关于柴油发电机组轴系扭振的分析研究.pdf

25与车辆移动电源2023年第4期关于柴油发电机组轴系扭振的分析研究陈国平（斯电力科技（中国）有限公司常州2 130 31；江苏省柴油发电机组工程技术研究中心常州2 130 31）摘要：扭振是柴油发电机组运转可靠性和稳定性的一个重要指标，它影响机组的安全运行和寿命。为此本文根据质量弹性模型，利用ANSYS对机组弹性联接的轴系进行模型分析与求解，得到模型的自由振动和强制振动的特性，其中强制振动分析时分别对正常点火工况和一缸熄火工况分别研究，并将求解结果与标准进行对照，用于指导整个轴系中发电转子和弹性联轴器的选型和应用。关键词：发电机组；扭振；弹性联接；ANSYS；Doi:10.3969/j.issn.1003-4250.2023.04.007中图分类号：TM611.22文献标志码：A文章编号：10 0 3-42 50（2 0 2 3）0 4-0 0 2 5-0 51引言柴油发电机组的轴系一般分为刚性联接轴系和弹性联接轴系，其中刚性联接轴系一般由发动机主轴和发电机转子组成，弹性联接轴系一般由发动机主轴、发电机转子以及弹性联轴器组成。扭转振动简称扭振，是旋转机械中普遍存在的一种机械振动。其本质上主要是因为旋转的轴系不是绝对的刚体，而存在一定程度的弹性。整个轴系作为一个多自由度的柔性振动系统，其长度和数量也不断增加1。在旋转的过程中，轴系上各位置会因为本体和外部载荷的因素产生大小不同、相位不同的瞬态特性。当扭转幅度与扭转应力超过允许的弹性限度，就会导致材料出现疲劳失效，进而出现故障甚至重大事故发生2-3。扭振计算和分析也是柴油发电机组在选型时应该重要考虑的因素之一。从轴系的外部激励来看，引起扭振的原因主要有两个：由发动机引入的机械扰动和由发电机引入的电气扰动。机械扰动主要包括转速变化的影响；电气扰动主要包括电气短路故障、三相负载不平衡、非同期并机/并网等。本文主要基于弹性联接的轴系，对轴系本体特征和机械扰动的自由振动和强制振动特性进行研究，不考虑负载端引起的电气扰动因素。2分析范围本文以雅柯斯AC3438-6发电机组的扭转振动分析为例，通过采用ANSYS软件对柴油发动机、交流发电机以及弹性联轴器组成的轴系进行模拟、分析与求解。分析时根据轴系参数情况，模拟计算自由振动和强制振动的结果。3组轴系质量弹性模型按照发电机组产品参数，建立高弹性联轴器条件下的质量弹性模型，具体参数如表1和图1所示，26与车辆2023年第4期移动电源表1弹性联轴器-质量弹性模型参数表转动惯量刚度最小轴径序号备注kg.m10Nm/radianmm14.554455.8484183.4Damper+Crank Pully21.129913.9446127GearTrain31.28378.4467127Cy11&940.98128.4467127Cy12&1050.98128.4467127Cy13&1161.10598.4467127Cy1.4&1271.29028.4467127Cy1.5&1481.11238.4467127Cy16&1590.98128.4467127Cy17&15100.98128.4467127Cy18&16111.283714.4892127Cy19&181218.85330.621000Flywheel+1/2disc135.0658.8578129.3Hub+1/2disc1469.7419Generator Rotor6210.46746-1464612.027.02.2.6JJ.小图1质量弹性模型图4限元模型和自由振动频率计算4.1有限元模型根据质量弹性模型和ANSYS有限元软件模块，建立发电机组的轴系转子模型如图2 所示，图中数字对应表1和图1中的质量单元。模型采用mass21单元模拟质量弹性模型中的质量节点，该单元可以满足6 自由度的节点特性计算，本报告以X轴方向为转动惯量和轴向方向。模型采用combin14单元模拟质量弹性模型中的扭转弹性特性，该单元具备6 自由度（拉伸和扭转）的弹性和阻尼输入，可满足计算要求，报告主要使用该单元X轴方向的扭转弹性性能。1112131图2 有限元模型图4.2自由振动频率计算结果在上述有限元模型基础上，通过模态计算方法进行轴系的自由振动频率计算，表2 自由振动频率图3振型变形图。表2 自由振动频率阶数12345678频率/Hz24.266.2176.5224.7320.7443.0564.7660.6转速/min145239721059013482192422658033882396361阶振型2阶板型AF3价振型4阶振型一阶振型阶振型三阶摄型阅阶摄型040.302转角/radiano156810:2-03图3振型变形图4.3自由振动结果分析根据弹性联轴器自由振动计算结果，一阶振动27与车辆移动电源2023年第4期频率为2 4.2 Hz，二阶振动频率为6 6.2 Hz，发电机组的转动频率为6 0 Hz（18 0 0 r/m i n），其自由振动频率也均在转动频率6 0 Hz土10%（54Hz-66Hz）以外。5强制振动频率计算5.1正常点火工况根据发动机资料，总结获得其主要技术参数见表3。表3机组计算参数表参数单位数值气缸数18V活塞行程mm190气缸（活塞）直径170往复部件质量k名13.65kg连杆长度mm335.6曲柄半径mm95曲柄半径和连杆长度比0.283颜定转速fimin1800急速（最低稳定转速）/min700谐次范围（刚性联轴器）1-12谐次范围（弹性联轴器）0.5-7.5计算转速范围Hz20-66计算转速范围采样点数14备用功率(tandby)W3028常用功率(prime)正W2737平均指示压力MPa3.1443(standby)机械效率%91.9%(stadby)平均指示压力（正常点火）MPa3.1443平均指示压力（单缸熄火）MPa3.3293点火顺序1R-8L-2R-9L-4R-7L-6R-SL-8R-3L-9R-1L-7R-2L-5R-4L-3R-6L点火间隔角20-60-20-60-20-60-20-60-20-60-20-60-20-60-20-60-20-60-5.1.1载荷计算根据发动机参数、压力激励等资料，计算得到不同谐次下的激励力矩和相位角见表4。表4正常点火激励力矩简谐次数力矩/Nm相位/度0.52276.3228.0812664.0617.051.52160.395.272456.4613.042.51447.04-7.563337.15-46.353.5950.04-17.364659.24-24.024.5589.52-23.955452.75-27.045.5323.36-32.266252.81-36.786.5199.94-41.777160.73-47.277.5134.59-54.03107.07-61.488.590.04-69.50979.90-77.529.572.88-87.031066.23_95.2810.559.98-102.901153.23-109.5511.548.55-115.911243.70-115.685.1.2弹性联轴器轴系模型结果根据上述计算得到弹性联轴器轴系模型的正常点火状态下结果如图5为轴系模型正常点火工况计算曲线。态28与车辆2023年第4期移动电源M1.N0+0.上1发动机转通m州电色图5轴系模型正常点火工况计算曲线5.2一缸熄火工况5.2.1载荷计算根据发动机参数、压力激励等资料，计算得到不同谐次下熄火缸和未熄火缸的激励力矩和相位角如表5表6。表5熄火缸激励力矩表6 未熄火缸激励力矩简谐次数力矩/N.m相位/度简谐次数力矩/N.亚相位/度0.5132.1228.080.52402.4828.081589.199.2712786.4617.151.6338.245.27-1.52267.605.2721874.580.572376.3816.672.5277.47-7.562.51515.85-7.563697.954.023384.49-41.633.5200.84-17.363.5994.12-17.36488.09-42.404693.11-23.884.5126.83-23.954.5616.75-23.955119.61-24.485472.36-27.085.585.6132.265.5337.35-32.2671.35-36.786263.49-36.786.556.02-41.776.5208.40-41.777:44.14-47.277167.59-47.277.534.46-54.037.5140.48-54.03827.23-61.488111.77-61.488.522.19-69.508.594.04-69.50917.96-77.52983.54-77.529.514.84-87.039.576.29-87.031011.7395.281069.44-95.2810.59.51-102.9010.562.95-102.90117.22-109.551155.94-109.5511.56.08-115.9111.551.05-115.91124.77-115.681245.99-115.685.2.2弹性联轴器模型结果根据上述计算得到弹性联轴器模型的一缸熄火状下结果如图6 轴系模型一缸熄火工况计算曲线。300发动机曲轴应力曲线R1缸熄火应力MPa250综合应力+1阶200+1.5价+2阶150+5阶一瞬时运转应力限值持续运转应力限值1005006009001200150018002100发动机转速r/min250发电机主轴应力曲线-R1缸熄火应力MPa200+练合应力150+1阶+1.52阶100+5阶一瞬时运转应力限值持续运转应力限值506009001200150018002100发动机转速r/min60发电机扭矩-R1缸熄火扭矩kN.m50+发电机扭矩1阶401.5阶+2阶305阶一一瞬时运转扭矩限值持续运转扭矩限值2010060090012001.50018002100发动机转速r/min3发电机电角1R燃火电角/度2.521.5+发电机转子板幅电角一发电机转子振幅限值1060090012001.50018002100发动机转速r/min图6 轴系模型一缸熄火工况计算曲线（上接第8 页）.与车辆29移动电源2023年第4期6结束语上述计算结果按照JB/T9759-2011标准进行校核。弹性联轴器在正常点火状态下，发动机曲轴在额定转速时，应力值约为6 0 MPa，略大于标准限定值59MPa，在转速超过1.1倍额定转速时，应力值超过了标准限定值，发电机转子应力和扭矩均满足要求。在一缸熄火状态下，发动机曲轴在1.0 5-1.1倍额定转速区间内，其应力值均超过了标准限定值，其发电机转子应力、扭矩均满足标准要求。弹性联轴器联接的发电机电角在两种工况下，均满足标准要求。由于未拿到发动机在小于0.95额定转速和大于1.10 额定转速下的平均指示压力或扭矩，本文从保守计算出发，统一使用了额定转速下的发动机扭矩参与计算。综上，本文研究的柴油发动机、交流发电机和弹性联轴器组成的轴系，在正常点火和一缸熄火状态下均满足要求。参考文献：1翁振宇，张勇，马义良等。轴系扭振激励下叶片动应力分析及寿命评估J.汽轮机技术，2 0 2 1.6 3.2高文志，刘建国，郝志勇电力系统扰动对汽轮发电机组轴系扭振的影响及其主动控制J.中国动力工程学报,2 0 0 5.4.3李伟清6 0 0 MW汽轮发电机组扭振损坏原因浅析J.东北电力技术，2 0 13.34.Torsional Vibration AnalyISs.ofDiesel(Generator Set ShaftingCHEN Guo-ping(AKSA Power Generation(China)Co.Ltd.Engineering Dept,Changzhou213031,China)Abstract:Torsional vibration is an important indicator of the reliability and stability of diesel generator sets,which affects thesafe operation and lifespan of the units.Therefore,based on the mass elasticity model,this article uses ANSYS to analyze and solvethe model of the elastic connection shaft system of the unit,and obtains the characteristics of free vibration and forced vibration ofthe model.During the forced vibration analysis,the normal ignition condition and one cylinder flameout condition are studiedseparately,and the solution results are compared with the standards to guide the selection and application of the generator rotor andelastic coupling in the entire shaft system.Key words:Generator set;Torsional vibration;Elastic coupling;ANSYS;Design and Research of Battery pack chassis for 10kVA UPS Powerholding Unit Yang Jin Liang(Lanzhou Institute of Power Vehicle,Lanzhou 730050,China)Abstract:based on the project of 10kVA UPS power preservation unit,the battery pack module is designed and analyzed inthis paper.the battery pack chassis adopts the structure of skeleton+skin,and the heat dissipation holes are reserved on the side andtop of the chassis to ensure the heat dissipation of the battery in time when charging and discharging;in addition,the weight of thebattery pack chassis 55kg meets the requirements of manual handling and stacking,and ensures its small size,light weight andconvenientuse.Key words:power preservation unit;battery pack chassis;heat dissipation design;structural desig;