船用柴油机轻量化公共底座的设计和验证

黄念劬，李俊鹏，严 欢，徐 文

(中船动力有限公司，江苏 镇江 212001)

0 引言

目前，在船舶市场广泛使用的某机型船用四冲程大缸径中速柴油机具有性能稳定、结构紧凑、经久耐用等优点[1]，但是存在体积和质量大、制造成本高、运输困难等问题。公共底座作为柴油机和发电机的连接件和承重件，占整机重量约17%～20%。轻量化公共底座的设计不仅能发挥技术降本作用，减轻公共底座的重量，降低制造和运输成本，还可以降低机组整体重量，为后续整体设计带来优势。但目前国内外对此型公共底座进行轻量化设计和生产的研究较少。

第三代路虎发现已经不再是当初的中型SUV，4.8米的车身长度配合上仅用直线和直角勾勒出的轮廓，它所具备的阳刚气质让SUV概念重新回归到了原点。

本文从安全性和经济性角度出发，研究某机型公共底座轻量化设计满足柴油机的振动要求[2]的可行性，结合实际试验数据从仿真计算角度对其强度、振动指标进行试验，验证新底座的可靠性。

1 轻量化公共底座设计分析

1.1 总体情况

公共底座是柴油机和发电机安装的基础,用来储存、收集和供给润滑油，承载着整机所有零部件[3]，因此公共底座必须具备足够的强度来承受气体压力和惯性力，其纵横断面两个方向上都必须保证有足够的刚度，不能因扭曲变形影响到曲轴主轴承，加快运动件的磨损,影响柴油机正常运行。

在保证结构强度满足要求的前提下，公共底座通过减少板厚和调整结构可以降低钢板用料，但同时轻量化公共底座也有可能会带来振动超标的风险，因此安全性是公共底座轻量化设计需要考虑的最重要的因素。

超声波雾化器电路主要由4个模块组成，分别为交流电源、变压整流、水位控制和振荡换能[4-6]，如图2所示。超声波雾化器是本设计系统的核心器件，基于共振原理实现空气温湿度自动调节。电路中产生的振荡信号经大功率三极管放大后，传递给超声晶片，超声波晶片将电能转化为超声波能量，超声波能量在常温下将各种水溶液物化成小雾粒，从而实现超声雾化功能。设计时，在水位控制开关处连接了智能控制模块，可以实现雾化功能的智能化。

1.2 轻量化公共底座的设计

31个测点在100%负荷下X、Y、Z方向振动速度有效值见图6，其中1-1代表第1组的1号测点，3组测点整机振动烈度与结构振级计算值汇总分别见图7和图8[4]。

2.3.1 测点布置

图1 轻量化底座三维建模图

表1 轻量化前后底座板厚变更对比

公共底座部分板焊接工艺由部分熔透改为全熔透。由于公共底座总长为11 m，若在板厚减少的前提下改为全熔透焊接，就会增加焊接难度和焊接变形的程度，因此需改进焊接变形后的整改工艺、质检标准及探伤要求。

在学生当中，我还算是比较喜欢读书的一个——我指的是那些课外书。我搞不清楚我为什么那样如醉如痴地迷恋五四时期的文学作品。是不是书中的那种同样的心境引起了我的共鸣呢？只是，这些书经常被同一寝室的同学撕去上厕所。我的书大都是残缺的，惨不忍睹的，我的精神世界也总是处在不完整的状态之中。

1.3 经济性分析

公共底座为碳钢焊接的箱框结构件，其成本与公共底座质量、焊接工艺、探伤要求相关。以原公共底座质量20.5 t来计算，轻量化后底座板厚减薄16%～33%，公共底座整体质量减少5.2 t，降重25.4%。按照0.58万元/t钢板价格计算,预计每台底座可以节约3万元生产成本；按照0.7元/kg的物流费用计算，预计每台底座每次可以节约0.36万元的运输成本。但由于焊接工艺、探伤要求提高，每台公共底座需要增加约1万元工艺成本，因此每台底座总计可以节约2.36万元。

2 轻量化公共底座振动验证试验

2.1 试验目的

振动测试运行工况分别为0%、25%、50%、75%、100%、110%负荷[3]，每组测试在稳定后的测试采集时间均为60 s。

试验从振动速度有效值、振动烈度及总振级3个方面对各点振动进行测量评价[1]。

2.2 主要考察内容和测量评价方法

发电机组的振动在柴油机侧为往复式机械运动，发电机侧为旋转式机械运动，因此需要着重对振动加速度进行1/3倍频程分析，分析0.3～5.0 kHz的频率范围内的数值。测试依据为GJB 763.3—1989和GJB 4058—2000。

(2)对轻量化底座在柴油发电机组不同工况下重点位置振动数值进行测试，对底座进行轻量化底座强度评估。

2.3 振动测试内容

为解决五寨县城城区群众生产生活用水，缓解地下水位下降趋势，决定利用芦芽山布袋沟内马家寺泉和姑姑庵泉水资源。布袋沟主河槽为姑姑庵方向来水，右侧为马家寺沟道来水，该段河谷较为狭窄，谷底宽30～50 m，两岸山体雄厚，呈“U”型谷。此段河谷上游内植被非常茂密，水土流失不大，无居住人口。

试验以X向为轴向，从柴油机端向电机端为正方向；与地面垂直方向为Z向。3组测点布置位置见图2～图4。柴油发电机组两侧测点对称布置，分别布置12个测点；第3组布置7个测点。每个测点布置一个三轴加速度传感器，共31个测点，93个测试数据通道。

图2 第1组测点布置

图4 第3组测点布置

2.3.2 测试系统

测试系统见图5。硬件采用LAN-XI 3053-B振动信号采集仪，传感器采用三轴加速度传感器，采样频率为12.8 kHz[2]。

图5 振动测试系统

2.3.3 测试工况

(1)评估轻量化底座对发电机组整机振动的影响，分析轻量化底座的可靠性。

二是促进了生态文明建设。结合实行最严格水资源管理制度，全省水资源管理机构开展了“万名干部进万村洁万家”“千乡万村世纪行，建设美丽新农村”“每亩地少施一斤化肥、少撒一两农药、少用一方水”等特色亮点活动。竹溪县实施生物杀虫、沼液施肥、阀门控水，改善了水生态环境，提高了大米品质，售价每斤达60多元，增加了农民收入，综合效益显著。开展南水北调中线工程核心水源地保护，确保一库清水北送。实施重点流域区域综合治理，努力实现习总书记提出的“让城市融入大自然，让居民望得见山、看得见水、记得住乡愁”的目标。

2.3.4 振动测试计算结果

公共底座轻量化主要在结构形式基本不变的前提条件下减少板厚度，同时更改焊接工艺。轻量化三维建模见图1。对公共底座上各板板厚进行了不同程度的降低，见表1，最大降低比例为33%。

图6 各测点在100%负荷下X、Y、Z方向振动速度有效值

图7 3组测点布置整机振动烈度对比图

图8 3组测点布置总振级对比图

2.3.5 结果分析

随着城市化进程的发展，城市中高大建筑物数量与日俱增，城市规划部门一方面要衡量现有建筑是否符合规划要求，另一方面又要对未来城市改造提供方案。传统日照分析方法主要是依据手工制表、手工计算、手工作图分析，耗时、费力、工作量大、效率低。随着数字城市的建设，在大量城市建筑数据的支持下，应用 GIS 空间分析方法就可以快速找出不符合GB 500096—2011《住宅设计规范》[1]要求的建筑，为城市规划与设计提供依据。

3组试验数据显示：在100%负荷下，第2组的第6个点和第3组的第1个点振动速度最高，为3.88 mm/s。这说明柴油机和发电机连接处及柴油机侧管路位置振动最大，因而建议在柴油机与发电机之间和柴油机侧管路位置增加支架以减少振动。

补浇的工艺参数主要涉及补浇的材质、重量、温度、浇速与补浇时机。补浇时机会对补浇效果产生较大影响，如果补浇距首次（前次）浇注的时间较短，型腔内钢液的液态收缩与凝固收缩量很小，后注入的钢液与型腔内已有钢液瞬间完成均匀混合，实际补浇效果微乎其微；相反，如果补浇距首次（前次）浇注的时间过长，后注入的高温钢液只能进入冒口上部的收缩凹陷区，则补浇操作依然起不到作用。

发电机组的振动频率响应范围随着负荷的上升有所增加，但是其主要的频率响应范围均在5 kHz以内，在大负荷工况下运行的频率范围扩大到高频。振动烈度和总振级均为第1组最低，第3组最高。随着负荷的增大，振级总体呈上升趋势[5]，振动烈度最大值为2.89 mm/s，均小于7.1 mm/s。根据GB/T 16301—2008中对振动烈度的分类与评价，各测点各工况下的振动烈度均达到了A级。

3 结论

(1)通过降低底座板厚和改变焊接方式，每台底座预计总计可以节约2.36万元，柴油机经济性有大幅提升。

(2)振动测试实验数据表明：整机31个测点位置振动烈度均在4 mm/s以下，柴油机和发电机连接处及柴油机侧管路位置振动烈度最大；振级总体随负荷上升呈上升趋势，且变化趋势平稳；各测点位置振动烈度等级均达到了A级，柴油发电机组处于优良工作状态，轻量化底座可靠性较好。