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柴油发电机组减震垫的作用和隔振措施 |
摘要：柴油发电机组在运行时存在离心惯性力、往复惯性力、连杆惯性力等导致的振动，为减少柴油机振动及外界振动冲击的影响，柴油机需通过减震垫与机组底盘连接，减震垫为弹性体。在受到外界强烈的冲击、振动时，普通减震垫容易因应力超过弹性力的极限而断裂损坏。由于柴油发电机组在运行过程中会带来振动，不仅对操作者的健康造成影响，也会对发动机本身的寿命产生不利影响。因此，如何减少柴油发电机组的振动已成为发电机厂家研究的热点。因为不但提升减震系统技术的发展，可以有效地改善柴油发电机组的噪音和振动问题。
一、柴发噪音和振动的来源及影响
本文分析的模型所对应的柴油机型号为6BTA5.9-G2，对已有机体实体模型进行简化，忽略螺钉孔、油孔、倒圆角、凸台等细小结构，并对气缸体内部的气道、流道等内部结构进行适当简化，得到整机网格模型（如图1所示）。本文由T=0时刻开始结构振动求解，基于时域有限元方法进行激励力施加，分析结果表明，机体结构振动在第1周期60°曲柄转角后振动趋于稳定，本文计算柴油机2个周期的工作过程，提取稳定的第2个周期振动响应曲线进行分析。这里分别选取4个参考点的振动响应结果来分析，参考点位置可见图2，分别位于第2个气缸套、气缸架、机架、机座上，基本为一条垂线。
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图1 柴油机动力学分析模型的建立 |
图2 柴油机振动部位参考点 |
1、 噪音来源
柴油发电机组产生的噪音主要由以下几个方面造成：
（1）气门的打开和关闭，活塞的运动和机油的循环等机械噪音；
（2）燃油的喷射和点火，压缩和燃烧等过程中产生的声波噪音；
（3）柴油发电机组通风系统和冷却系统所带来的风噪音。
2、 振动来源
柴油发电机组产生的振动主要由以下几个方面造成：
（1）柴油机内部各部件的相互作用所产生的振动；
（2）柴油机在工作时的噪声和压力影响所产生的振动；
（3）柴油发电机组的机械结构因缺乏良好的设计和制作，而引起的振动；
（4）柴油发电机组的不平衡所引起的振动。
3、振动的危害
柴油发电机组的噪音和振动除了会影响操作者的健康和安全外，还会引起柴油发电机组本身的故障和损坏。常见的影响包括：
（1）因冲击和振动而损坏发动机的零部件；
（2）因振动而引起的系统的失配；
（3）由于噪声和振动造成的结构的疲劳和损坏。
对应于图2，柴油机机体主体结构振动加速度响应如图3、图4、图5、图6所示。由此可见，由于整机主要受到气缸压力、敲击力的作用，各曲线中均有明显的14 Hz，28 Hz，42 Hz线谱，由公式f=n*z/60, （n为转速，n=142；z为气缸数，z=6）可知，这是由气缸压力引起的。对于机体结构可明显看出，随着参考点下移，结构振动响应变的复杂，振动加速度幅值变小，除了气缸压力线谱外，较多的结构振动固有特性参与到曲线中。气缸压力线谱仍较明显，由于机座的刚度较弱，机座位置的振动响应最复杂。在350 Hz以内，响应曲线中包含了较多共振峰，这是基座的振动固有频率和激励力频率共同作用引起的。
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图3 柴油机机体参考点1加速度响应曲线 |
图4 柴油机机体参考点2加速度响应曲线 |
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图5 柴油机机体参考点3加速度响应曲线 |
图6 柴油机机体参考点4加速度响应曲线 |
二、减震系统技术的研究发展历程
减震系统技术是指通过设计和安装减震装置，使柴油发电机组在运行过程中产生的振动能够得到减缓和消除，从而使机体的噪音得到降低。减震系统技术的研究历程可分为三个阶段：
1、传统减震技术
传统减震技术主要是利用橡胶材料和弹簧等元器件进行隔振和减震，技术成熟、易于实现。但是，传统减震技术的隔振效果相对比较差，影响不大，同时橡胶材料会因为长时间的工作而产生老化现象，降低了使用寿命。
2、电磁减震技术
电磁减震技术是利用电磁力对振动进行抑制的减震技术，该技术利用电感线圈和永磁体来产生电磁力，减小柴油发电机组的振动。该技术的减震效果比传统减震技术更好，但是该技术利用到的永磁体较贵，增加了成本的同时，又因为永磁体的长时间使用而产生磁老化，降低了使用寿命。外置型减震器如图7所示，内置型减震器如图8所示，
3、智能减震技术
智能减震技术是最新的减震技术之一,该技术利用了柴油发电机组的振动信号，利用数学建模和智能化控制技术对振动进行分析和预测，在适当的时候施加相反方向的阻尼，从而减小柴油发电机组的振动。智能减震技术有着更高的减振效果，既不依赖于永磁体，也不会因为橡胶材料的老化而降低使用寿命。
智能减震技术在柴油发电机组上的应用需要通过各种传感器、数据接口等装置，对发动机的振动数据进行分析和收集。通过内置的智能控制程序来计算阻尼的大小和时间，从而精确地调整减震装置进行智能化控制。智能减震技术与传统减震技术相比，具有如下优点：
（1）更高的减震效果：因为智能减震技术可以对发动机振动进行精确的测量和分析，并对阻尼进行定向控制，从而达到更好的减震效果。
（2）更稳定的工作：智能减震技术利用的是内置程序来控制，因为没有使用永磁体和受老化影响的橡胶材料，故该技术在工作时更加稳定。
（3）更低的维护成本：智能减震技术未使用永磁体，且采用耐用的材料制作，可以降低维护成本。
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图7 电磁减震器（外置） |
图8 电磁减震器（内置） |
三、传统减震垫的应用
1、普通减震垫安装要求
柴油发电机组弹簧型避振器（如图9所示）须装于底板下，使整个装置坐落在混凝土楼板上而不致将振动传至邻近的设备或建筑物任何部分上。
（1）在安装新的柴油发电机组时，我们建议用户使用减震垫。用户可根据发电机组底座上的安装孔，将发电机组通过减震垫用膨胀螺栓紧固在混凝土上；这样就可以有效地减少发电机组运行时对建筑物产生的震动及冲击，所以在无特殊求时，不建议再在基础上作另外的减震处理措施。
（2）除发电机组与基础通过减震垫安装外，发电机组其他部件与外部的连接亦应通过柔性连接。比如，排烟管使用波纹减震管连接；排气道、燃油进油管、回油管、配电电缆等亦要通过柔性连接，这样才能最大限度地减少因发电机组运行而对周围物体产生的震动。
（3）设备内部的零部件之间也需要防震，最简单的措施就是润滑保养，消除零部件之间的摩擦，对于设备本身的震动大家亦要找出故障进行及时的检修，这有这样才能有效降低磨损，柴油发电机组的安全性和使用寿命也当然能得到保障。
2、康明斯发电机组专用减震垫
柴油发电机在工作时常常会伴随剧烈振动，所以需要在柴油发电机下安装减震垫装置。但是，目前市场上大多数的发电机减震垫功能性都比较单一，现有柴油发电机中所用的减震垫大多采用弹簧结构，虽然吸震弹簧可以吸收震动的能量，但弹簧自身还会有往复运动，而且长久使用，弹簧弹性逐渐丧失，并且传统的发电机减震垫也都是采用单一的弹簧，减震效果也不是很好。
为此，我们提出一种发电机减震垫，结构如图10所示。通过安装的伸缩连接杆和电磁线圈，电磁线圈在上套筒与下套筒内为受压收缩状态，发电机进行工作时，如发生震荡，作用力由伸缩连接杆顶端传递至该减震垫，受压部分的上套筒、下套筒和伸缩连接杆收缩，电磁线圈作用将减震垫所受压力进行缓冲，受拉部分的上套筒、下套筒和伸缩连接杆伸展，电磁线圈将由受压状态解除，电磁线圈将产生一定的冲力，进而达到对发电机的减震，由于伸缩连接杆和与之同轴线套筒结构，更加有效保证电磁线圈的垂直运动，提高了该减震垫稳定性，从而使之更加安全可靠，通过安装的压力传感器，当伸缩连接杆受到压力时，会通过二号底盘作用在压力传感器上，压力传感器检测发电机振动时产生的瞬时压力，电磁线圈中的电流强度直接由控制器控制，控制器根据压力传感器检测到压力，同时控制电磁线圈电流大小，实时快速改变弹力方向、大小，从而实现减震效果，避免出现电磁线圈变形的情况，保证了长久的使用，通过安装的减震弹簧，当上套筒受到压力向下移动时，也会作用在减震弹簧上，从而能够更加提高减震垫的减震性能，结构简单，功能性强，适合大批量生产使用，可以有效解决背景技术中的问题。
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图9 普通柴油发电机组避震装置结构图 |
图10 康明斯专用减震垫结构示意图 |
四、柴发隔振措施
在使用柴油发电机组时，为了保证发电机组能够正常工作，我们需要注意到隔振措施。对于柴油发电机组来说，隔振措施主要分为四个方面：地基、支架、减震垫和隔振器。柴油发电机组外形如图11所示。
1、地基
地基是发电机组避震的基础，是发电机组的承重体，结构如图12所示。若基础台板的二次灌浆质量如存在问题，将造成发电机机座的支承刚度不足，引起机座振动失稳，尤其是发电机带负荷后会引发机座的电磁共振现象，噪声大、振动大。对于轴承座与机座连体结构的发电机来说，轴承支承刚度将同步下降，致使轴系振动失稳偏大，影响发电机组安全运行。因此，我们在安装柴油发电机组时，需要选择合适的地基，并按照设计要求进行基础施工。
（1）基础垫片布置
在发电机初找正阶段，基础台板连接在定子机座底脚下，为了最终找正阶段留有调节余地，一般都在台板与机座底脚间预配垫片组。此阶段该垫片组沿轴向厚度是一致的。最终找正阶段按发电机安装图纸要求，该垫片组是阶梯型布置的）。如果初找正阶段就按阶梯型布置垫片，在配置台板下斜铁时易造成台板变形、
（2）垫铁布置
台板下垫铁布置一定要严格按照产品图纸要求去配置，不得随意删减。尤其是大底板下的斜铁布置（如励磁机台板、座式轴承座台板等），因中心区域配置难度大，需花费大量时间去做该工作，但一定要规范到位，点要足够，斜铁配合面接触要面广点多，保障接触刚度良好。台板下斜铁配置不良，将引发发电机组振动的显著偏大和不稳定，严重时不得不重新凿开二次灌浆层返工、
（3）灌浆材料选取
灌浆材料需选用收缩性小、抗压强度大的浆料。国内发电机组灌浆材料的选择已有成熟经验，海外发电机组的灌浆材料若选择新牌号或当地材料，需要事先确认其性能指标，使用业绩等。另外，灌浆工艺的控制需严格、灌浆层的保养要规范，并确保养护期天数充分。
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图11 柴油发电机组外形结构图 |
图12 柴油发电机组混凝土基础结构图 |
2、支架
支架是连接发电机组和地基的重要组成部分，其作用是支撑发电机组并传递振动能量。普通固定支架通常由水泥和钢板等材料组成；可调节支架由钢板组成，如图13所示，具有良好的承载能力和耐腐蚀能力。与地基相同，支架的设计应该符合实际要求，能够承载发电机组的重量和振动力。同时，在支架设计中，需要考虑到材料的优劣、连接方式、安装方式等因素。
3、减震垫
减震垫是一种装置，通过其高度、硬度等特性进行减震作用，其结构如图14所示。在柴油发电机组中，一般使用硬质的橡胶减震垫或吊篮式减震垫，它们能够有效减少振动和噪音的产生。其中，橡胶减震垫根据其硬度不同，可以分为多种类型。一般情况下，我们选择软硬适宜、耐磨耐用的材料，确保可以实现更好的减振效果。同时，在受力方向上，减震垫应该是平衡的，以达到消除振动的作用。
4、隔振器
隔振器是一种安装在发电机组与基础之间的装置，隔振器由若干支杆、锁紧螺母、承重垫和弹簧垫等组成。一般情况下，选择性能稳定、装置简单、操作方便的隔振器，会有助于有效减少发电机组的振动和噪音。
总结起来，对于柴油发电机组的隔振措施，我们需要关注发电机组的地基、支架、减震垫和隔振器等几个方面。通过合理的设计和选择，可以有效减少振动和噪音的产生，保证发电机组安全、稳定地工作。当然，在使用期间，我们还需要注意定期检查和维护，确保避震设备能够持续有效地运作。
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图13 柴油发电机组可调节减震支架 |
图14 柴油发电机组隔振器结构图 |
总结
随着工业和交通业的飞速发展，柴油发电机组已经成为现代化社会重要的动力设备。因其具备经济性好、功率大、耐久性强等优点而受到广泛应用。康明斯建议安装一种柴油发电机组减震抗震装置，降低减少柴油机振动以及外界振动冲击的影响，避免机组在冲击振动时减震垫变形量过大导致减震垫的橡胶层破损。通过以上内容的介绍，我们可以了解到减震系统技术在柴油发电机组上的研究历程和应用情况。在未来的发展中，随着人们生活水平的提高，对柴油发电机组噪音和振动的要求也日益提高，因此智能减震技术将会更好的取代传统的减震技术，成为柴油发电机组减震系统技术的发展方向。
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