柴油发电机扭振减振器的功能和对特点的危害

摘要：当发电机作业时，曲轴在周期性变化的转矩作用下，各曲拐之间出现周期性相对扭转的现状称为扭转振动，简称扭振。对扭转振动而言，因为主轴较长，扭转刚度较小，而且曲轴轴系的转动惯量又较大，故曲轴扭振的频率较低，在柴油发电机作业速度范围内容易发生共振，当发电机转矩的变化频率与主轴扭转的自振频率相同或成整数倍时，就会产生共振。共振时扭转振幅增大，并致使传动装置磨损加剧，发电机功率下降，甚至使主轴断裂。曲轴作为柴油发电机中具体的运动部件之一，它的强度和可靠性在很大程度上决定着柴油发电机的可靠性。因此，扭转震动是柴油发电机布置过程中必须考虑的重要因素。为了消减主轴的扭转振动，柴油发电机多在振幅较大的主轴前端机构扭振减振器。

      扭转减振器可以减轻发电机曲轴与传动系接合部分的扭转刚度，降低传动系扭转振动固有频率，增加传动系的扭转阻尼器，抑制与扭转共振对应的振幅，衰减冲击致使的瞬间扭振，缓解非稳态下传动系的扭转冲击载荷，改进连接的顺畅性。

      为了消减曲轴的扭转振动，现在柴油发电机多在扭振振幅较大的主轴前端系统扭振减震器。

      具体依靠它的动力效应改变轴系的自振频率，使之移出作业转速范围，达到避振目的，如弹簧式和摆式动力减震器等；

      主要依靠固体的摩擦阻尼或液体的粘性阻尼来吸收干扰力矩输入机构的震动能量，以减小震动，如橡胶减振器和硅油减震器等；

      就是既有调频用途，又有阻尼降幅功能，如硅油橡胶减振器和硅油弹簧减振器。

      目前运用较多的就是橡胶减振器和硅油减振器。其中橡胶减振器广泛运用于柴油发电机，硅油减震器具体应用于柴油发电机。随着柴油发电机的轻量化和大功率化，单级橡胶阻尼式减震器的减震效果已满足不了主轴机构扭转震动控制的要求，目前在一些柴油发电机上已经采用了多级的橡胶阻尼式减振器。拆除安装时都应整体进行，若无必要不要把扭震减震器从皮带轮上拆下来。

      假设扭振减振器的参数保持不变，并且弯曲减振器的定调比和惯量比为一定值，则阻尼系数的变化对振幅放大曲线。由此可见:弯曲减振器的阻尼系数比对发电机的振幅有很大的影响。当γ=0时，弯曲减振器为无阻尼弹性减振器，振幅曲线为三峰曲线;当γ=∞时，相当于将弯曲减震器的惯性体并死在发电机上，此时，系统变为一个单扭振减振器，因此振幅曲线和∞之间取各种不同值时，振幅曲线具有不一样的形态，γ由小变大，曲线由三峰变为双峰，直到和γ=∞时的曲线重合。可以看到，任何阻尼的振幅曲线均通过某一定点，而此定点的位置是和阻尼无关的。此定点横坐标的位置可以通过令β γ=0=β γ=∞来确定。

      假设弯曲减振器的数据保持不变，则扭振减震器的阻尼系数比的变化对振幅放大曲线时，振幅曲线为三峰曲线;γ=∞时，振幅曲线和∞之间取值时，曲线的变化趋势和弯曲减振器的危害是一样的。但是，任何阻尼的曲线却通过两个定点，定点位置同样可以用上述方案来确定。

      对于扭-弯减震器，当去掉弯曲减震器后就变成了目前中小容量柴油发电机上主用的扭振橡胶减震器。由于在试验中要定量地改变阻尼数据来考察理论分析的结果是非常困难的，因此在探求中，只是改变了弯曲减振器的橡胶硬度，即在扭振减振器上配置及弯曲减震器。

      对于装有弯曲减振器的扭-弯减震器的扭振减震效果的较佳布置因素与有阻尼弹性扭振减震器相比出现了改变。因此，对于扭-弯减震器的扭振效果的较佳布置必须充分考虑弯曲减震器的影响。对于扭-弯减振器中弯曲振动减振器的布置，具体是依据发电机曲轴机构的弯曲震动的固有频率来规划弯曲震动减振器的弯曲振动频率，从而使弯曲振动减震器起到一种调频减——对应于弯曲减振器的扭振减震器的较佳定调比(0.24)的曲线簇——对应于弯曲减震器的扭振减振器的较佳定调比(0.16)的曲线簇振的目的。

      对于弯曲震动减震器的形式，其弯曲振动固有频率和扭振固有频率存在着一种固有的对应关系，即f弯=(0.8～1.1)f扭。因此在弯曲震动减震器的设计参数确定以后，可假设弯曲减震器数据不变，来考虑扭振的较佳设计问题。在弯曲减振器确定后，扭振减振器的任何阻尼的曲线都通过两个定点。要获得两个定点振幅一样大的设计条件，不但要通过扭振减震器的定调比的改变，而且它是和弯曲减振器的规划数据相关联的。在不同弯曲减振器情况下的扭振减振器较佳定调比的确定。在此较佳设计因素下，才能确定扭振减振器的较佳阻尼系数比。

      柴油发电机主轴受到众多激励用途，震动表现形态上从而就呈现多样性。主轴扭振试验机构如图3所示，测试装置如图4所示。扭振信号通过非接触电磁探头触发采集，参数采集采用LMS测试机构。通过LMS测试系统虚拟通道进行扭转振动信号的采集和解析，直接进行参数解决解析，可得到各个速度工况下和不一样谐次下的扭振特点。

      康明斯柴油发电机轴系在工作转速800转速—2100转速下扭振特性见图5，反映了其在不一样谐次下的扭振特性。

      从图5可以看出，在整个转速范围内，1.5谐次下的扭振幅值远远大于其他谐次下的扭振幅值，3谐次、4.5谐次和7.5谐次的扭振幅值也较大。

      康明斯发电机在500Hz下的扭振特性见图6。可以看出在500Hz下，看不出其显著的共振特征。

① 从图7、图8可以同样看出，在整个速度范围内，1.5谐次下的扭振角度远远大于其他谐次下的扭振幅值，3谐次、4.5谐次、1谐次和2谐次的扭振角度也较大。

② 从图7、图8中可以看出，在康明斯发电机工作转速范围内，1.5谐次下的扭振角度远远大于其他谐次下的扭振角度，其较大值为1862转速下达到0.059°。

③ 从图7、图8中还可以看出，除1.5谐次外，3谐次、4.5谐次、1谐次和2谐次的扭振角度也较大。其中3谐次在2053转速下扭振角度较大，为0.009°，4.5谐次在2053转速下扭振角度也较大，为0.0051°。1谐次在1143转速、2谐次在2071转速下扭振角度也较大。

      由于其主谐次为12、24等谐次，因此在其整个转速范围内，没有明显的共振特征。但是1谐次和2谐次角度较大，是由于其一阶和二阶往复惯性力矩未平衡所致。1.5谐次、3谐次、4.5谐次和7.5谐次是其强谐次，故其扭振幅值或角度较大。

图9为康明斯发电机分别在全负载、60%负载和30%负荷下的扭振瀑布图。可以看到其扭振特性相同。

从图10中可以看出：在康明斯发电机工作速度范围内，1.5谐次下的扭振角度远远大于其他谐次下的扭振角度，其较大值为1862转速下达到0.059°。

分析康明斯发电机的扭振特点，因为其主谐次为12、24等谐次，因此在其整个转速范围内，没有明显的共振特征。但是1谐次和2谐次角度较大，是因为其一阶和二阶往复惯性力矩未平衡所致。1.5谐次、3谐次、4.5谐次和7.5谐次是其强谐次，故其扭振幅值或角度较大。

      由扭转振动特征可知，当激励扭振的作用频率ω与扭转震动系统的某一固有 频率  ω0    相同时，将会出现极其剧烈的动态放大现状， 即共振现状 。 因此耍避 开出现ω=ω0 ，的可能，也即避开动态放大较严重的工况，就可能免除扭转振动 过大所致使的一切后果 。本途径的基础概念就是使ω主动躲过ω0  。这种步骤主 要对策有调整惯量法、调节柔度法等。通过调节，使机构本身的自振频率躲过激 振频率。使振动应力降至瞬时许用应力范围之内，这样就预防了因扭转震动过量 对内燃机造成损害。这种举措是扭转振动预防对策中应用较广的办法之一，这不 仅是因为它的途径比较大概可行，还在于当达到调频要求以后，它的作业将是有 效的与可靠的。但频率调节法有个短处是调频的幅度较小，以至于在实际运用中 受到限制。

      激励功率是引起扭转震动的动力源。由于激励功率输人机构的能量是扭转振  动得以维持的源泉，如果能够减小输人装置的震动能量，也就能直接减少扭转振  动的量级 。措施之一是改变内燃机的发火顺序 ， 当在机器所使用的转速范围内， 危险的扭转振动是副临界转速时，有可能用此方法来消减危险的扭转振动，减轻  其危险程度。手段之二是改变曲柄部署，在多缸内燃机中故意选取非等间隔发火， 适当购买曲柄角以改变曲柄布局，可以使任何主、副临界转速中的某些简谐扭振  相互抵消而避开危险的扭转震动。方案之三是选择较佳的曲柄与容量输出机构的  相对位置，使二者的干扰功率互相抵消，可以消减主轴的扭转震动。

      装设减振器能改变轴系的扭振特性 。减震器就其特征而言，可分为三大类：  动力减震器，主要依靠它的动力效应改变轴系的自振频率，使之移出作业速度范   围，达到避振目的，如弹簧式和摆式动力减震器等；阻尼减振器，具体依靠固体   的摩擦阻尼或液体的粘性阻尼来吸收干扰力矩输入机构的震动能量，以降低震动， 如橡胶减震器和硅油减震器等；复合减振器，就是既有调频用途，又有阻尼降幅   用途，如硅油橡胶减震器和硅油弹簧减震器。

      对于曲轴的扭振，如果在内燃机工作转速范围内，根据扭振计算以及实测发现内燃机确实存在着较大的扭转震动，就必须采取适当的举措，以便将扭转振动予以回避或者将其消减，以保证柴油发电机作业的安全可靠。由于往复式柴油发电机其轴系是弹性机构，在运行中当干扰力矩的频率和轴系的固有频率相同时，即会出现扭转共振。扭转共振的影响极其严重。加装减震器是吸收振动较直接的手段。本文上述内容对减振器的功用、规格、特点及测试措施作了初步说明。