新聞主題	縱向振動對柴油發電機的影響和危害

 

摘要：新裝柴油發電機組試運或大修后第一次啟動時，振動問題是影響其能否成功啟動的關鍵。一般而言，造成振動的原因均由發電機定轉子勵磁線對中不準、燃燒的不穩定性及各缸工作的不均勻性引起的。同時不應忽視聯軸器對軸系縱向振動的影響，以往的案例中也出現過因高彈安裝問題導致的發電機組縱向振動故障。經驗表明，盡可能的減小發電機轉子軸與軸向定位裝置之間的間隙也有助于減輕縱向振動。因此，應根據發電機的極坐標圖、頻譜瀑布圖、極聯圖、軸心位置圖、軸心軌跡圖、振動趨勢圖、波形頻譜圖來分析得知，設法減少旋轉機械的不良振動是重要的研究課題。

 

一、機械振動定義和標準

 

1、旋轉機械振動的標準

      我國是參照國際標準化組織《ISO1086-2：1996》制定旋轉機械振動烈度評價標準的。分為A、B、C、D四個區域，它們的分界線是根據以下公式得出：區域邊界A/B S_ρρ=4800/√n；區域邊界B/C S_ρρ=9000/√n；區域邊界C/D S_ρρ=13200/√n，如圖1和表1所示。

表1    柴油發電機組振動烈度評價標準

2、振動定義

      機械振動是指系統在某一位置（通常是靜平衡位置）附近所作的往復運動。振動的專業術語比較多，這里只介紹兩個重要術語：振幅、振動頻率。

（1）振幅——振動體距平衡位置的最大位移。顯然振幅越大，則振動越大，反之，則振動越小。

（2）振動頻率——單位時間內完成的運動數。振動頻率越大，則振動越劇烈。

      振動可分為自由振動和受迫振動：系統受一個初始擾動后任其自身振動稱為自由振動；系統在外力作用下（通常是重復性的力）所作的振動稱為受迫振動。柴油機發電機組在運轉時產生的振動都是受迫振動。

3、波德圖

      波德圖是反映發電機振動幅值、相位隨轉速變化的關系曲線，見圖2。圖形的橫坐標是轉速，縱坐標有兩個，一個是振幅的峰－峰值，另一個是相位。從波德圖上可以得到以下信息：

（1）轉子系統在各種轉速下的振幅和相位；

（2）轉子系統的臨界轉速；

（3）轉子系統的共振放大系數(Q=Amax/ε)，一般小型發電機組Q在3～5甚至更小，而大型發電機組在5～7，超過上述數值，很可能是不安全的；

（4）轉子的振型；

（5）系統的阻尼大小；

（6）轉子上機械偏差和電氣偏差的大小；

（7）轉子是否發生了熱彎曲。

      由這些數據可以獲得有關發電機振動、動平衡狀況和振動體的剛度、阻尼特性等動態數據。

 

圖1  柴油發電機組振動烈度曲線

圖2  發電機振動幅值和相位波德圖

 

二、振動的原因及其危害

 

1、旋轉機械振動產生的原因

（1）連接剛度不足發電機組基座單薄，支撐強度不夠；基座與機座之間墊片連接不好，螺絲松動；機座結構剛度不足。

（2）機械本身存在缺陷由于長期使用，缺乏保養，運動副的間隙過大；運動件損壞，產生不平衡質量，運動時產生不平衡力。

（3）聯軸節缺陷齒輪式聯軸器長時間運行，齒輪因磨損產生齒厚和齒隙不均，齒面接觸不良；彈性柱銷聯軸器長時間運行，彈性膠老化、變形、磨損脫落，聯接膠座孔磨損變形，聯接螺絲疲勞折斷。剛性聯軸器平面跳動大，端面與軸中心不垂直等。

（4）修理、安裝的精度差修理中更換運動件時沒有考慮質量、間隙；電機與柴油機中線調整不合規范；在調整中線時墊片使用不合理等。

2、發電機縱向振動的危害

      機械振動往往會導致軸承的過度磨損、機件裂紋的形成、緊固件松弛、結構和機械的破壞、機械設備頻繁的維修，以及由此引起的過高費用、焊點破裂引發的電路故障、絕緣材料磨損造成的短路等。工作人員長時間在振動環境中會感到疼痛、不適，工作效率低下。

      軸系縱向振動主要是由軸向（X向）不平衡擾力造成的，如圖11所示。在理想情況下，康明斯發電機組曲軸軸向（X向）并不受力，但在實際工作中，受零部件的加工及裝配誤差和部件的不均勻受熱、受力變形（主要指曲軸的受力變形）等因素的影響，康明斯發電機組缸內燃燒壓力推動活塞在Y向運動時，其燃燒壓力在X向會存在一個分力（1、2、3、4、5、n為氣缸數） ，該分力通過連桿共同作用在曲軸上。 其中：簡諧力為各缸氣缸燃燒壓力在X向分力的合力，也是發電機組軸系縱向振動的一個主要激勵力源之一。

2、發電機縱向振動激勵力源分析

      根據發電機的工作特點，發電機在起勵后其定、轉子磁勵線將自動尋找對中，以保證磁場穩定，即決定電機X向（軸向）擾力大小及特性的是發電機內部定、轉子磁勵線的相對位置。發電機X向擾力主要會在如下兩種情況下出現：

（1） 發電機在靜止狀態下定、轉子磁勵線出現錯位，使得發電機組在啟動后的起勵過程中，為了保證電機運行中磁場的穩定，磁場在X向上會產生一個軸向力迫使轉子軸移動至系統穩定。

（2） 發電機在靜止狀態下定、轉子磁勵線對中良好，如果穩定運轉的電機轉子收到一個軸向外力影響并造成一定位移時，磁場在X向上會產生一個相反的軸向力迫使轉子回到原來的穩定位置。當外力和位移為一變量時，在發電機組的磁場特性作用下，便會出現軸系的縱向振動。

（3）固定于發電機轉子軸上的冷卻風扇在運轉時也會產生一個X向力，該軸向力的大小與發電機組轉速成正比。

3、聯軸器縱向振動激勵力源分析

      發電機組所采用的高彈聯軸器連接部分的減振橡膠，該聯軸器在運轉過程中只是起到傳遞扭矩和減振的作用，只要安裝得當，并不會在軸向上產生額外的振動。減震系統示意圖如圖12所示。

4、其它縱向振動激勵力源分析

      在氣體壓力和往復慣性力產生的徑向簡諧力的作用下，曲柄會舒張變形，形成所謂的彎曲一縱向耦合振動；同時一缸曲柄的舒張變形會造成其他缸曲柄的X向位移，對氣缸燃燒壓力的X向分力產生影響。軸系縱向振動也可能由軸系弭烈的扭轉振動藕合激發產生，特別是當兩者臨界轉速相同或相近時更易產生圃。

 

圖11  柴油發電機組縱向振動示意圖

圖12   柴油發電機隔振系統圖

 

五、縱向振動激勵力源故障排除

 

      從上述激勵源的分析中可知，造成縱向振動的激勵源較多，為找出主要原因，在分析研究之后，采用了試驗的方法對各種可能原因逐一進行了排除和驗證。考慮到電機風扇產生的擾力較小，通過拆除風扇進行啟動和停車試驗，發現故障現象未發生明顯改變，故該激勵源排除在主要原因之外。

      由于加工和裝配都存在一定誤差，故就算是同型號發電機，其定、轉子磁勵線對中情況都會存在一定差別，為了了解發電機擾力對發電機組縱向振動的影響，在同一臺位上更換多臺同型號發電機進行了試驗，數次試驗下的縱向振動現象存在明顯差別，但故障并未消除。結合分析可知，發電機擾力是造成縱向振動的影響因素之一，但不是主要因素；在滿足電機其他設計要求的前提下，盡可能的減小轉子軸與軸向定位裝置之間的間隙有助于減輕縱向振動。

      通過上述分析可知，柴油發動機此時的工作特性應是造成發電機組縱向振動的主要原因。結合故障特點，發現劇烈縱向振動都是在啟動和停車時轉速約為480rpm左右出現，理論分析可知，此低負荷低轉速工況下康明斯發電機組缸內燃油霧化差，燃燒不穩定。由于發電機組試驗中不能在此故障工況下長時停留，因此無法獲得該工況下的燃燒參數，故采用類似低負荷工況 I下（100％額定轉速，25％額定負荷）康明斯發電機組參數進行類比分析，發現該機型在類似低負荷下各缸工作均勻性較差，這勢必會造成曲軸受力不均勻，而曲軸的不均勻受力變形將促使擾動力的增大；同時各缸的不穩定燃燒和各缸扭矩輸出的不均勻性還會引起扭振，通過扭振測試和數據分析，發電機組在480印m下的確出現了明顯的扭振特性，雖然曲軸應力、電機扭矩及電角均未超差，但明顯的扭振特性勢必會激發一定的縱向振動。由此可見，康明斯發電機組各缸工作的穩定性和均勻性是造成發電機組縱向振動的重要因素。

      可用Matlab 工具箱編寫程序對柴油發電機組的雙層隔振系統進行計算，分析了采用不同中間質量、鐘狀罩剛度、上下減震器的剛度及減振器阻尼系數等對隔振效果的影響，為該發電機組的隔振器選用提供參考依據。Matlab 工具箱編寫程序，通過輸入不同參數，對柴油發電機組的雙層隔振系統的隔振性能進行計算，對隔振效果進行了比較。

 

總結：

      柴油發電機振動原因多種多樣，振動故障診斷是一件復雜的系統工程。很多故障之間有著相似性。這時就必須突出故障的“征兆”，以區分振動的原因，排除可疑因素，將故障范圍盡可能縮小，進而為制定消振方案提供依據。要獲得較高的振動診斷正確率，首先要認識發電機組振動，即掌握發電機組振動特征，在消振工作中不要依據振動現象，直接套用以往的消振經驗，因為類似的振動現象相同的故障，在實際中是極少遇到的，所遇到的振動問題也大多是從未見過的，也必須親自測試和搜集振動數據，即使是以往工作中遇到過的振動故障，也需要在振動數據測試較全的情況下，進行仔細地分析和推理，才能對振動故障做出明確的診斷。發電機組振動突升與突降皆是不正常現象，發電機組振動大有危害，振動突降也不是好現象，要引起重視，可能是振動增大的征兆，運行人員更不可麻痹大意。

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