搜索机车柴油发电机组安装架设计有限元分析
2013-06-18 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
2 安装架结构特点及计算模型的建立
图1为安装架原结构的结构简图。柴油发电机组采用整体隔振方式,该安装架由侧梁、前端梁、后端梁、十字形横梁、柴油机横梁、电机横梁等部分组成,为保证其强度和刚度,各梁内布置有强筋板。图1中所示右手螺旋直角坐标系,Y轴为安装架垂向,向上为正;Z轴为安装架纵向,柴油机端为正向,并定为安装架前端,电机端为后端;X轴为安装架横向,随后各图的坐标系规定与此同。
图2为安装架原结构的有限元模型,安装架结构左右对称,但柴油机工作过程中安装架所受载荷不具对称性,因此建立安装架的整体三维有限元模型作计算分析。计算模型中用ANSYS软件的She1163单元来模拟安装架的钢板结构,用Combinl4单元模拟橡胶支承的作用,用Mass21单元模拟柴油机、主发电机等部件,共有24338个She1163单元,4868个Solid45单元个,12个Combinl4单元,2个Mass21单元,单元节点49882个,安装架结构的有限元模型质量为1321kg。有限元模型中采用的材料参数为:弹性模量E=210GPa,泊桑比V=0. 3,密度ρ=7850kg/mg。因柴油发电机组中柴油机、发电机的刚度远大于安装架自身的刚度,在有限元模型中将柴油机及其在安装架上的安装位置处理成一个刚性区,将发电机及其在安装架上的安装位置处理成另一个刚性区。
3 安装架的计算载荷条件
安装架支承方式:四点支承;
安装架每个橡胶支承的刚度:Kxx=12.74KN/mm, Kyy=3.64KN/mm, Kzz12.74KN/mm;
柴油机质量:Mc=7092kg;
电机质量:Mc=5000kg:
重力加速度:g=9.81m/s2:
柴油机额定功率/转速:150Okw/18DOrpm;
柴油机绕其质心的转动惯量:Ixx=7000 kg-
;Iyy=7000 kg-
; Izz=1000 kg-
;
电机绕其质心的转动惯量:Ixx=844kg-
;IYY=856kg-
;Izz=834kg-
;
4 计算评价标准
根据安装架的设计要求,本次计算用安装架上主发电机安装座区、柴油机安装座区间的最大垂向相对变形来考核安装架的静刚度,要求最大相对变形小于0.1mm:用计算得到的橡胶支承反力差值、橡胶支承垂向静刚度来计算各橡胶支承间静挠度差值,要求静挠度最大差值小于1mm;并根据安装架的结构、材料特点,用计算得到的von wises应力来考察安装架的静强度,要求最大应力值小于安装架材料屈服强度的下限值[σ]=345MPa.
5 原方案计算结果
5.1 静强度计算
图3为安装架的应力云图,最大应力仅为31.3MPa,位于柴油机安装座板上。最大应力值远小于安装架材料屈服强度的下限值,安装架具有足够的静强度。
5.2 静刚度计算
图4为安装架上柴油机安装区域、发电机安装区域的垂向变形云图,这些区域的最大垂向相对变形为。0.0805mm<0.1mm,满足设计要求.
并由相关计算结果知,安装架前端每个橡胶支承处的支反力分别为27758N, 29194 N,后端每个橡胶支承处的支反力分别为36741 N, 38220 N,后端支承承受的机组重量比前端多了18009N(合1835kg).前后端支承处的支反力最大差值为△R=|RF-RB|=10462N,静挠度差值为△r=△R/Kyy=2.87mm>lmm,橡胶支承静挠度差值不满足设计要求。
6 安装架结构改进及校核计算
从上述计算结果知,安装架静强度,静刚度满足设计要求,但后端支承承受的机组重量比前端多,使橡胶支承静挠度最大差值不满足设计要求。在保证安装架主体结构不作多大改变的前提下,调整支承位置是解决橡胶支承静挠度最大差值不满足设计要求的较好方法.通过一系列计算分析后,再结合安装架的结构特点与设计人员进行讨论,确定的安装架最终设计方案是在原方案中把电机支承位置向后端移动了262mm,其它结构和原方案一样。
6.1 静强度计算
图5为安装架最终结构的应力云图,安装架的最大应力为15.4MPa,远远小于安装架材料屈服强度的下限值[Q]=345MPa,这也验证了最终方案的安装架具有足够的静强度。
6.2 静刚度计算
图6为安装架上柴油机安装区域、发电机安装区域的垂向变形云图,由计算结果知,安装架上发电机安装座区、柴油机安装座区间的最大垂向相对变形为0. 0813mm<0. lmm.满足设计要求。
安装架前端每个橡胶支承处的支反力分别为33749N, 33993 N,后端每个橡胶支承处的支反力分别为33854N, 34093N,后端支承承受的机组重量仅比前端多了205N〔合21kg)。前后端每个支承处的支反力最大差值为△R=|RF-RB|=344N,静挠度差值为△r=△R/Kyy=0.094mm<lmm,橡胶支承静挠度最大差值满足设计要求,最终安装架设计方案的橡胶支承位置从计算结果来看是比较合理的。
6.3 模态计算
模态计算的目的是确定安装架各阶的自由振动振型及振动频率。计算中将柴油机、电机、安装架、橡胶支承等整个系统一起作整体计算,该柴油机是12缸柴油机,各缸发火间隔角为60°,其最低转速600转/分,最高转速1800转/分,柴油机最小转速频率为1OHz,最大转速频率为30HZ,最小输出扭矩频率为60Hz,最大输出扭矩频率为180Hz.所以计算中共提取了安装架自振频率在0~250Hz范围内的所有模态。图7~10为安装架主要模态振型图。(其余图片限于篇幅此处略)
从上述计算结果知,在0~250Hz频率范围内,安装架的主要振型为垂向弯曲和扭转两种方式。正常工作情况下,柴油机输出扭矩是作用在安装架上的最主要载荷,且安装架扭转振型与柴油机输出扭矩作用下安装架的变形是一致的,因而,当柴油机输出扭矩的频率与上述扭转振型的频率相同或相近时,整个柴油发电机组就易发生共振。在柴油机工作转速频率、输出扭矩频率范围内,安装架最终结构易发生共振的扭转振型频率为43.263Hz, 133.127Hz.
对于12缸四冲程柴油机,柴油机输出扭矩的简谐频率为曲轴转动频率的简谐次数,其中简谐次数取0.5, 1, 1.5, 2……,安装架的扭转频率43.263Hz, 133.127Hz正好能避开柴油机输出扭矩的简谐频率,因此,该柴油机的设计能比较好的避免共振的产生。
7 结论
(1)由计算结果知,安装架原方案所采用的支承方式,其支承布置不合理,后端支承承受的机组重量比前端多,使橡胶支承静挠度最大差值不满足设计要求。
(2)安装架改进后的最终结构是在原方案中把电机支承位置向后端(电机外端)移动了262mm,其它结构和原方案一样.安装架最终结构的校核计算结果为:最大应力为15.5MPa;发电机、柴油机安装座区最大垂向相对变形为0. Q813oun;各橡胶支承最大静挠度差值为0.094mm,安装架有足够的静强度和静刚度,各橡胶支承静挠度最大差值满足设计要求.
(3)在柴油机工作转速频率、输出扭矩频率范围内,安装架最终结构易发生共振的扭转振型频率为43.263Hz, 133.127Hz,正好避开了柴油机输出扭矩简谐频率,较好的避免共振现象的产生。
(4)通过本次对安装架的设计计算分析,感到对于安装架设计质量好坏这种直接影响到柴油机正常工作的关键机车构件,我们还应加大设计验正手段,提高关键机车构件设计质量,以保证机车运行的可靠性。
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