)測試[2]。測試選取了發(fā)動(dòng)機(jī)上9個(gè)點(diǎn)，分別為飛輪端(機(jī)體上)、自由端(機(jī)體上)、飛輪殼上、右

后支承、右前支承、左后支承、左前支承、右端壓氣機(jī)殼和左端壓氣機(jī)殼，分別在1 800、2 000、2 200和2 400 r/min等4個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)進(jìn)行了振動(dòng)測試，測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 測試數(shù)據(jù)

由表1可以計(jì)算出，在1 800、2 000、2 200和2 400 r/min 等4個(gè)轉(zhuǎn)速下，綜合振動(dòng)烈度分別為19.248、14.784、16.145和17.576，基本都超過了15,扭矩最大是在1 800 r/min轉(zhuǎn)速下，劇烈的振動(dòng)會(huì)加劇發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的損壞。

2 振動(dòng)原因分析

經(jīng)過測試分析可知，造成發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中振動(dòng)過大原因可能是由發(fā)動(dòng)機(jī)固定架結(jié)構(gòu)和連接方式引起。試驗(yàn)室固定架結(jié)構(gòu)和連接系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 固定架結(jié)構(gòu)和連接系統(tǒng)示意圖

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)固定架地基

試驗(yàn)室內(nèi)固定架地基為單獨(dú)構(gòu)成，最底層采用砂石減振，上層鋼筋水泥澆筑，試驗(yàn)臺(tái)地基板通過地腳螺栓固定于地基之上。

地基基礎(chǔ)使用混凝土澆注，為了減少試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)能量向外界傳遞，采用了有效的隔振措施，在混凝土基礎(chǔ)下面墊一層砂石，并在基礎(chǔ)四周開寬為200 mm，深為800 mm的防振槽，用爐渣充填，瀝青蓋頂。地基板質(zhì)量較大，可以使試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)降至最低限度?；炷翝仓r(shí)預(yù)留了地腳螺栓安裝孔，地基板安裝在混凝土基礎(chǔ)上并調(diào)平緊固，然后將地腳螺栓澆筑于地腳螺栓孔內(nèi)。整個(gè)地基及地基板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是比較成熟的一種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，經(jīng)多年使用證明，能夠滿足柴油機(jī)試驗(yàn)需要。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)固定架

發(fā)動(dòng)機(jī)固定架結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。該固定架為可調(diào)支架，4個(gè)支腿分別通過3條T型槽螺栓固定在地基板上，臺(tái)架前后左右可以調(diào)節(jié)；支腿內(nèi)部為螺紋鎖緊，通過松緊螺紋可以調(diào)節(jié)臺(tái)架高度；一側(cè)臺(tái)架設(shè)置1條導(dǎo)軌橫梁，用來承載柴油機(jī)一側(cè)支承。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)固定架結(jié)構(gòu)圖

通過分析發(fā)現(xiàn)，雖然這種臺(tái)架結(jié)構(gòu)適應(yīng)性好，但其為了便于調(diào)節(jié)，支承柴油機(jī)的支承塊處于懸伸狀態(tài)，即柴油機(jī)整體質(zhì)量沒有直接作用在支架底座上，這樣，在大功率柴油機(jī)試驗(yàn)時(shí)會(huì)導(dǎo)致剛度不足，從而引起振動(dòng)；另外，由于整體結(jié)構(gòu)都是靠螺紋調(diào)節(jié)鎖緊，因而整體剛度偏弱，在大功率柴油機(jī)試驗(yàn)時(shí)容易引起臺(tái)架振動(dòng)。在長時(shí)間高轉(zhuǎn)速、大功率、高強(qiáng)度考核試驗(yàn)中，由于振動(dòng)可能會(huì)出現(xiàn)滑塊與軌道間鎖緊件松動(dòng)、支腿調(diào)節(jié)螺紋松動(dòng)等現(xiàn)象，從而加劇整機(jī)振動(dòng)。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)連接系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)支承安裝位置圖如圖5和圖6所示。發(fā)動(dòng)機(jī)前支承(自由端)安裝在箱體支架面上，采用帶單彈性橡膠塊柴油機(jī)支承，柴油機(jī)后支承(飛輪端)由于增壓器支架占據(jù)了飛輪殼兩側(cè)柴油機(jī)支架面位置，只能安裝在箱體上，且由于空間位置所限，也只能采用單彈性橡膠塊柴油機(jī)支承。而柴油機(jī)飛輪端質(zhì)量較大，單彈性橡膠塊柴油機(jī)支承剛度不足，橡膠塊易產(chǎn)生變形。由于發(fā)動(dòng)機(jī)前、后支承都安裝在柴油機(jī)箱體上，長度方向間距只有600 mm，寬度方向?yàn)?80 mm，長度方向支承間距偏小，飛輪端懸伸較大，在試驗(yàn)中會(huì)影響整機(jī)穩(wěn)定性，加劇振動(dòng)。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)支承安裝位置(側(cè)面)圖

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)支承安裝位置(飛輪端)圖

3 改進(jìn)方法及分析

通過上述分析可知，發(fā)動(dòng)機(jī)固定架和柴油機(jī)支承剛度不足是引起發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)大的主要原因，需要進(jìn)行改進(jìn)。

3.1 固定架改進(jìn)

改進(jìn)后固定架結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。固定架分為上、下兩部分：下部為橫梁，上部為支架。橫梁采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，由底板、側(cè)板支承、筋板和T型槽組成。底板與地基板通過T型槽螺栓十字交叉固定，可以沿地基板長度方向調(diào)整移動(dòng)。橫梁與地基板通過10條T型槽螺栓聯(lián)接，支腿與橫梁由6條T型槽螺栓聯(lián)接，各個(gè)部件間可以在橫向和縱向進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)中調(diào)整時(shí)，先預(yù)放調(diào)整墊，再根據(jù)對(duì)中檢測結(jié)果更換調(diào)整墊，滿足對(duì)中要求。

圖7 改進(jìn)后固定架結(jié)構(gòu)圖

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)支承位置改進(jìn)

由于增壓器支架占用了飛輪殼的支架面，箱體支架面只能安裝單彈性橡膠塊柴油機(jī)支承，現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)上已經(jīng)沒有位置安裝雙彈性橡膠塊柴油機(jī)支承。為解決這一難題，增加了支承殼體，將發(fā)動(dòng)機(jī)支承安裝在支承殼體上，這樣既解決了支承安裝位置，又加大了支承距離。支承殼體結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 支承殼體結(jié)構(gòu)圖

采用支承殼體后，拓展了安裝空間，后支承(飛輪端)由原來單彈性橡膠塊的支承結(jié)構(gòu)改為雙彈性橡膠塊的支承結(jié)構(gòu)，增加了一倍的支承點(diǎn)，大大提高了支承剛度，有效減少了橡膠塊變形。采用支承殼體，不僅加大了柴油機(jī)前、后支承縱向距離，同時(shí)也加大了飛輪端支承的寬度，前、后支承之間的距離由600 mm增加至918 mm，后支承(飛輪端支承)的寬度由680 mm增加至720 mm，前支承(自由端)寬度未變，從而有效地增強(qiáng)了臺(tái)架及發(fā)動(dòng)機(jī)的整體穩(wěn)定性[3]。

3.3 改進(jìn)后分析

改進(jìn)后的總體結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。采用橫梁加剛性整體支架，支承強(qiáng)度高，解決了原有支架懸空支承柴油機(jī)的缺陷，大大提高了支架的剛度。采用支承殼體，拓展了空間位置，能夠安裝雙彈性橡膠塊的柴油機(jī)支承，相比原來單彈性橡膠塊的柴油機(jī)支承，支承強(qiáng)度大大增強(qiáng)。

圖9 改進(jìn)后的總體結(jié)構(gòu)圖

改進(jìn)后支承安裝位置圖如圖10和圖11所示。采用支承殼體，使前、后支承的距離加大318 mm，飛輪端支承寬度方向加寬40 mm，明顯增大了臺(tái)架支承范圍，提高了剛度。整體布局采用十字交叉剛性固定擰緊的結(jié)構(gòu)，最大限度地減少了試驗(yàn)中各個(gè)方向的振動(dòng)現(xiàn)象。臺(tái)架全部采用剛性連接，消除了原有支架柔性調(diào)節(jié)帶來的剛度不足、連接易松動(dòng)的問題。

圖10 改進(jìn)后支承安裝位置(側(cè)面)圖

圖11 改進(jìn)后支承安裝位置(飛輪端)圖

3.4 振動(dòng)測試

改進(jìn)后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)情況進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)見表2。由表2計(jì)算出，在4個(gè)轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)烈度分別為14.82、12.841、12.338和10.221。

表2 測試數(shù)據(jù)

對(duì)比表1和表2可知，改進(jìn)后各個(gè)轉(zhuǎn)速下振動(dòng)烈度明顯小于改進(jìn)前。

4 結(jié)語

發(fā)動(dòng)機(jī)及試驗(yàn)設(shè)備向周圍傳遞振動(dòng)的分析和預(yù)測是一個(gè)專業(yè)性很強(qiáng)的領(lǐng)域。為減小發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的有害振動(dòng)，除了合理設(shè)計(jì)較為牢靠的固定支架外，還可以采用改變?cè)囼?yàn)臺(tái)板和基礎(chǔ)的方法。例如，在臺(tái)板和混凝土基礎(chǔ)構(gòu)成的質(zhì)量塊之下安裝減振彈簧，可以有效地吸收試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的振動(dòng)，改善工作環(huán)境，保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)和周圍設(shè)施人員的安全。

[1] 馬特A J，普林特M A. 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)理論與實(shí)踐[M]. 宋桂進(jìn)，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2] 韓勇墻，劉忠長，許允. 用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)研究輕型車排放[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2002(4)：1-6.

[3] 周龍保. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

責(zé)任編輯 馬彤

Study on Reducing the Vibration of the Engine Bench Test

ZHAO Suocheng, LIU Xiaopan, GENG Xiaochang, LIU Tongwang

(Hebei Huabei Diesel Engine Co., Ltd., Shijiazhuang 050081, China)

For some vibration generated by the engine in experiments, check and analyze the relationship between the engine and environment. The strength of the ordinary fixed bracket and connection system is insufficient, which can’t meet the demand of high power and high speed engine test. As a result, a new fixed bracket and connection system is designed, which has better rigidity and strength. Through the vibration detection, the overall engine vibration amplitude can be reduced to the range allowed.

vibration，fixed frame，strength

TK 427

A

趙鎖成(1982-)，男，工程師，大學(xué)本科，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)研制與開發(fā)試驗(yàn)等方面的研究。

2016-08-04