減少發動機在試驗中振動的研究

趙鎖成，劉曉潘，耿小昌，劉同旺

(河北華北柴油機有限責任公司，河北 石家莊 050081)

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減少發動機在試驗中振動的研究

趙鎖成，劉曉潘，耿小昌，劉同旺

(河北華北柴油機有限責任公司，河北 石家莊 050081)

針對發動機在試驗中產生的振動，對發動機及試驗環境進行了詳細的檢查分析。普通的發動機試驗固定架結構和連接系統剛度較弱，無法滿足大功率、高轉速發動機試驗需求，從而對發動機試驗固定架結構和連接系統進行了改進。試驗和監測表明，改進后，發動機試驗固定架和柴油機支承的剛度得到了提高，發動機整體振動幅度減小到了允許范圍以內。

振動；固定架；強度

發動機在試驗過程中產生的振動，會對發動機曲軸等零部件以及相關監測設備儀器造成不良影響。發動機在試驗中的振動主要來源于發動機本身，而由通風系統、泵和循環系統或測功機等帶來的振動通常被發動機的振動所掩蓋；因此，應對發動機本身引起的振動予以控制。

某型號發動機在試驗過程中振動較大，造成進氣管和增壓器接口多次出現裂紋，嚴重時甚至造成主軸瓦損壞，直接影響了試驗工作的進行。針對上述問題，筆者對發動機及試驗環境進行了詳細的檢查分析，找出了與振動源傳遞有關的因素，并制定了解決方案。

1 振動測試

1.1 發動機扭振測試

本測試是對發動機整機振動情況進行分析，找出發動機各個工況扭振點，判斷其是否超出合理范圍。為了能獲得準確的數據和保證發動機安全，選擇了一臺90°V型夾角發動機，該種機型在運轉中穩定性較好。測試方法如圖1所示。

圖1 發動機扭振測試連接圖

為保證試驗數據的連貫性，從轉速1 000 r/min到2 400 r/min，每間隔50 r/min設置1個觀測點，共15個轉速觀察點，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，發動機在轉速范圍內沒有明顯的共振節點；在全負荷狀態下，各轉速下綜合扭振峰值≤0.3°，滿足發動機行業標準使用要求[1]。當轉速為2 400 r/min時，發動機單諧次出現偏高峰值0.3°。

1.2 發動機機體振動測試

為了解發動機振動情況，在發動機運轉中進行了振動測試[2]。測試選取了發動機上9個點，分別為飛輪端(機體上)、自由端(機體上)、飛輪殼上、右

后支承、右前支承、左后支承、左前支承、右端壓氣機殼和左端壓氣機殼，分別在1 800、2 000、2 200和2 400 r/min等4個轉速點進行了振動測試，測試數據見表1。

表1 測試數據

由表1可以計算出，在1 800、2 000、2 200和2 400 r/min 等4個轉速下，綜合振動烈度分別為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轉速下，劇烈的振動會加劇發動機零部件的損壞。

2 振動原因分析

經過測試分析可知，造成發動機試驗中振動過大原因可能是由發動機固定架結構和連接方式引起。試驗室固定架結構和連接系統示意圖如圖3所示。

圖3 固定架結構和連接系統示意圖

2.1 發動機固定架地基

試驗室內固定架地基為單獨構成，最底層采用砂石減振，上層鋼筋水泥澆筑，試驗臺地基板通過地腳螺栓固定于地基之上。

地基基礎使用混凝土澆注，為了減少試驗臺振動能量向外界傳遞，采用了有效的隔振措施，在混凝土基礎下面墊一層砂石，并在基礎四周開寬為200 mm，深為800 mm的防振槽，用爐渣充填，瀝青蓋頂。地基板質量較大，可以使試驗臺振動降至最低限度。混凝土澆筑時預留了地腳螺栓安裝孔，地基板安裝在混凝土基礎上并調平緊固，然后將地腳螺栓澆筑于地腳螺栓孔內。整個地基及地基板結構設計是比較成熟的一種設計結構，經多年使用證明，能夠滿足柴油機試驗需要。

2.2 發動機固定架

發動機固定架結構圖如圖4所示。該固定架為可調支架，4個支腿分別通過3條T型槽螺栓固定在地基板上，臺架前后左右可以調節；支腿內部為螺紋鎖緊，通過松緊螺紋可以調節臺架高度；一側臺架設置1條導軌橫梁，用來承載柴油機一側支承。

圖4 發動機固定架結構圖

通過分析發現，雖然這種臺架結構適應性好，但其為了便于調節，支承柴油機的支承塊處于懸伸狀態，即柴油機整體質量沒有直接作用在支架底座上，這樣，在大功率柴油機試驗時會導致剛度不足，從而引起振動；另外，由于整體結構都是靠螺紋調節鎖緊，因而整體剛度偏弱，在大功率柴油機試驗時容易引起臺架振動。在長時間高轉速、大功率、高強度考核試驗中，由于振動可能會出現滑塊與軌道間鎖緊件松動、支腿調節螺紋松動等現象，從而加劇整機振動。

2.3 發動機連接系統

發動機支承安裝位置圖如圖5和圖6所示。發動機前支承(自由端)安裝在箱體支架面上，采用帶單彈性橡膠塊柴油機支承，柴油機后支承(飛輪端)由于增壓器支架占據了飛輪殼兩側柴油機支架面位置，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支承。而柴油機飛輪端質量較大，單彈性橡膠塊柴油機支承剛度不足，橡膠塊易產生變形。由于發動機前、后支承都安裝在柴油機箱體上，長度方向間距只有600 mm，寬度方向為680 mm，長度方向支承間距偏小，飛輪端懸伸較大，在試驗中會影響整機穩定性，加劇振動。

圖5 發動機支承安裝位置(側面)圖

圖6 發動機支承安裝位置(飛輪端)圖

3 改進方法及分析

通過上述分析可知，發動機固定架和柴油機支承剛度不足是引起發動機振動大的主要原因，需要進行改進。

3.1 固定架改進

改進后固定架結構圖如圖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構，由底板、側板支承、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整移動。橫梁與地基板通過10條T型槽螺栓聯接，支腿與橫梁由6條T型槽螺栓聯接，各個部件間可以在橫向和縱向進行調節。對中調整時，先預放調整墊，再根據對中檢測結果更換調整墊，滿足對中要求。

圖7 改進后固定架結構圖

3.2 發動機支承位置改進

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支承，現有發動機系統上已經沒有位置安裝雙彈性橡膠塊柴油機支承。為解決這一難題，增加了支承殼體，將發動機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。支承殼體結構圖如圖8所示。

圖8 支承殼體結構圖

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構改為雙彈性橡膠塊的支承結構，增加了一倍的支承點，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，不僅加大了柴油機前、后支承縱向距離，同時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，從而有效地增強了臺架及發動機的整體穩定性[3]。

3.3 改進后分析

改進后的總體結構圖如圖9所示。采用橫梁加剛性整體支架，支承強度高，解決了原有支架懸空支承柴油機的缺陷，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支承，相比原來單彈性橡膠塊的柴油機支承，支承強度大大增強。

圖9 改進后的總體結構圖

改進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構，最大限度地減少了試驗中各個方向的振動現象。臺架全部采用剛性連接，消除了原有支架柔性調節帶來的剛度不足、連接易松動的問題。

圖10 改進后支承安裝位置(側面)圖

圖11 改進后支承安裝位置(飛輪端)圖

3.4 振動測試

改進后對發動機振動情況進行測試，測試數據見表2。由表2計算出，在4個轉速下的振動烈度分別為14.82、12.841、12.338和10.221。

表2 測試數據

對比表1和表2可知，改進后各個轉速下振動烈度明顯小于改進前。

4 結語

發動機及試驗設備向周圍傳遞振動的分析和預測是一個專業性很強的領域。為減小發動機產生的有害振動，除了合理設計較為牢靠的固定支架外，還可以采用改變試驗臺板和基礎的方法。例如，在臺板和混凝土基礎構成的質量塊之下安裝減振彈簧，可以有效地吸收試驗過程中產生的振動，改善工作環境，保護發動機和周圍設施人員的安全。

[1] 馬特A J，普林特M A. 發動機試驗理論與實踐[M]. 宋桂進，譯.北京：機械工業出版社，2009.

[2] 韓勇墻，劉忠長，許允. 用發動機臺架試驗研究輕型車排放[J].吉林大學學報：工學版，2002(4)：1-6.

[3] 周龍保. 內燃機學[M].北京：機械工業出版社，1998.

責任編輯 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，大學本科，主要從事發動機研制與開發試驗等方面的研究。

2016-08-04