船用柴油機(jī)輕量化公共底座的設(shè)計和驗證

黃念劬，李俊鵬，嚴(yán) 歡，徐 文

(中船動力有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212001)

0 引言

目前，在船舶市場廣泛使用的某機(jī)型船用四沖程大缸徑中速柴油機(jī)具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)久耐用等優(yōu)點[1]，但是存在體積和質(zhì)量大、制造成本高、運輸困難等問題。公共底座作為柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)的連接件和承重件，占整機(jī)重量約17%～20%。輕量化公共底座的設(shè)計不僅能發(fā)揮技術(shù)降本作用，減輕公共底座的重量，降低制造和運輸成本，還可以降低機(jī)組整體重量，為后續(xù)整體設(shè)計帶來優(yōu)勢。但目前國內(nèi)外對此型公共底座進(jìn)行輕量化設(shè)計和生產(chǎn)的研究較少。

第三代路虎發(fā)現(xiàn)已經(jīng)不再是當(dāng)初的中型SUV，4.8米的車身長度配合上僅用直線和直角勾勒出的輪廓，它所具備的陽剛氣質(zhì)讓SUV概念重新回歸到了原點。

本文從安全性和經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，研究某機(jī)型公共底座輕量化設(shè)計滿足柴油機(jī)的振動要求[2]的可行性，結(jié)合實際試驗數(shù)據(jù)從仿真計算角度對其強(qiáng)度、振動指標(biāo)進(jìn)行試驗，驗證新底座的可靠性。

1 輕量化公共底座設(shè)計分析

1.1 總體情況

公共底座是柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)安裝的基礎(chǔ),用來儲存、收集和供給潤滑油，承載著整機(jī)所有零部件[3]，因此公共底座必須具備足夠的強(qiáng)度來承受氣體壓力和慣性力，其縱橫斷面兩個方向上都必須保證有足夠的剛度，不能因扭曲變形影響到曲軸主軸承，加快運動件的磨損,影響柴油機(jī)正常運行。

在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求的前提下，公共底座通過減少板厚和調(diào)整結(jié)構(gòu)可以降低鋼板用料，但同時輕量化公共底座也有可能會帶來振動超標(biāo)的風(fēng)險，因此安全性是公共底座輕量化設(shè)計需要考慮的最重要的因素。

超聲波霧化器電路主要由4個模塊組成，分別為交流電源、變壓整流、水位控制和振蕩換能[4-6]，如圖2所示。超聲波霧化器是本設(shè)計系統(tǒng)的核心器件，基于共振原理實現(xiàn)空氣溫濕度自動調(diào)節(jié)。電路中產(chǎn)生的振蕩信號經(jīng)大功率三極管放大后，傳遞給超聲晶片，超聲波晶片將電能轉(zhuǎn)化為超聲波能量，超聲波能量在常溫下將各種水溶液物化成小霧粒，從而實現(xiàn)超聲霧化功能。設(shè)計時，在水位控制開關(guān)處連接了智能控制模塊，可以實現(xiàn)霧化功能的智能化。

1.2 輕量化公共底座的設(shè)計

31個測點在100%負(fù)荷下X、Y、Z方向振動速度有效值見圖6，其中1-1代表第1組的1號測點，3組測點整機(jī)振動烈度與結(jié)構(gòu)振級計算值匯總分別見圖7和圖8[4]。

2.3.1 測點布置

圖1 輕量化底座三維建模圖

表1 輕量化前后底座板厚變更對比

公共底座部分板焊接工藝由部分熔透改為全熔透。由于公共底座總長為11 m，若在板厚減少的前提下改為全熔透焊接，就會增加焊接難度和焊接變形的程度，因此需改進(jìn)焊接變形后的整改工藝、質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)及探傷要求。

在學(xué)生當(dāng)中，我還算是比較喜歡讀書的一個——我指的是那些課外書。我搞不清楚我為什么那樣如醉如癡地迷戀五四時期的文學(xué)作品。是不是書中的那種同樣的心境引起了我的共鳴呢？只是，這些書經(jīng)常被同一寢室的同學(xué)撕去上廁所。我的書大都是殘缺的，慘不忍睹的，我的精神世界也總是處在不完整的狀態(tài)之中。

1.3 經(jīng)濟(jì)性分析

公共底座為碳鋼焊接的箱框結(jié)構(gòu)件，其成本與公共底座質(zhì)量、焊接工藝、探傷要求相關(guān)。以原公共底座質(zhì)量20.5 t來計算，輕量化后底座板厚減薄16%～33%，公共底座整體質(zhì)量減少5.2 t，降重25.4%。按照0.58萬元/t鋼板價格計算,預(yù)計每臺底座可以節(jié)約3萬元生產(chǎn)成本；按照0.7元/kg的物流費用計算，預(yù)計每臺底座每次可以節(jié)約0.36萬元的運輸成本。但由于焊接工藝、探傷要求提高，每臺公共底座需要增加約1萬元工藝成本，因此每臺底座總計可以節(jié)約2.36萬元。

2 輕量化公共底座振動驗證試驗

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

振動測試運行工況分別為0%、25%、50%、75%、100%、110%負(fù)荷[3]，每組測試在穩(wěn)定后的測試采集時間均為60 s。

試驗從振動速度有效值、振動烈度及總振級3個方面對各點振動進(jìn)行測量評價[1]。

2.2 主要考察內(nèi)容和測量評價方法

發(fā)電機(jī)組的振動在柴油機(jī)側(cè)為往復(fù)式機(jī)械運動，發(fā)電機(jī)側(cè)為旋轉(zhuǎn)式機(jī)械運動，因此需要著重對振動加速度進(jìn)行1/3倍頻程分析，分析0.3～5.0 kHz的頻率范圍內(nèi)的數(shù)值。測試依據(jù)為GJB 763.3—1989和GJB 4058—2000。

(2)對輕量化底座在柴油發(fā)電機(jī)組不同工況下重點位置振動數(shù)值進(jìn)行測試，對底座進(jìn)行輕量化底座強(qiáng)度評估。

2.3 振動測試內(nèi)容

為解決五寨縣城城區(qū)群眾生產(chǎn)生活用水，緩解地下水位下降趨勢，決定利用蘆芽山布袋溝內(nèi)馬家寺泉和姑姑庵泉水資源。布袋溝主河槽為姑姑庵方向來水，右側(cè)為馬家寺溝道來水，該段河谷較為狹窄，谷底寬30～50 m，兩岸山體雄厚，呈“U”型谷。此段河谷上游內(nèi)植被非常茂密，水土流失不大，無居住人口。

試驗以X向為軸向，從柴油機(jī)端向電機(jī)端為正方向；與地面垂直方向為Z向。3組測點布置位置見圖2～圖4。柴油發(fā)電機(jī)組兩側(cè)測點對稱布置，分別布置12個測點；第3組布置7個測點。每個測點布置一個三軸加速度傳感器，共31個測點，93個測試數(shù)據(jù)通道。

圖2 第1組測點布置

圖4 第3組測點布置

2.3.2 測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)見圖5。硬件采用LAN-XI 3053-B振動信號采集儀，傳感器采用三軸加速度傳感器，采樣頻率為12.8 kHz[2]。

圖5 振動測試系統(tǒng)

2.3.3 測試工況

(1)評估輕量化底座對發(fā)電機(jī)組整機(jī)振動的影響，分析輕量化底座的可靠性。

二是促進(jìn)了生態(tài)文明建設(shè)。結(jié)合實行最嚴(yán)格水資源管理制度，全省水資源管理機(jī)構(gòu)開展了“萬名干部進(jìn)萬村潔萬家”“千鄉(xiāng)萬村世紀(jì)行，建設(shè)美麗新農(nóng)村”“每畝地少施一斤化肥、少撒一兩農(nóng)藥、少用一方水”等特色亮點活動。竹溪縣實施生物殺蟲、沼液施肥、閥門控水，改善了水生態(tài)環(huán)境，提高了大米品質(zhì)，售價每斤達(dá)60多元，增加了農(nóng)民收入，綜合效益顯著。開展南水北調(diào)中線工程核心水源地保護(hù)，確保一庫清水北送。實施重點流域區(qū)域綜合治理，努力實現(xiàn)習(xí)總書記提出的“讓城市融入大自然，讓居民望得見山、看得見水、記得住鄉(xiāng)愁”的目標(biāo)。

2.3.4 振動測試計算結(jié)果

公共底座輕量化主要在結(jié)構(gòu)形式基本不變的前提條件下減少板厚度，同時更改焊接工藝。輕量化三維建模見圖1。對公共底座上各板板厚進(jìn)行了不同程度的降低，見表1，最大降低比例為33%。

圖6 各測點在100%負(fù)荷下X、Y、Z方向振動速度有效值

圖7 3組測點布置整機(jī)振動烈度對比圖

圖8 3組測點布置總振級對比圖

2.3.5 結(jié)果分析

隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，城市中高大建筑物數(shù)量與日俱增，城市規(guī)劃部門一方面要衡量現(xiàn)有建筑是否符合規(guī)劃要求，另一方面又要對未來城市改造提供方案。傳統(tǒng)日照分析方法主要是依據(jù)手工制表、手工計算、手工作圖分析，耗時、費力、工作量大、效率低。隨著數(shù)字城市的建設(shè)，在大量城市建筑數(shù)據(jù)的支持下，應(yīng)用 GIS 空間分析方法就可以快速找出不符合GB 500096—2011《住宅設(shè)計規(guī)范》[1]要求的建筑，為城市規(guī)劃與設(shè)計提供依據(jù)。

3組試驗數(shù)據(jù)顯示：在100%負(fù)荷下，第2組的第6個點和第3組的第1個點振動速度最高，為3.88 mm/s。這說明柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)連接處及柴油機(jī)側(cè)管路位置振動最大，因而建議在柴油機(jī)與發(fā)電機(jī)之間和柴油機(jī)側(cè)管路位置增加支架以減少振動。

補(bǔ)澆的工藝參數(shù)主要涉及補(bǔ)澆的材質(zhì)、重量、溫度、澆速與補(bǔ)澆時機(jī)。補(bǔ)澆時機(jī)會對補(bǔ)澆效果產(chǎn)生較大影響，如果補(bǔ)澆距首次（前次）澆注的時間較短，型腔內(nèi)鋼液的液態(tài)收縮與凝固收縮量很小，后注入的鋼液與型腔內(nèi)已有鋼液瞬間完成均勻混合，實際補(bǔ)澆效果微乎其微；相反，如果補(bǔ)澆距首次（前次）澆注的時間過長，后注入的高溫鋼液只能進(jìn)入冒口上部的收縮凹陷區(qū)，則補(bǔ)澆操作依然起不到作用。

發(fā)電機(jī)組的振動頻率響應(yīng)范圍隨著負(fù)荷的上升有所增加，但是其主要的頻率響應(yīng)范圍均在5 kHz以內(nèi)，在大負(fù)荷工況下運行的頻率范圍擴(kuò)大到高頻。振動烈度和總振級均為第1組最低，第3組最高。隨著負(fù)荷的增大，振級總體呈上升趨勢[5]，振動烈度最大值為2.89 mm/s，均小于7.1 mm/s。根據(jù)GB/T 16301—2008中對振動烈度的分類與評價，各測點各工況下的振動烈度均達(dá)到了A級。

3 結(jié)論

(1)通過降低底座板厚和改變焊接方式，每臺底座預(yù)計總計可以節(jié)約2.36萬元，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性有大幅提升。

(2)振動測試實驗數(shù)據(jù)表明：整機(jī)31個測點位置振動烈度均在4 mm/s以下，柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)連接處及柴油機(jī)側(cè)管路位置振動烈度最大；振級總體隨負(fù)荷上升呈上升趨勢，且變化趨勢平穩(wěn)；各測點位置振動烈度等級均達(dá)到了A級，柴油發(fā)電機(jī)組處于優(yōu)良工作狀態(tài)，輕量化底座可靠性較好。