摘要：地震作为不可抗拒的自然灾害，会对设施设备、建筑物造成极大的影响和危害，同时对社会活动的正常运转带来不可磨灭的影响。四川地区是我国地震的多发区，近年来接连发生了汶川地震、雅安地震、九寨沟地震，给当地的生产活动、人员安全造成一定的伤害，特别是汶川地震，是我国几十年来最大的自然灾难。当电力设备受损时，应急柴油发电机组是一种可靠发电设备，可以及时的保证用电的供应。根据相关的安全法规要求，为确保所有的抗震设备能承受运行基准地震载荷，应首先进行抗震鉴定，这样确保在地震发生时和地震后其均能履行安全功能。本文对包括公共底架、齿轮箱、发电机和柴油机在内的柴油发电机组进行抗震分析，建立有限元模型，并对其进行抗震鉴定。根据相关标准和规范对柴油发电机组各部件进行强度校核和应力评定，最后评定在地震载荷下柴油发电机组的结构完整性。
关键词：应急柴油发电机；抗震设计；有限元
我国位于欧亚地震带与环太平洋地震带之间，地震断裂带比较活跃，受菲律宾海板块、印度板块和太平洋板块的挤压。我国地震带主要分布在东南沿海地区、华北地区、西北地区、西南地区、台湾地区和23条地震带上，四川属于西南地区地震带，近年来多次发生地震灾害。2008 年5月12日四川省汶川发生8.0级特大地震，给川西地区带来极大的伤亡损失。地震导致四川省电网瞬时损失3978 MW负荷，占到了全部供电量的31.8%。广播电视台是重要用电保障单位，当地震发生时，倘若外部供电系统出现故障，会影响电视信号的传播，为保证电视台的及时安全供电，应急柴油发电机组是必不可少的自备发电设备。
本文介绍了采用分析方法对广播电视企业中的自备柴油发电机组进行抗震鉴定。对包括公共底架、齿轮箱、发电机和柴油机在内的复杂结构进行抗震计算，建立有限元模型，为了准确地评价柴油发电机组在地震载荷下的结构完整性，依据相关标准和规范对柴油发电机组各部件进行了强度校核和应力评定。
1.应急柴油发电机组
作为四川广播电视台的应急供电主要设备之一，其应急供电系统采用2台柴油发电机组驱动。在广播电视台供电发生故障的情形下，要冷静分析处理，通过设置柴油发电机组上的交流发电机向柴油机的冷却和通风设备与机房供电，以确保发电机机组的运行独立性和可靠性。柴油发电机组属于抗震类别I类，安全为3级的设备。
以TBD604BI_6型柴油机为例，该发电柴油机组采用六缸、直列、四冲程、中间冷却及涡轮增压结构。发电机、齿轮箱、柴油机及其附件安装在公共底架上，公共底架由钢板与型钢焊接而成，全部钢结构。采用高弹性联轴器连发电机、齿轮箱和柴油机之间的结构，公共底架与柴油机之间设置了4个弹簧隔振器。
2.限元模型
采ANSYS程序建立有限元模型来分析柴油发电机组抗震效果。采用Shell 63 (三维板壳单元)模拟公共底架，其由钢板与型钢焊接而成。柴油机机体、涡轮增压器、油底壳、汽缸盖、活塞、主轴承盖、滑油滤清器、滑油冷却器、燃油滤清器、离心滤清器、空气冷却器等柴油机部件具有异常复杂的结构，所以采用板壳单元简化地对其外形尺寸进行模拟，为了使各部件的重量与实际相一致，要调整板壳单元厚度参数。同时采用相同的方法模拟齿轮箱和发电机。
采用Beam 188(高阶三维粱单元)来模拟柴油机通气管、排气管、进气总管、曲轴等线性部件。公共底架的地脚螺栓，柴油机各部件之间的连接螺栓，以及公共底架、齿轮箱、发电机与柴油机之间的连接螺栓，全部采用耦合节点或Beam 4(三维梁单元)的方法进行模拟。采用Mass 21(结构质量单元) 对柴油机飞轮的重量进行模拟。此外，采用Combin 14(弹簧阻尼单元)模拟公共底架与柴油机之间的隔振器。
图1至图4是柴油发电机组的有限元模型。其有限元模型共有节点24140个，单元23931个。
图1柴油发电机组有限元模型 图2齿轮箱有限元单元网格图
图3柴油机有限元模型 图4发电机有限元单元网格图
3.抗震分析
应急柴油发电机组的抗震分析包含了地震载荷作用下的谱分析、结构的模态分析和自重载荷作用下的静态分析。谱分析应用SPRS(单点反应谱分析)的方法。模态分析应用SUBSP(子空间迭代)法，提取10阶模态。如表1和表2所示，为SSE地震反应谱，应用于谱分析计算中。
表1 垂直方向的SSE楼面反应谱
表2 水平方向的SSE楼面反应谱
3.1模态分析
表3为应急柴油发电机组计算模型的前10阶固有频率。
表3 柴油发电机组计算模型固有频率
3.2应力评定
表4是在一般的地震载荷作用下，柴油机、发电机、齿轮箱和公共底架上产生的最大薄膜加弯曲应力(
) ，和最大薄膜应力
。表5显示了齿轮箱与公共底架、发电机与公共底架以及支座与柴油机的连接螺栓上产生的最大剪切应力
、最大拉伸应力
以及最大拉伸加弯曲应力(
)。柴油机连杆上产生的最大弯曲应力为6.39 MPa。曲轴上产生的最大剪切应力为2.94 MPa，最大薄膜应力为0.27 MPa。
根据机械工程手册推荐的方法对连杆和曲轴进行强度校核。并结合自重产生的应力，按照压力容器规范第Ⅲ卷及ASME锅炉，对柴油机、发电机、齿轮箱和公共底架各部件进行了应力评定。评定结果表明在地震载荷作用下，柴油机连杆和曲轴、连接螺栓、公共底架可以保持结构的完整性，具备良好的强度和刚度。
表4 柴油发电机组中各部件的应力计算结果
表5 柴油发电机组中连接螺栓的应力计算结果
3.3分析对比
为了更好的分析对比，将柴油发电机组的有限元模型，与静力系数法分析得到的结果相比较，并分别扩展1阶、前3阶、前5阶、前7阶和前10阶模态进行谱分析。
由不同模态数扩展下的谱分析应力计算结果所知，活塞薄膜加弯曲应力值在第1阶模态扩展下的谱分析中偏小，其余的四种情形中模态数扩展下的谱分析应力计算结果大致相同，需要注意的是前7阶和前10阶模态数下得到完全一致的计算结果。这可以充分地说明计算所扩展的模态数决定了谱分析求解的精度，模态扩展数越大，其精度越高。所以在进行谱分析时，为了使模态数足够地表征结构的响应特性，将反应谱所决定的频率范围全部覆盖，需要选取足够的扩展模态数。对比静力系数法和谱分析得到的应力计算结果，谱分析的计算结果要小于静力系数法分析所得到的计算结果。静力系数法分析与谱分析相比而言更简单，其不需要将结构的自振频率确定。但其也有一定的缺陷，因为该方法相对来说比较保守，将要求部件上的反应谱的最大峰值乘以质量值再乘以静力系数才能得到该部件的地震力。谱分析能获得更为精确的结果，特别当静力系数法分析的计算结果与规定的要求不相符时。
4.结束语
(1) 该机械部件相对与常规机械产品，在鉴定设备的抗震效果时，其要求比较特殊。对于应急柴油发电机组中的公共底架、齿轮箱、发电机和柴油机，在抗震鉴定时无法采用试验方法对整机进行，因为其受外形尺寸和自身结构的限制，所以采用了分析方法建立有限元模型。
(2)根据相关的规范法规对柴油发电机组各部件之间、公共底架的连接螺栓进行应力评定，对柴油机机体、发电机、齿轮箱和公共底架以及其他部件进行强度校核。评定结果显示在地震载荷作用下，柴油发电机组能够确保结构的完整性，各部件具有良好的强度和刚度。
(3)分别扩展应急柴油发电机组有限元模型的1阶、前3阶、前5阶、前7阶和前10阶模态，之后谱分析的计算结果与静力系数法分析作比较。结论是静力系数法分析相对保守，但也更简单。谱分析计算所扩展的模态数决定了其求解的精度，两者成正比。
(4)四川广电中心在制作发电机房基础土建时，是根据机房设计方案及基础土建图纸，在建筑设计人员或安装工程师的指导下进行的。安装时特别注意了基础底部减振层及四周的隔振的处理；浇筑的混凝土的强度必须承受机组动载的1.5倍；根据图纸欲留出地角螺栓孔的准确位置，进行二次浇筑。机组下层为夯实层，中间层为减震层。夯实层和中间层的制作由建筑专业人员进行确定。上层为混凝土基础，用不低于450号的混凝土浇筑而成。基础四周应留有减震层，减震层上部用密封材料密封。基础浇筑经过养护期后再安装机组，机组内有减振系统，可有效减轻振动的传递，另外在机组与地面的接触位置放置橡胶减振器，把机组的机械振动减到最低。
(5)四川广电中心目前使用的两台由杭州幸福机电组装生产的型号为XFP1100的柴油发电机组，2010年建成投入使用，其抗震原分析与TBD604BI_6型柴油机类似。因此，当地震导致四川广播电视台外部供电受到影响时，两台自备应急柴油发电机组的作用就可以体现出来。实践表明，经历了雅安地震、九寨沟地震的洗礼，四川广电中心应急柴油发电机组可以确保其结构的完整性，能够为四川广播电视台的安全播出供电。
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作者简介：
谈世成(1975-)男，汉族，本科，工程师，主要从事四川广电中心供配电运行维护管理，保障全台安全播出供电。
论文作者:谈世成
论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/19
标签：底架论文; 柴油机论文; 齿轮箱论文; 柴油发电机组论文; 应力论文; 发电机论文; 静力论文; 《电力设备》2017年第33期论文;