船用發(fā)電機冷卻器隔振設計及模態(tài)分析

范芳蕾 ，余宏濤 ，章國慶 ，張克義

1 引言

船用發(fā)電機組作為船舶系統(tǒng)的主要供電設施，其系統(tǒng)的可靠性備受客戶關注。機組和設備的安全與壽命受各種因素的影響，其中振動是主要原因之一。柴油發(fā)電機組常用于船舶系統(tǒng)，安裝在大型柴油機組上的發(fā)電機，工作運行時受到發(fā)動機不同頻率下的激勵，使其結構產生振動、變形，甚至共振，對整個機組及其關鍵部件的結構強度造成一定破壞，甚至影響整個機組的安全工作性能[1]。冷卻器作為空-水冷發(fā)電機的重要散熱部件，因其安裝位置，受到的振動影響一般都比較大。工程實際中也經常遇到冷卻器框架或者連接水管被振裂的情況，直接影響發(fā)電機的安全使用。

傳統(tǒng)的冷卻器一般與箱體間采用硬連接—通過螺栓將其分別與驅動端箱體和非驅動端箱體連接在一起，形成一個整體，如圖1所示。當發(fā)電機與柴油機聯(lián)機運行時，柴油機激振直接通過箱體傳遞到冷卻器上，引起了冷卻器很大振動。工作轉速1200RPM，如圖2所示。功率1800kW發(fā)電機與柴油機聯(lián)機后滿載運行下測得的冷卻器各點振動速度。根據(jù)ISO8528-9相關規(guī)定，轉速在（720～1300）RPM、功率大于1000kW發(fā)電機與柴油機聯(lián)機運行振動速度值不能超過18mm/s[2]。從圖中可以看出87%振動數(shù)據(jù)超標，如機組連續(xù)運行，冷卻器一直處于振動超標工況下易發(fā)生水管破裂，漏水現(xiàn)象。

為解決這個問題，對冷卻器及其安裝做了一系列的研究，最直接的方式是增大冷卻器的強度，但由于冷卻器布滿冷卻水管及翅片，要提升其強度難度較高，且成本大幅提升。基于性能與成本的綜合考慮，對冷卻器開發(fā)出一種隔振設計，利用橡膠彈性支撐的“通低阻高”特性，在較寬的柴油機激勵頻率上起到很好的抑制振動峰值的作用，大大提高了冷卻器的可靠性，降低了設備的維護成本。

圖1 冷卻器振動測試點Fig.1 Vibration Measurement Points of Cooler

圖2 機組滿載運行時冷卻器各點振動數(shù)據(jù)Fig.2 Vibration Data of Cooer with Gen-Set Full-Load Running

2 冷卻器的隔振設計

對船用發(fā)電機冷卻器的安裝方式進行設計改進，采用單層隔振系統(tǒng)，在冷卻器與底座之間（Z方向）安裝多個彈性支撐，對冷卻器起到支撐和減振作用。除此之外，還分別在冷卻器底部和頂部的前后及左右（X、Y方向）兩個方向各安裝四個彈性支撐，對冷卻器起到限位和減振作用，如圖3所示。

圖3 冷卻器隔振設計Fig.3 Design of Cooler Vibration Isolation

采用橡膠彈性支撐件，橡膠材料屬于超彈性材料料具有的高彈性和非線性特性，彈性支承的性能隨著橡膠的配方比例、硬度、環(huán)境溫度、受力狀態(tài)等諸多因素而變化[3]。因此，選擇橡膠材料時，要根據(jù)發(fā)電機的工況選擇合適的橡膠。這里選用的是氯丁橡膠，它是一種有效的阻尼材料，具有以下幾個優(yōu)點：（1）有較高的力學性能，可滿足對各個方向上剛度和強度的要求；（2）內部摩擦大，減振效果好，有利于越過共振區(qū)，衰減高頻振動和噪聲；（3）彈性模量比金屬小得多，可產生較大彈性形變；（4）沖擊剛度高于靜剛度和動剛度，有利于沖擊變形[4]。

彈性支撐件排布及數(shù)量的確定：首先根據(jù)冷卻器的重量及重心位置，確立支撐件的相應靜載荷，確保支撐件相對冷卻器對稱排布，各支撐件靜壓縮量基本一致；其次計算發(fā)電機工作時的激振頻率，確定所選支撐件的自身固有頻率；然后考慮發(fā)電機的工作運轉特性，選擇合適的阻尼比，同時還應該考慮發(fā)電機的整體結構和裝配工藝，優(yōu)選安裝方法，匹配冷卻器的重量，減少連接處的硬性沖擊。

3 隔振效果計算及模態(tài)分析

3.1 冷卻器底部隔振效果計算

從圖2機組滿載運行時冷卻器各點振動數(shù)據(jù)分析可知，雖然冷卻器存在X、Y、Z三個方向的響應，但主要激勵來自于Z方向，而且新設計中靜態(tài)下冷卻器在X和Y方向不與箱體接觸，那么可以近似認為冷卻器只受到Z方向的激勵。因此，可將系統(tǒng)近似為單自由度被動隔振系統(tǒng)。

將此隔振系統(tǒng)進行模型簡化[5]，如圖4所示。設箱體振動為簡諧振動，即：

圖4 被動隔振模型Fig.4 Passive Vibration Isolation System

箱體底座的振動將引起物塊（冷卻器）的振動位移，設此振動位移為x，則作用在物塊上。

以630型號發(fā)電機的冷卻器隔振系統(tǒng)設計為例，得到各激振頻率下不同彈性支撐件的隔振效果對比。隨著激振頻率的增加，隔振效果也逐漸增大，這也很好說明了彈性支撐的高頻阻隔特性，隨著激振頻率的增大減振效果越來越好，如圖5所示。

表中分別對底部為4、6、8個彈性支撐件的冷卻器進行計算，可知增大阻尼反而減小了隔振效果。因此，選用4個彈性支撐件相對冷卻器重心對稱排布，作為冷卻器的底部隔振。

阻尼材料氯丁橡膠的主要參數(shù)是：楊氏模量為3.9MPa，泊松比為0.47，密度為1.48kg/m3。

圖5 各激振頻率下隔振效果比較Fig.5 Effect Comparison of Vibration Isolation Under Different Excitation Frequencies

為盡量貼近實際工況，分析模型除了冷卻器上箱體阻尼部件螺栓連接外，還增加了發(fā)電機的前后端蓋、機座和定子，如圖6所示。根據(jù)柴油機的激勵研究分析，取（0～200）Hz頻率段內的前20階模態(tài)振型及其固有頻率[6]。

所有的網格化基于局部水平，冷卻器網格尺寸為40mm，彈性支撐件網格尺寸為20mm[7]；通過固定機座底腳來約束所有自由度。

圖6 冷卻器隔振設計模型Fig.6 Cooler Model with Vibration Isolation Design

3.2 計算結果與分析

根據(jù)FEM模態(tài)計算可以獲得模型的固有頻率和振型的分析結果[8]，如表2所示。前6階為冷卻器的剛體模態(tài)，此時冷卻器外形不發(fā)生變化，并在相應的頻率下做轉動或平移運動；從第7階開始箱體發(fā)生彈性變形，直到第20階頻率100.81Hz依然未出現(xiàn)冷卻器彈性模態(tài)，振型，如圖7所示。

圖7 冷卻器固有頻率和振型Fig.7 Natural Frequencies and Mode Shapes of Cooler

表1 L20型號柴油機激振表Tab.1 Excitation List of L20 Type Diesel Engine

若激振頻率與剛體模態(tài)固有頻率一致，且激振力方向與剛體模態(tài)方向一致時，是會引起冷卻器共振，為此需要了解柴油機激振頻率[9]。此改型設計的630發(fā)電機用于與缸數(shù)為4、5、6、8的L20柴油機配型。L20系列柴油機的激振頻率及激振力，如表1所示。其中：MB表示彎矩，MR表示扭矩，*的數(shù)量表明引起激振程度。

根據(jù)模態(tài)分析結果對應表1可知，彈性支撐件對柴油機各階激振及點火頻率下傳遞的振動起到了較好的隔振特性，冷卻器在前20階都未出現(xiàn)彈性變形，且前6階剛體模態(tài)固有頻率也避開了柴油機的激振頻率。

4 模態(tài)實驗驗證

表2 箱體及冷卻器固有頻率和振型Tab.2 Natural Frequencies and Mode Shapes of Top Module and Cooler

為驗證FEM模態(tài)分析結果的準確性，運用錘激法對新設計樣品做模態(tài)實驗，采用西門子LMSScadasmobile動態(tài)信號分析儀，結合PCB 356A16三軸加速計以及086D20型號PCB模態(tài)力錘，采用逐點采集法，采集點位于冷卻器外殼，利用LMSTest-Lab分析軟件進行分析，其結果，如圖8所示。通過實驗分析可知，冷卻器剛體模態(tài)分別出現(xiàn)在 5Hz、7Hz、10Hz、12Hz、15Hz 和 69Hz，在24Hz和36Hz出現(xiàn)彈性變形。實驗的結果與FEM模態(tài)分析結果基本一致，但也存在部分差異，這是由于產品安裝誤差以及冷卻器的模態(tài)參數(shù)設置與實際存在差異造成，但產品各階固有頻率只要在激振頻率±15%之外都可以認為是安全的，不會引起共振。

圖8 冷卻器頻率響應函數(shù)（FRF）Fig.8 FRF Curve of Cooler

5 結論

針對轉速為1200RPM、630型號船用發(fā)電機冷卻器采用新型隔振設計，利用有限元軟件對設計進行性能分析，并與實驗結果對比，可以得到以下結論：（1）對于轉速為1200RPM的中速發(fā)電機，主要研究其頻段（20～100）Hz的彈性體模態(tài)的固有頻率和模態(tài)振型。從模態(tài)分析可知，隔振設計提高了冷卻器的彈性體模態(tài)的最小固有頻率，使其超過100Hz，避免了冷卻器固有頻率與發(fā)動機的激勵相重合而發(fā)生共振現(xiàn)象；（2）錘激法模態(tài)實驗結果與模態(tài)分析基本一致，驗證了FEM模態(tài)分析在產品設計中應用的準確性。由于產品實際安裝以及參數(shù)設置的誤差，模態(tài)實驗對樣品的驗證是必要的。通過模態(tài)實驗結果可知，樣品分別在24Hz和36Hz出現(xiàn)彈性模態(tài)，但其避開了柴油機的激振頻率，并在（±15）%之外。因此，可認為冷卻器的隔振設計，起到了很好的振動抑制效果。