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柴油机消音器优化设计安装基本因素分析?
发布时间:2022/12/2 点击次数:829

柴油机消音器优化设计安装基本因素分析? 

 

     柴油机消音器优化设计安装基本因素分析?当前,以工业核心的新一轮柴油机消音器技术兴起,在工业制造中,围绕着船用柴油发电机消音器产品的安装使用为关键,提供质优、稳定的消音器设备。决定加工柴油机消音器品质的同时,也成为企业的技术升的之路上的关键一环。
     对U10589
柴油机消音器基座优化设计;通过一系列强度、变形分析,对柴油机消音器设备基座进行了优化,使较笨重的板式支架优化为更简便通用的架构,以达到降本增效的目标,同时对设备基座还进行了一些个性化设计。
柴油机消音器是船舶中发电机、主机以及燃油锅炉、消防柴油机等设备的排气管路的辅助设备,主要功能是消除船舶主机工作时排气的噪音、并允许气流通过,是消除蒸汽排放动力性噪声的重要措施,是船舶上必不可少的一件设备。影响柴油机消音器性能的主因素包括设计、加工、安装等多方面因素;其中柴油机消音器的安装使用又是在船舶生产中其基本的因素。
由于主发柴油机消音器通常自身具有尺寸大、重量重,且数量一般在4只左右;另外由于柴油机消音器一般安装在烟囱、上建这一结构比较薄弱、空间位置小的区域,在实际生产过程中也是经常岀问题甚至返工的位置。因此有必要对柴油机消音器创造一个强有力的支撑及方便维护的方案、措施。
本文通过对U10589海工船柴油机消音器与基座安装型式与传统柴油机消音器与基座安装型式、基座结构特点进行分析、对比、选型优化,在既能保证强度又能减轻基座重量、保证维护的空间情况下得到一个佳的优化方案。
一、船舶
柴油机消音器安装型式
船舶主机排气系统中
柴油机消音器在船上典型安装位置如
下图1所示。
图1船舶柴油机消音器结构及典型布置
船舶主发电机组工作产生的废气由机舱左右两侧的排气通道经过膨胀节、柴油机消音器、排气管等排气通道向上走,一直到达船舶的上层甲板排出。
柴油机消音器设备与基座的典型安装结构型式如图2
所示。

1-面板;2-水平支撑;3-斜支撑
图2柴油机消音器典型安装型式
图2中柴油机消音器基座构件由基座面板、支撑、复板、架构、减震器组成;基座通过支撑、架构焊接固定在船体结构上。在船上安装柴油机消音器时,柴油机消音器法兰与基座面板通过螺栓固定在一起,于是基座将起到支承
柴油机消音器及其它排气组件向下的力作用。
船舶
柴油机消音器典型外形结构如下图3所示。
本文U10589海工船柴油机消音器部分工艺参数:
重量(GEWICHT):1,134kg;
总长(TOTALLENGTH):4,700mm;
法典径(DIM):620mm本体直径(BODY):1,100mm;柴油机消音器高排气工作温度:550°Co
二、U10589主发电机组柴油机消音器基座与优化前发电机组柴油机消音器基座安装型式对比
船舶主发电机组柴油机消音器与基座安装的型式
优化前U10589发电机组柴油机消音器即沿用传统方式,在船上安装时,柴油机消音器通过柴油机消音器法兰与基座面板用螺栓固定在一起,基座通过面板来支承柴油机消音器及其它排气组件重力,如下图4所示。

图4传统主发电机组柴油机消音器安装具体型式
优化后U10589主发柴油机消音器与基座安装的型式如图5所示,柴油机消音器设备通过本体与基座直接接触。考虑到现场安装误差,门在本体与基座之间设置支承块并直接与本体焊接
固定在一起;支撑块与基座上的减震器通过螺栓连接在一起。


图5U10589主发柴油机消音器与基座安装型式
柴油机消音器基座受力情况
在主发机组未工作时,不考虑其它排气组件重力影响并设其为仅受柴油机消音器自身重力作用下的静载荷的简支梁。
U10589优化前主发柴油机消音器基座受力情况如图6所示。

L
相应简支梁 -
Fb
minmTm-rr^
图6传统柴油机消音器基座受力情况
A点支座反力:Fa=qc/2=P/2
B点支座反力:Fb=qc/2=P/根据简支梁大挠度计算公式:
8max=q(8-4y2+y3)
384EZv 7
符号意义及单位:
FA—A点支座反力;
FB—B点支座反力;
6max—大挠度(m);
E一弹性模量;
q一分布载荷(N/m);
I一截面的轴贯性矩(n?);
Y—c与L之比;
L—如图所示(m);
c一如图所示(m)。
其中,E=200GPa;c=570mm;L=880mm;
P=11,113N;b=570mm;h=16mm
I=bh"3/12=19.5cm"4
(b一面板宽,h一面板厚)
可大致得出简支梁大挠度:6max=3.34mmU10589优化后柴油机消音器基座受力情况如图7所示。

—M
?
Fs
图7U10589优化后柴油机消音器基座受力情况
图中P为柴油机消音器及其它排气管组件对基座施加的向下的合力。R为基座支承点向上的反作用力。
Ra=Rb=P/2=5,556.5N
三、柴油机消音器基座优化前后综合效果分析
优化后基座更加合理并且严密地支承和传递载荷
柴油机消音器基座在静止外力(重力)作用下,在优化前与优化后基座支承的向上的反作用力相等。但在优化前,基座面板在柴油机消音器重力等静止力作用下将产生变形,出现大挠度6max
优化后基座仅仅为基座支承力(不考虑柴油机消音器底板自身变形)
由于主机正常工作时,柴油机消音器基座通常受到动载荷和反复振动载荷作用,而不仅仅是重力作用下的静载荷;基座受到的冲击载荷也远远大于其受到静止载荷。
优化前,基座面板在受到柴油机消音器等动载荷作用下将产生更大的变形,即大挠度大大增加。后基座产生永久变形。
基座面板与
柴油机消音器法兰之间也是以紧螺栓联接在一起,如图8所示。
法兰|Qz


图8柴油机消音器与基座面板螺栓联接简化示图
螺母拧紧时螺栓受到的预紧力为Q1,螺栓受到轴向工作载荷Q2后,其受到的载荷将增大,螺栓长度相对未受载荷Q2时也要伸长,由联接件间受力与变形的关系,分析得出螺栓受到总拉力为Qz。
另外,钢材料在连续反复载荷作用下,即使其大应力低于抗拉强度。b,甚至低于屈服点。s,也可能发生脆性破坏,此现象称为疲劳。
在图9所示的oN曲线,或称。-N曲线,是以脉冲循环应力(疲劳应力循环特性值「=omin/amax=0)的大拉应力omax为纵坐标、破坏时循环数N为横坐标,对一批标准试件施加不同量值的等幅循环载荷,得到各试件破坏时的对应循环数N,绘制而成的表示了材料的疲劳强度与寿命关系的曲线。

图9Q235钢的应力应变曲线
由图9可见,随着大拉应力omax减小,应力循环次数N增加。当减小到某一值时,N可以无限增加,此值以符号、表示。对于结构钢试件取N=2X1O6次时的应力作为材料疲劳极限。因此在主机长期工作条件下,U10589优化前,对基座与柴油机消音器法兰之间的联接螺栓,疲劳强度直接影响了结构的安全可靠性,疲劳断裂成为其主要的失效形式。
机械设计的好坏与如何合理地支承各部分的载荷有关。不得要领的支承出现各种各样的问题。载荷支承的规则是直接支承。如果支承方法不当则产生变形、永久变形、动作不协调、破损、振动等的问题。
优化后基座合理并且严密地支承和传递载荷,仅仅在支承处产生轴向动载荷作用,即使在长期工作时,也能保证基座的正常支承功能。
高温环境下,优化后的柴油机消音器基座具有更好的支承性
温度变化对钢材的力学性能有直接影响,当钢材处在温度200°C之内,强度、塑性、韧性变化很小。当温度处在200~300°C时,强度和硬度提高,伸长率下降,钢材变脆,称为蓝脆现象。温度超过300-C,强度明显下降。当超过600°C,强度几乎等于零。
主机工作时,气缸排岀的高温气体在排气管内气体高温度可达550°Co硫是钢材中的有害元素,含硫量増大会降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和耐腐蚀,性。由于硫化物在高温时很脆,使钢材在热加工时易发生脆断(热脆),焊接时易开裂,机械通常受到动力载荷和反复振动载荷作用,应力集中现象也会引起严重后果,因此必须十分重视。
由优化前后柴油机消音器基座受力情况示意图(图6和图7)可以看出,优化前基座受力点较优化后更接近于热源;其受到来自排气管高温的影响也就大于优化后基座受到高温的影响,更容易产生热脆而使得基座功能失效。而优化后则可避免这一情况的发生。
优化后更便于安装和维护
优化前
柴油机消音器安装时需要通过螺栓将柴油机消音器、膨胀节法兰与基座面板联接在一起,给施工带来一定的困难,例如,当膨胀节需要维修时则需要将整个柴油机消音器吊起,卸载掉其施加给基座的压力,以便拆除螺栓,甚至还要移走基座面板,后才能取出膨胀节等部件。维修极为不便。
优化后如果需要维修膨胀节等这些部件,只需直接松开其两端法兰螺栓即可取出维修。这对后期维护提供了不少的方便。
通过优化前后的材料情况的使用对比,优化后更节省材料
通对船舶实际基座重量的统计对比,优化前U10589柴油机消音器整个基座重量893kg,其中基座面板占重253kg;优化后U10589柴油机消音器安装型式基座因去掉了基座面板,仅增加基座支撑块共94.4kg,即重量总共约减少了158kg。这对于海工船这类重量控制格外严格的船型来说尤其重要;而且也省却了不少材料以及加工的费用。
通过对U10589
柴油机消音器基座的结构型式,对其受力进行分析、对比;在实用性和经济性方面,优化后的U10589海工船柴油机消音器基座结构型式既能保证强度又能减轻基座重量,并有利于后期维护,是一个比较合理的优化方案;经过选型和优化后在减少返工、节省材料、维护方面产生了较好实际效果,并使造船成本降至低。在选型优化方案确定之后,可形成标准将其应用在后续船,为节省时间、提升质量,控制空船重量,从而达到降本增效的效果。

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