康明斯柴油发电机组的扭转振动分析方法

agn235-发电机组总成-扭转振动分析
旋转振动
扭转振动是物体的角度振动，通常是沿柴油发电机组旋转轴的振动。扭转振动在使用旋转轴或联轴器的动力传动系统中经常是一个问题，如果不控制，可能会引起柴油发电机组故障。
内燃机利用在活塞上方燃烧的空气燃料混合物的极快速的压力脉冲产生动力。发动机产生脉冲功率，脉冲可以激发非常显著的共振响应。燃烧过程中产生的动力脉冲转化为发动机曲柄轴上的角振动。振动的大小取决于发动机中气缸的数量。
分析
每个独特的传动系统都需要进行扭转振动分析(tva)。动力传动系统可以是发电机组中的发动机和交流发电机的组合。需要tva根据可接受的极限测量角度振动。
应进行tva检查：
●防止发动机、交流发电机或连接的传动系统出现疲劳或磨损损坏。
●尽量减少产品的噪音和音质。
●以提高设备的性能。
●以避免令人讨厌的振动传递到机器的其他部件。
●以避免对发动机调速或其他机器控制功能的不利影响。
●以确保实现发动机/交流发电机的兼容性。
往复式发动机产生脉冲功率，这些脉冲可以激发非常显著的共振响应。当发动机将活塞的倒数运动转化为曲轴的旋转运动时，输出将被传递到飞轮和驱动系统。大多数曲轴还不够硬，不能被建模为一个刚体；即使没有明显的共振行为。由于汽缸压力引起的扭矩单独，一个曲轴可以扭曲到足以影响系统的强制反应。由于这种灵活性，通常的做法是模拟曲轴和交流发电机具有一定程度的扭转灵活性。鉴于目前的计算机处理/模拟能力，这些扭转系统通常被模拟为一系列由扭转弹簧连接的刚体(惯性)。这被称为质量-弹性模型。一个典型的发动机模型对于每个曲轴投掷和/或每个气缸都有一个惯性，在每一端都有额外的惯性；表示一个滑轮和一个飞轮。
典型的交流发电机型号包括以下惯性：驱动盘/轮毂、风扇、转子和励磁机。根据转子的扭转刚度，可能需要超过一个惯性来表示一个转子(轮毂/驱动盘惯性通常只是添加到飞轮惯性)。这取决于模型中所需的精度水平。如果轮毂模拟为一个单独的惯性，通常三分之二的驱动盘惯性添加到飞轮上，三分之一添加到轮毂上。此外，对于长转子芯，转子芯可以建模为几个单独的惯性和刚度，如图1所示。
图1 弹性模型
tva清单
如图2所示，发动机、交流发电机和联轴器的质量弹性数据应在启动tva之前从每个部件制造商处获得。此外，所有相关数据，如图纸，组件限制和配合和扭矩传输限制，可以要求与质量弹性数据。
图2 tva弹性数据
发动机数据要求
●发动机数据：
大量的弹性数据，包括滑块曲柄的几何形状，功率和速度，气缸压力轨迹和点火顺序。
●通过/失败标准：
所有发动机气缸点火订单的曲轴前端的扭转速度应低于发动机制造商推荐的最大极限。
●相关参数：
○曲轴前端处的扭转位移。
○曲轴的振动应力。
○曲轴前后端螺栓接头设计相对于扭矩容量的边缘。
○曲轴阻尼器的热负荷。
交流发电机数据要求
●交流发电机数据：
具有转子轴几何形状和转子惯性的质量弹性数据（风扇、转子和励磁机分别离散化）。
●通过/失败标准：
转子轴中的最大振动应力应低于交流发电机制造商推荐的最大限值。
●相关参数：
○驱动盘到飞轮和驱动盘到转子轴螺栓接头设计与扭矩容量相关的边缘。
○轮毂、转子和励磁器适合轴设计边缘的扭矩容量。
○转子轴上关键位置的振动应力，如圆角和钥匙槽。
耦合数据要求
●联接数据(用于双轴承发电机组)：
质量弹性数据，包括几何形状、热容量和扭矩传输容量
●通过/失败标准：
○在发动机正常和失火的情况下，联轴器处的振动扭矩。
○在发动机正常和失火的情况下，联轴器中的热负荷。
tva计算和结果分析
手工计算和软件工具，如matlab、fea、专用tva软件等，用于评估系统，比较替代方案，并可视化不同操作条件下的结果。根据发动机的配置及其点火顺序，循环到循环的变化对不同的气缸点火顺序的影响也不同。所有对扭转振动的计算都需要通过试验进行验证。扭转振动计算的典型结果为：
●角位移。
●角度加速度。
○轴段上的振动扭矩和应力。
○所有振动的扭转模式(固有频率和强制频率)。
●减尼器中的热负荷。
tva专家在整个分析过程中使用设计边际和批准的验收合格/失败标准，以确保系统的兼容性。分析扭转的第一步振动分析是计算系统的扭本频率和模态形状。
手工计算实例-柔性联轴器的刚度
柔性耦合计算的刚度通常是在tva开始时进行的第一次计算。通过算例计算，探讨了影响柔性联轴器扭转刚度的关键参数或因素。
例如，给定以下信息，查找给定柔性耦合器所需的刚度：
该发动机可产生242个kwm(325马力)，转速为1800转/分。
启动速度：200rpm，低怠速：700rpm，高怠速：2100rpm。
发动机惯性为2.63kg-m2.
双轴驱动惯性为0.1kg-m2.
联轴器驱动惯性为0.5kg-m2.
交流发电机的惯性为1.75kg-m2.

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