东风5机车异常振动分析及处理.pdf

2 0 1 0 年第2 期 总第1 1 6 期 内燃机与动力装置I c E P o w e r p l a n t2 0 1 0 年4 月 使用与维修 东风5 机车异常振动分析及处理 汪秀平 南车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛2 6 6 1 1 1 摘要 鉴于东风5 机车异常振动的现象 对原因进行了查找 分析 通过柴油发电机组的振 动 扭振测试及影响分析 提出了更换减震器的解决方案 经过更换验证及排查 最终解决了该 机车的异常振动问题 关键词 机车 柴油发电机组 振动 扭振 中图分类号 T K 4 2 8 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 3 6 3 9 7 2 0 1 0 0 2 0 0 4 3 0 4 A n a l y s is T r e a t m e n to fV ib r a t io no fD F 5L o c o m o t iv e W A N GX iu p in g C S RQ in g d a oS if a n gL o c o m o t iv ea n dR o l l in gS t o c kC o L t d Q in g d a o 2 6 6 1l1 C h in a A b s t r a c t I nv ie wo ft h ep h e n o m e n o nc a u s e db yt h ea b n o r m a lv ib r a t io no fD o n g f e n g5l o c o m o f iv e s as o l u t io nf o rr e p l a c in gt h es h o c ka b s o r b e r sw a sp r o p o s e da f t e rt h ev ib r a t io na n dt o r s io n a lv i b r a t io nt e s t so ft h ed ie s e lg e n e r a t o rs e t s T h ea b n o r m a lv ib r a t io nh a sb e e ns o l v e df in a l l ya f t e rr e p l a c e m e n t v e r if ic a t io na n din v e s t ig a t io n K e yW o r d s D ie s e lL o c o m o t iv e D ie s e lG e n e r a t o rS e t V ib r a t io n T o r s io n a lV ib r a t io n 引 言 我公司生产的一台东风5 内燃机车在运用过程 中 出现了柴油机水泵频繁损坏和车体振动较大的 现象 鉴于存在以上问题 该机车返厂修理 经过 分析现象 查找原因 制定解决方案并经试验验证 最终解决了故障问题 1 振动现象分析 该机车最早的故障现象是水泵损坏 起初认为 是水泵质量问题 采取了更换水泵 对水泵质量进行 跟踪调查的措施 但是 多次更换水泵后 又频繁发 生了损坏故障 且水泵的损坏主要体现在水泵叶轮 破损 联结螺栓断裂和电机转子支撑断裂三个方面 随着水泵频繁损坏 柴油机表现出振动较大现 象 此时车体振动也较大 噪声较大 司机工作环境 恶化 通过以上现象分析可见 水泵的频繁损坏可排 除水泵的质量问题 主要是由振动过大造成的 特别 是水泵联结螺栓断裂和电机转子支撑断裂等表现出 了扭转振动过大造成的故障现象 2 振动原因查找 分析 2 1 机车总体结构分析 东风5 型内燃机车是一种交一直流电力传动调 车机车 采用直列式四冲程 直接喷射 废气涡轮增 压 8 2 4 0 Z J C 型柴油机 装车功率1 3 2 4 k W 额定转速 1 0 0 0 r m in 采用J F 2 0 8 C 型无刷励磁同步主发电机 东风5 型机车总体布置图见图1 从机车总体布置可见 柴油机和主发电机组成 的柴油发电机组是机车上主要的运动回转部件 是 整个机车的振源 柴油发电机组的振动较大可能会 导致机车车体振动较大现象的发生 而振动又引起 了机械噪声 导致司机工作环境恶化 作者简介 汪秀平 1 9 7 5 一 女 山东I 临清人 工程师 主要研究方向为柴油机工作过程测试 内燃机与动力装置 2 0 1 0 年4 月 图1 东风5 机车总体布置图 2 2 振动及扭振测试下 测得扭振转角为0 7 4 0 各工况测试结果见图2 为了明确量化柴油发电机组的振动及扭转振动整个机组的振动烈度为1 5 1 7 m m s 我公司新出厂 情况 我们对柴油发电机组进行了振动及扭转振动柴油发电机组在最大运用工况下的内控标准为 扭 测试 转振动不大于0 5 0 振动烈度不大于1 3 m m s 可 为了消除柴油机各缸工作不均匀对柴油机振动见 该柴油发电机组的振动及扭转振动已分别超出 的影响 首先对柴油机进行了调整 使柴油机各缸排了标准值0 2 4 和2 1 7m m s 根据测试结果可见 温 爆发压力和压缩压力等性能参数正常且全部符柴油机振动及扭振过大是造成水泵频繁损坏及车体 合设计要求 在不同工况下 对扭振及振动进行了振动较大的主要原因 测试 在9 9 1 r m in 1 3 2 4 k W 工况 最大运用工况 扭角一转速曲线扭角一功率曲线 柴油机型号8 2 4 0 Z J C实验编号6 8 1 鐾神塾型号8 2 4 0 Z J C实验绰号6 8 1 d e g 最低转速4 2 8 7 4 6 r r a in 工况数2 0最高转速9 9 1 4 0 6 2 r r a ind e g 最小功率1 0 5 3 0 0 r m in 工况数2 0 最大功率1 3 2 4 0 0 0 r m in I 水泵 2 减振器 3 油底壳 4 支撑 5 盖罩 6 机体 7 主发电机 8 气缸头 9 排气 总管 1 0 增压器 图38 2 4 0 z J c 型柴油发电机组外形图 O l 2 3 4 5 6 7 8 9 O 3盼舳饥砬躬 弱拍 傩加 O O 0 O O O O O 0 0 2 0 1 0 年第2 期汪秀平 东风5 机车异常振动分析及处理 2 3 柴油机发电机组振动 扭振原因分析 8 2 4 0 Z J C 型柴油机的总体结构采用直列式布 置 曲轴的输出端通过半刚性联轴节与主发电机的 转子相连 机体的输出端通过连接箱与主发电机连 接 齿轮系统布置在自由端 压装在曲轴自由端上 的曲轴齿轮通过传动齿轮驱动凸轮轴 泵支撑箱布 置在机体自由端 箱体上安装机油泵和高低温冷却 水泵 减振器安装在曲轴自由端上 泵主动齿轮安 装在减振器体上 用来驱动机油泵和两个水泵 柴 油发电机组总体布置见图3 2 3 1柴油机的整机振动及影响 在柴油机工作过程中 燃烧室气体压力周期变 化 曲柄连杆机构往复运动时产生往复惯性力和惯 性力矩 同时曲柄在回转时产生离心惯性力和离心 惯性力矩 由于气体力和往复惯性力的周期变化 在 曲柄连杆机构的传递过程中将产生倾覆力矩 在这 些周期变化的力和力矩作用下 柴油机将产生上下 左右的振动及左右的摆动 柴油机的振动会造成机件变形 增加机件磨损 甚至造成机件损坏 影响柴油机可靠性和耐久性 柴 油机机身和支承的振动 也会引起机车底架乃至车 体的强迫振动 柴油机的整机振动在设计中已尽量避免 在设 计时可通过调整各曲柄问央角 均匀的曲柄排列方 案 配置各缸运动部件的质量 设定发火次序等手段 对往复和离心惯性力及力矩进行平衡 消除或减小 由此引起的振动 8 2 4 0 Z J C 型柴油机是一种成熟产品 经过长期 的运用考验 可排除由于设计原因造成柴油机振动 的可能 2 3 2 柴油机轴系的扭转振动及影响 柴油机曲轴与从动部件 发电机转子 通过联 轴节相连接 组成一个扭转的动力系统 由于轴系 本身不但具有惯性 而且还有弹性 又由于柴油机工 作的间歇周期性 使得作用于曲轴上的是一个变化 的周期性扭矩 这将引起曲轴与轴系的扭转振动 扭振过大可导致零部件安装螺栓松动 断裂 大 的扭振角度还会改变各曲柄间的正常相位 使配气 相位和供油定时紊乱 因而使柴油机的振动 噪声和 磨损加剧 性能变坏 当扭振应力超过轴系所能承 受的应力时 轴系将产生疲劳断裂 同时 由于扭振 过大 柴油机的主要固定件也会因总倾覆力矩不均 匀而导致柴油机机身和支承的振动 并通过地脚螺 栓 基座作用到机车底架上 激发机车振动 解决轴系扭振问题 主要是在柴油机转速范围 内消除危险的共振或减少共振振幅 可通过以下途 径实现 改变轴系参数 以调整轴系自振频率 减少 激振力矩输入系统的能量 以限制扭振振幅 在柴油机设计开发时 要对轴系扭振特性进行 计算 选择合适的弹性和阻尼参数 匹配最佳的减振 器 减小扭振对轴系的影响 8 2 4 0 Z J C 柴油机选用的减振器是一种带液体阻 尼的调谐减振器 从曲轴油道引入的润滑油作为减 振器的阻尼液 可吸收系统扭振能量 减振器的弹性 元件及其所带动的惯量可改变系统的临界转速 减 振器的设置减小了工作过程中的扭振振幅 如果减振器在工作过程中存在质量问题 其弹 性和阻尼参数发生了变化 将难以满足轴系减振需 要 可直接导致轴系扭振及振动加大 2 3 3 联轴节的影响 柴油机曲轴的功率输出端和发电机之间通过弹 性联轴节相连 柴油机运转时 联轴节起如下作用 起飞轮作用 并能均匀传递扭矩 减少曲轴与发电 机转子轴之间因为微量不同轴度而造成的振动和噪 音 能缓和柴油机在起动 变速及停机时对发电机 的冲击作用 改变曲轴轴系的扭振动力特性 具有 一定的减振和避振作用 因此联轴节的刚度和主 从动法兰的同轴度均是引起机组振动的因素 2 3 4 发电机的影响 在柴油发电机组中 对主发电机的动态平衡量 的要求是很高的 如果回转体的材质不均 加工和 装配误差等使其质量分配不均匀 形成一定的偏心 运转时将产生不平衡的离心惯性力 会造成整个发 电机组的振动 对发电机的动态平衡要求平衡精度 不低于G 6 3 3 解决方案的提出及实施 根据测试数据及振动 扭振原因分析 我们判断 柴油机减振器本身可能存在质量问题 是引起机车 异常振动 部件损坏的主要原因 需要更换验证 我们对柴油机减振器进行了拆卸 在拆卸过程 中 使用正常的扩压工艺无法拆下 最终采用破坏 手法 打开了减振器侧盖 发现减振器内5 片簧片发 生断裂 侧盖有明显磨擦痕迹 这正验证了之前的 分析 更换了新减振器后 考虑到扭振过大可能对柴 油机轴系造成的损害 又对柴油机进行了细致的检 查 拆卸全部缸头和活塞连杆 检查活塞 活塞环 缸 内燃机与动力装置2 0 1 0 年4 月 头 气阀密封性 导管间隙 增压器 喷油器 压缩 压力和进气系统密封性 恢复柴油机的性能 为减小主发电机的影响 我们拆卸了主发电机 并重新进行动平衡试验 控制其平衡精度不低于 G 6 3 级 检查联轴节主 从动法兰的同轴度 严格按照工 艺文件重新组装柴油发电机组 保持轴系各部件的 良好对中 确保同轴度符合设计要求 减小电机转子 的离心惯性力 以上工作完成后 在柴油机试验台上进行试验 扭角 转速曲线 柴油机型号8 2 4 0 Z J C 实验编号6 8 2 d e g 最低转速4 2 9 3 3 2 r r a in 工况数2 0 最高转速9 9 2 1 3 8 4 r r a in 根据测试结果 参照 柴油机车车内设备机械 振动烈度评定方法 G B 5 9 1 3 8 6 规定要求 机车 振动情况如下 司机室制动机手柄属容忍工作状态 控制台属正常工作状态 传动箱属正常工作状态 起 动电机座属容忍工作状态 励磁电机座属容忍工作 状态 得到用户认可后 该机车恢复正常运用 5 结束语 我们对装用同批次减振器的东风5 机车进行了 排查 分别测试了柴油发电机组的振动和扭振 发现 将柴油机各性能参数调整到技术文件规定范围内 达到出厂试验要求 4 方案验证 将按照解决方案改造完成的柴油发电机组重新 装车 在水阻试验台上进行了振动和扭振测试 在 标定工况下 振动烈度为1 1 7m m s 扭振转角为 O 4 6 0 满足验收要求 扭振测试结果见图4 此时 车体振动明显减弱 测试了该机车空载 时的振动烈度 扭角一功率曲线 柴油机型号8 2 4 0 Z J C实验编号6 8 2 d c g 最小功率1 0