車載靜音箱式柴油發電機組結構強度分析

劉文元，李 歡，張 楗，謝 軍，阮丹琦

（1.廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530216；2.廣西玉柴特種裝備有限公司，廣西 玉林 537005）

0 引言

柴油發電機組根據結構形式可分為開架式柴油發電機組與靜音箱式柴油發電機組，前者結構簡單、價格實惠，常用于有固定遮擋或機房的場所，如醫院、酒店、辦公大樓、學校等場所，作為消防設施的備用電源。而靜音箱式柴油發電機組由于增加了靜音箱作為防護，其隔音、防雨效果更好，常用于無電網供電或無固定的使用地點的場所，如礦山、公路、橋梁、鐵路施工、野外作業、建筑工地、道路維護等施工作業場所，由于柴油發電機組具有經濟、可靠、耐用等特點，作為備用或應急用途應用在國民經濟生產活動的方方面面，是目前在用的綜合性能最好的備用電源。而車載靜音箱式柴油發電機組就是將靜音箱式柴油發電機組直接安裝固定在車輛的底盤上，作為車輛的組成部分，可直接對外供電或為車載工作倉內的設備供電，因此，車載靜音箱式柴油發電機組不但具備了傳統靜音箱式柴油發電機組的上述優點，在機動性上性能也表現出色，使其作為應急供電電源可用于應急通信、救授、醫療、軍事等多種重要場合。由于車載靜音箱式柴油發電機經常需隨車輛轉移的特性，為了保證車載靜音箱式柴油發電機組在安裝及運輸過程中的可靠性，分別使用ABAQUS、FEMFAT 等軟件對某客戶定制的輸出功率為80 kW 的車載靜音箱式柴油發電機組的吊裝強度、運輸螺栓強度、發動機/發電機的機腳螺栓強度進行了不同條件下的CAE 仿真分析，以保證產品開發的質量。

1 底座孔吊裝強度分析

靜音箱式柴油發電機組結構如圖1 所示，其底座的大梁上焊接有加強筯條，在底座的4 個角的加強筋上設置有直徑為35 的吊裝孔，分別定義為孔1、孔2、孔3、孔4，其中孔4 在孔1 的對角面，在圖1 無法顯示出來。

1.1 發動機的性能參數

靜音箱式柴油發動機的性能參數見表1。

表1 靜音箱式柴油發電機組參數表

1.2 材料參數

本靜音箱式柴油發電機組底座（包括大梁及吊耳孔）材料均選用Q235-A，其材料屬性如表2 所列。

表2 底座大梁及吊耳孔材料特性[1]

Q235-A 為一種常用的鋼材，其材料的最小屈服強度為235 MPa，靜音箱式柴油發電機組在起吊過程中需要計算其靜強度的安全系數，材料的強度參數如圖2 所示。

圖2 Q235-A 材料的強度參數

1.3 起吊過程分析及計算邊界

由圖1 可知，本文討論的靜音箱式柴油發電機組在起吊過程中，由靜音箱底座大梁4 角的任意2 個吊裝孔穿吊繩進行起吊，并且要求隨意兩個孔都能滿足要求；在實際起吊過程中，如果用1-2、1-3、2-4 或者3-4 號吊裝孔都會存在機箱傾斜的可能，存在安全隱患，因此不允許選用這種方案起吊。只會存在兩側用1-4 號孔或者2-3 號孔來進行起吊。

在實際起吊過程中，最惡劣的吊裝方式是采用人字吊裝，而約束最大的是起吊臂能夠提供的最大高度，即吊繩的長度。如果在吊繩的長度一定的情況下，選用1-4 號吊裝孔與2-3 號吊裝孔其受力情況基本相同，因此，計算分析選用1-4 號吊裝孔起吊的情況進行分析。一般地，人字吊裝方式的吊繩長度應該至少是兩個吊裝孔距離的1.5 倍以上。

計算條件：吊鏈是吊裝孔距離的1.5 倍，1-4 號孔之間的距離為2.6 m，吊鏈的長度為3.9 m。起吊的加速度為2 g。采用有限元的計算方法。

其有限元模型如圖3 所示。

圖3 底座吊裝強度有限元計算模型

本文計算了兩種工況，第一種工況起吊平穩的情況，施加給靜音箱式柴油發電機組的重力加速度為1 g，即在靜音箱式柴油發電機組重心位置施加13000 N的力；另外一種是起吊過程中有加速度的情況，施加的重力加速度為2 g，即在靜音箱式柴油發電機組重心位置施加的重力為26000 N 向下的力，如圖4 所示。

圖4 靜音箱式柴油發電機組重心及重力加載示意圖

1.4 計算結果及分析

1.4.1 重力加速度為1 g 時吊裝孔強度分析

在靜音箱式柴油發電機組重力加速度為1 g 情況下，其底座的整體變形如圖5 所示，總體變形符合規律，說明邊界條件及載荷設置正確，根據分析模型，最大變形量在支撐柴油發動機的橫梁中間位置，變形量為1.4 mm，如將材料改為Q345 材料，變形量進一步減少。

圖5 重力加速度下為1g 時的底座變形示意圖

在重力加速度下為1 g 時，底座大梁4 個吊裝孔位置的應力圖譜見圖6、圖7、圖8、圖9。

圖6 底座吊裝孔1 應力圖

圖7 底座吊裝孔2 應力圖

圖8 底座吊裝孔3 應力圖

圖9 底座吊裝孔1 應力圖

由上可知，靜音箱式柴油發電機組吊裝時，在承受1 g 的重力加速度情況下，其吊孔附近的最大應力為108 MPa，遠小于底座材料的屈服強度235 MPa，吊孔及大梁的強度雖然滿足要求，但安全系數僅為2.17，建議將材料改為Q345-A，則安全系數可提高至3.2，滿足起吊工況安全系數不小于3 的要求。

1.4.2 重力加速度為2 g 時吊裝孔強度分析

在重力加速度為2 g 左右時，4 個吊孔位置的安全系數在考慮吊裝孔附近靜強度的時候，其安全系數還有許多的修正因數，如應力梯度，尺寸系數等修正，一般地不建議用材料的強度極限與其受到的應力進行相除得到安全系數，故本次采用專業的疲勞分析軟件FEMFAT 進行分析，分析得到的吊裝孔在重力加速度為2 g 時受到的靜強度如圖10、圖11、圖12 及圖13 所示。

圖10 底座吊裝孔1 安全系數（1.26）

圖11 底座吊裝孔2 安全系數（1.67）

圖12 底座吊裝孔3 安全系數（1.56）

圖13 底座吊裝孔4 安全系數（1.54）

由上可知，靜音箱式柴油發電機組吊裝時在2 g的重力加速度作用下，4 個吊裝孔附近的最小安全系數為1.26，大于使用要求。說明在起吊過程中，吊裝孔的強度滿足要求，吊裝孔不會有強度方面的隱患。

2 機箱運輸螺栓固定螺栓分析

為了說明靜音箱式柴油發電機組在車上的布置方位，以柴油發電機組的坐標系及方位角進行定義，如圖14 所示，原點為柴油發電機組縱向對稱面、安裝平面與艙門前面的交點；X方向為靜音箱式柴油發電機組的寬度方向，向背面向車尾為正；Z軸鉛垂方向，向上為正；Y方向遵循右手坐標系。

圖14 柴油發電機組的坐標系及方位角示意圖

根據現有的布置，靜音箱式柴油發電機組由兩側各4 顆，共計8 顆M12 的六角頭法蘭面螺栓固定在車架上，在車輛行駛過程中，起步加速與剎車時螺栓受力最大，本文取最大的加速度為2 g 進行計算，如圖15 所示。

圖15 底座安裝孔位置示意圖

靜音箱式柴油發電機組的總重為1300 kg，則起步加速與剎車時產生的剪切力如圖16 所示。

圖16 安裝螺栓受剪切力示意圖

由上可知：

總重量：m總= 1300 kg

加速度：a= 2g= 2 × 10 = 20 m/s2

故安裝螺栓所受的剪切力F1為：

根據標準[2]，強度等級為10.9 級的M12 六角頭法蘭面螺栓的擰緊力矩為：

故單顆螺栓的最小軸力F2為：

其中：k為扭矩系數，一般地取0.15；d1為M12 螺栓的公稱直徑，取12。

則8 顆M12 螺栓提供的總軸力F總為：

則能夠提供的摩擦力F摩擦為：

其中：f為摩擦系數，一般地取0.12。

可知安全系數n為：

由于安全系數大于1.2，在加速度a= 2g，強度為10.9 級的M12 的六角法蘭面螺栓的擰緊力矩取規范的最小值T= 95 N·m，柴油發電機組底座與車底的摩擦系數f取較小值0.12 的情況下，8 顆M12 的螺栓提供的摩擦力是因2 g 剎車情況下產生向前或者向后的慣性力的1.95 倍，大于1.2 的要求，所以8 顆10.9 級的M12 六角法蘭面螺栓能夠滿足使用條件。

3 發動機及發電機固定螺栓分析

如圖17 所示，發動機及發電機由4 顆10.9 級的M16 六角法蘭面螺栓固定在底座上，根據車輛行駛的條件，在運輸過程中，最大的加速度，發電機及柴油發動機總質量m2= 385 + 480 = 865 kg。

圖17 發動機及發電機安裝固定示意

則在運輸過程中產生的慣性力

根據標準[2]，強度等級為10.9 級的M16 六角頭法蘭面螺栓的擰緊力矩為：

故單顆螺栓的最小軸力F2為：

其中：k為扭矩系數，一般地取0.15；D2為螺栓M16的公稱直徑，取16。

其中：f′為摩擦系數，一般地取0.15。

可知安全系數n2為：

由于安全系數大于1.2 所以4 顆發電機及柴油發動機的固定螺栓能夠滿足使用條件。

4 結論

（1）本柴油發電機組在起吊過程中，在滿足單根吊鏈長度大于3.9 m 的情況下，在其加速度不超過2 g的情況下，吊裝孔處的安全系數為1.26，滿足使用條件，吊孔安全可靠，根據客戶要求，后續大梁材料改為Q345-A，可進一步提高安全系數。

（2）靜音箱與車輛連接的固定螺栓，在考慮2 g加速度的情況下，8 顆10.9 級的M12 六角法蘭面螺栓的擰緊力矩在取規范的最小值時，且考慮底座與車底的摩擦系數比較小，只有0.12 的情況下，8 顆10.9 級的M12 六角法蘭面螺栓提供的摩擦力是因2 g 剎車情況下產生向前或者向后的慣性力的1.95 倍，大于1.2 倍的要求，所以8 顆10.9 級的M12 六角法蘭面螺栓能夠滿足使用要求。

（3）柴油發動機及發電機固定螺栓，在考慮2 g加速度的情況下，4 顆10.9 級的M16 六角法蘭面螺栓的擰緊力矩在規范的最小值，減振橡膠及鋼板的摩擦系數取0.15 的情況下，4 顆10.9 級的M16 六角法蘭面螺栓提供的摩擦力是因2 g 剎車情況下產生向前或者向后的慣性力的2.89 倍，大于1.2 倍的要求，所以4 顆10.9 級的M16 的螺栓能夠滿足使用要求。

本產品設計完成后已生產出樣品交由客戶進行臺架振動可靠性及道路運輸試驗，均順利通過，表明本設計方案的靜音箱式柴油發電機組在吊裝、運輸過程中，其箱體結構及安裝緊固螺栓的強度均滿足要求。