车载静音箱式柴油发电机组结构强度分析

刘文元，李 欢，张 楗，谢 军，阮丹琦

（1.广西交通职业技术学院，广西 南宁 530216；2.广西玉柴特种装备有限公司，广西 玉林 537005）

0 引言

柴油发电机组根据结构形式可分为开架式柴油发电机组与静音箱式柴油发电机组，前者结构简单、价格实惠，常用于有固定遮挡或机房的场所，如医院、酒店、办公大楼、学校等场所，作为消防设施的备用电源。而静音箱式柴油发电机组由于增加了静音箱作为防护，其隔音、防雨效果更好，常用于无电网供电或无固定的使用地点的场所，如矿山、公路、桥梁、铁路施工、野外作业、建筑工地、道路维护等施工作业场所，由于柴油发电机组具有经济、可靠、耐用等特点，作为备用或应急用途应用在国民经济生产活动的方方面面，是目前在用的综合性能最好的备用电源。而车载静音箱式柴油发电机组就是将静音箱式柴油发电机组直接安装固定在车辆的底盘上，作为车辆的组成部分，可直接对外供电或为车载工作仓内的设备供电，因此，车载静音箱式柴油发电机组不但具备了传统静音箱式柴油发电机组的上述优点，在机动性上性能也表现出色，使其作为应急供电电源可用于应急通信、救授、医疗、军事等多种重要场合。由于车载静音箱式柴油发电机经常需随车辆转移的特性，为了保证车载静音箱式柴油发电机组在安装及运输过程中的可靠性，分别使用ABAQUS、FEMFAT 等软件对某客户定制的输出功率为80 kW 的车载静音箱式柴油发电机组的吊装强度、运输螺栓强度、发动机/发电机的机脚螺栓强度进行了不同条件下的CAE 仿真分析，以保证产品开发的质量。

1 底座孔吊装强度分析

静音箱式柴油发电机组结构如图1 所示，其底座的大梁上焊接有加强筯条，在底座的4 个角的加强筋上设置有直径为35 的吊装孔，分别定义为孔1、孔2、孔3、孔4，其中孔4 在孔1 的对角面，在图1 无法显示出来。

1.1 发动机的性能参数

静音箱式柴油发动机的性能参数见表1。

表1 静音箱式柴油发电机组参数表

1.2 材料参数

本静音箱式柴油发电机组底座（包括大梁及吊耳孔）材料均选用Q235-A，其材料属性如表2 所列。

表2 底座大梁及吊耳孔材料特性[1]

Q235-A 为一种常用的钢材，其材料的最小屈服强度为235 MPa，静音箱式柴油发电机组在起吊过程中需要计算其静强度的安全系数，材料的强度参数如图2 所示。

图2 Q235-A 材料的强度参数

1.3 起吊过程分析及计算边界

由图1 可知，本文讨论的静音箱式柴油发电机组在起吊过程中，由静音箱底座大梁4 角的任意2 个吊装孔穿吊绳进行起吊，并且要求随意两个孔都能满足要求；在实际起吊过程中，如果用1-2、1-3、2-4 或者3-4 号吊装孔都会存在机箱倾斜的可能，存在安全隐患，因此不允许选用这种方案起吊。只会存在两侧用1-4 号孔或者2-3 号孔来进行起吊。

在实际起吊过程中，最恶劣的吊装方式是采用人字吊装，而约束最大的是起吊臂能够提供的最大高度，即吊绳的长度。如果在吊绳的长度一定的情况下，选用1-4 号吊装孔与2-3 号吊装孔其受力情况基本相同，因此，计算分析选用1-4 号吊装孔起吊的情况进行分析。一般地，人字吊装方式的吊绳长度应该至少是两个吊装孔距离的1.5 倍以上。

计算条件：吊链是吊装孔距离的1.5 倍，1-4 号孔之间的距离为2.6 m，吊链的长度为3.9 m。起吊的加速度为2 g。采用有限元的计算方法。

其有限元模型如图3 所示。

图3 底座吊装强度有限元计算模型

本文计算了两种工况，第一种工况起吊平稳的情况，施加给静音箱式柴油发电机组的重力加速度为1 g，即在静音箱式柴油发电机组重心位置施加13000 N的力；另外一种是起吊过程中有加速度的情况，施加的重力加速度为2 g，即在静音箱式柴油发电机组重心位置施加的重力为26000 N 向下的力，如图4 所示。

图4 静音箱式柴油发电机组重心及重力加载示意图

1.4 计算结果及分析

1.4.1 重力加速度为1 g 时吊装孔强度分析

在静音箱式柴油发电机组重力加速度为1 g 情况下，其底座的整体变形如图5 所示，总体变形符合规律，说明边界条件及载荷设置正确，根据分析模型，最大变形量在支撑柴油发动机的横梁中间位置，变形量为1.4 mm，如将材料改为Q345 材料，变形量进一步减少。

图5 重力加速度下为1g 时的底座变形示意图

在重力加速度下为1 g 时，底座大梁4 个吊装孔位置的应力图谱见图6、图7、图8、图9。

图6 底座吊装孔1 应力图

图7 底座吊装孔2 应力图

图8 底座吊装孔3 应力图

图9 底座吊装孔1 应力图

由上可知，静音箱式柴油发电机组吊装时，在承受1 g 的重力加速度情况下，其吊孔附近的最大应力为108 MPa，远小于底座材料的屈服强度235 MPa，吊孔及大梁的强度虽然满足要求，但安全系数仅为2.17，建议将材料改为Q345-A，则安全系数可提高至3.2，满足起吊工况安全系数不小于3 的要求。

1.4.2 重力加速度为2 g 时吊装孔强度分析

在重力加速度为2 g 左右时，4 个吊孔位置的安全系数在考虑吊装孔附近静强度的时候，其安全系数还有许多的修正因数，如应力梯度，尺寸系数等修正，一般地不建议用材料的强度极限与其受到的应力进行相除得到安全系数，故本次采用专业的疲劳分析软件FEMFAT 进行分析，分析得到的吊装孔在重力加速度为2 g 时受到的静强度如图10、图11、图12 及图13 所示。

图10 底座吊装孔1 安全系数（1.26）

图11 底座吊装孔2 安全系数（1.67）

图12 底座吊装孔3 安全系数（1.56）

图13 底座吊装孔4 安全系数（1.54）

由上可知，静音箱式柴油发电机组吊装时在2 g的重力加速度作用下，4 个吊装孔附近的最小安全系数为1.26，大于使用要求。说明在起吊过程中，吊装孔的强度满足要求，吊装孔不会有强度方面的隐患。

2 机箱运输螺栓固定螺栓分析

为了说明静音箱式柴油发电机组在车上的布置方位，以柴油发电机组的坐标系及方位角进行定义，如图14 所示，原点为柴油发电机组纵向对称面、安装平面与舱门前面的交点；X方向为静音箱式柴油发电机组的宽度方向，向背面向车尾为正；Z轴铅垂方向，向上为正；Y方向遵循右手坐标系。

图14 柴油发电机组的坐标系及方位角示意图

根据现有的布置，静音箱式柴油发电机组由两侧各4 颗，共计8 颗M12 的六角头法兰面螺栓固定在车架上，在车辆行驶过程中，起步加速与刹车时螺栓受力最大，本文取最大的加速度为2 g 进行计算，如图15 所示。

图15 底座安装孔位置示意图

静音箱式柴油发电机组的总重为1300 kg，则起步加速与刹车时产生的剪切力如图16 所示。

图16 安装螺栓受剪切力示意图

由上可知：

总重量：m总= 1300 kg

加速度：a= 2g= 2 × 10 = 20 m/s2

故安装螺栓所受的剪切力F1为：

根据标准[2]，强度等级为10.9 级的M12 六角头法兰面螺栓的拧紧力矩为：

故单颗螺栓的最小轴力F2为：

其中：k为扭矩系数，一般地取0.15；d1为M12 螺栓的公称直径，取12。

则8 颗M12 螺栓提供的总轴力F总为：

则能够提供的摩擦力F摩擦为：

其中：f为摩擦系数，一般地取0.12。

可知安全系数n为：

由于安全系数大于1.2，在加速度a= 2g，强度为10.9 级的M12 的六角法兰面螺栓的拧紧力矩取规范的最小值T= 95 N·m，柴油发电机组底座与车底的摩擦系数f取较小值0.12 的情况下，8 颗M12 的螺栓提供的摩擦力是因2 g 刹车情况下产生向前或者向后的惯性力的1.95 倍，大于1.2 的要求，所以8 颗10.9 级的M12 六角法兰面螺栓能够满足使用条件。

3 发动机及发电机固定螺栓分析

如图17 所示，发动机及发电机由4 颗10.9 级的M16 六角法兰面螺栓固定在底座上，根据车辆行驶的条件，在运输过程中，最大的加速度，发电机及柴油发动机总质量m2= 385 + 480 = 865 kg。

图17 发动机及发电机安装固定示意

则在运输过程中产生的惯性力

根据标准[2]，强度等级为10.9 级的M16 六角头法兰面螺栓的拧紧力矩为：

故单颗螺栓的最小轴力F2为：

其中：k为扭矩系数，一般地取0.15；D2为螺栓M16的公称直径，取16。

其中：f′为摩擦系数，一般地取0.15。

可知安全系数n2为：

由于安全系数大于1.2 所以4 颗发电机及柴油发动机的固定螺栓能够满足使用条件。

4 结论

（1）本柴油发电机组在起吊过程中，在满足单根吊链长度大于3.9 m 的情况下，在其加速度不超过2 g的情况下，吊装孔处的安全系数为1.26，满足使用条件，吊孔安全可靠，根据客户要求，后续大梁材料改为Q345-A，可进一步提高安全系数。

（2）静音箱与车辆连接的固定螺栓，在考虑2 g加速度的情况下，8 颗10.9 级的M12 六角法兰面螺栓的拧紧力矩在取规范的最小值时，且考虑底座与车底的摩擦系数比较小，只有0.12 的情况下，8 颗10.9 级的M12 六角法兰面螺栓提供的摩擦力是因2 g 刹车情况下产生向前或者向后的惯性力的1.95 倍，大于1.2 倍的要求，所以8 颗10.9 级的M12 六角法兰面螺栓能够满足使用要求。

（3）柴油发动机及发电机固定螺栓，在考虑2 g加速度的情况下，4 颗10.9 级的M16 六角法兰面螺栓的拧紧力矩在规范的最小值，减振橡胶及钢板的摩擦系数取0.15 的情况下，4 颗10.9 级的M16 六角法兰面螺栓提供的摩擦力是因2 g 刹车情况下产生向前或者向后的惯性力的2.89 倍，大于1.2 倍的要求，所以4 颗10.9 级的M16 的螺栓能够满足使用要求。

本产品设计完成后已生产出样品交由客户进行台架振动可靠性及道路运输试验，均顺利通过，表明本设计方案的静音箱式柴油发电机组在吊装、运输过程中，其箱体结构及安装紧固螺栓的强度均满足要求。