大中型卧式电机轴向模态的分析研究.pdf

大中型卧式电机轴向模态的分析研究王栎宁(上海电气集团上海电机厂有限公司上海)摘 要:在一些大中型卧式电机轴向振动案例中发现电机在静止与运行状态下的轴向模态存在较大区别 通过东华动态信号采集仪 对三台不同型号大中型卧式电机进行轴向模态试验得出电机在静止状态与运行状态下的轴向固有频率找到电机轴向模态与运行状态之间的规律基于模态试验结果对其中一台电机的有限元模型进行模态参数修正通过 软件进行有限元模态分析并给出了两种调整电机轴向模态的方法关键词:电机轴向端盖模态固有频率有限元结构优化中图分类号:文献标志码:编码:././.(.):.:引言大中型卧式电机在做出厂试验时有时会碰到卧式电机轴向振动偏大问题这也一直是比较棘手的质量问题 卧式电机轴向振动有些是由于转子激励频率与电机轴向模态发生了重合进而产生结构共振还有些是气隙不均、转子不平衡、轴承安装不到位等其他方面的原因引起的在振动原因排查时常常会遇到困难模态分析是研究结构动力特性的一种方法一般应用在工程振动领域 其中模态是指机械结构的固有振动特性每一个模态都有特定的固有频率、阻尼比和模态振型 分析这些模态参数的过程称为模态分析工程上有有限元分析与试验分析两种方法为了验证是否发生了轴向共振可以对电机进行模态试验得出电机轴向固有频率并与电机的轴向激振频率进行对比验证 但是该方法一般是对静止状态下的电机进行模态试验效果并不理想 而在电机设计阶段一般采用有限元模态分析的方法来获得电机的轴向模态为结构设计提供参考然而因为电机模型和模态参数与实际有偏差导致模态结果不能反映电机真实的动态特性公司通过对三台大中型卧式电机进行轴向模态试验找出电机轴向模态与转速之间的关系规范电.大中型卧式电机轴向模态的分析研究设计与研究机轴向模态的试验方法为卧式电机轴向振动原因排查提供依据 通过有限元模态分析与模态试验之间的结果对比修正电机有限元模态参数得出电机运行期间的电机轴向动态特性为电机结构的前期设计提供参考 模态试验为了找到普遍性的规律对三台不同类型的卧式电机进行模态试验机型一:端盖式滚动轴承电机额定转速 /机型二:端盖式滑动轴承电机额定转速 /机型三:座式滑动轴承电机额定转速 /.试验条件试验仪器:东华动态信号采集仪 分析软件:动态信号采集分析系统固定方式:电机放试验基础上用压板压住电机底脚板本试验中加速度传感器选用 三向加速度传感器每个加速度传感器都配置有一个磁力座安装时传感器可以通过磁力座吸附在电机上有时候为了避免电磁干扰需要在传感器磁力座和电机之间加一层绝缘垫片机型一、三的现场试验图如图 所示图 现场试验图.试验方法本试验激励方式采用单点激振锤击法 为得出电机轴向固有频率在电机轴承座上布置传感器进行动态信号的采集使用力锤在端盖上(机型一、二)或者轴承座上(机型三)进行轴向敲击经过三次敲击数据的平均得出该状态下的轴向频响图对三台电机进行在不同转速状态下的轴向模态试验 因试验的转速点较多本文只列出了静止与额定转速下的轴向频响图如图 图 所示机型一静止与额定转速下的频响图分别如下:图 机型一 频响图 静止图 机型一 频响图 /机型二静止与额定转速下的频响图分别如下:图 机型二 频响图 静止图 机型二 频响图 /设计与研究上海大中型电机.机型三静止与额定转速下的频响图分别如下:图 机型三 频响图 静止图 机型三 频响图 /试验结果分析在实际应用中需要关注电机的激励频率周围是否有相关固有频率 本文从研究的角度出发仅关注电机轴向的第一阶固有频率实际大部分电机的轴向共振也只与第一阶固有频率相关.数据整理经过对所有电机轴向频响图中第一阶固有频率的读取三种机型轴向固有频率与转速的关系曲线如图 图 所示图 机型一轴向固有频率与转速的关系曲线图 机型二轴向固有频率与转速的关系曲线图 机型三轴向固有频率与转速的关系曲线.规律小结大中型卧式电机在静止状态与运行状态下的轴向固有频率有较大的区别 电机运行中的转速低于 /时轴向固有频率会有小范围的波动如果转速超过 /轴向固有频率基本处于定值 有限元分析有限元分析是模态分析与结构优化常用的一种方法可以极大的降低电机的试验成本 本文以机型二的额定状态为例进行模态分析.三维模型分析采用的三维装配模型如图 所示将线圈等非支撑结构件进行了一定程度的简化.有限元模型网格质量对分析结果有很大影响所以在保证硬件设备能够支撑的前提下尽量提高网格的质量 网格划分中可得到的网格度量有:单元质量、纵横比、雅可比、扭曲因子、平行误差、最大拐角、偏斜 为提高计算效率适当加大了冷却器的网格尺寸.大中型卧式电机轴向模态的分析研究设计与研究有限元模型如图 所示为保证计算结果的精度网格基本采用六面体高阶单元.材料属性所有电机结构件均按实际的材料参数进行给定模态分析中材料的主要参数为弹性模量、泊松比、密度.约束方式电机在试验站用 块压板压住底脚板进行固定模拟电机模态试验时的边界条件将电机底板的四个底面进行刚性约束如图 所示图 装配体模型图 有限元模型图 约束状态.有限元模型修正原始模型如果不经过修正得出的模态结果往往与模态试验的结果相差甚远在对振动问题的处理与结构优化时参考价值较小一般只能作为模态变化趋势的参考由于本文主要关注的是电机轴向模态所以在模态参数修正时也着重对电机轴向的模态参数进行修正 主要修正了三处模态参数:第一处是对电机各部件的质量进行修正 由于电机模型经过了简化大部分部件的质量与实际部件并不完全一样比如一些连接件线圈是不体现在模型中的但是他们的质量对电机的模态有较大影响 所以在电机中需要将这些部件的质量等效进其相邻部位比如螺栓的质量等效进钢板线圈的质量等效进铁心第二处是对转子与轴承之间的接触进行修正电机静止时转子轴颈与轴承内表面是摩擦接触而在转动过程中转子轴颈与轴承之间会有一个油膜将两者隔开这也是电机在动静两种状态下轴向模态不同的主要原因 轴承油膜刚度在不同转速下的数值存在差异通过轴承厂家得到该电机轴承在各转速下的油膜刚度本分析在转子与轴承之间施加了电机额定状态下的油膜刚度第三处是对端盖与机座、端盖与轴承之间的连接进行修正 因为实际上这两个连接是通过螺栓进行连接的如果分析中设置为软件默认的绑定接触整体刚度会偏大会造成轴向模态频率偏高所以通过降低绑定接触中的接触刚度将连接的紧固程度降到合理范围以内上述第一、二处修正的数值为电机的固定参数不宜调整第三处修正的数值为经验值通过调整端盖与机座、端盖与轴承之间的接触刚度将有限元轴向模态频率与轴向模态试验频率调整为一致从而完成模型修正.修正后的模态结果修正后的电机轴向模态结果显示轴向固有频率为 与该电机额定状态下模态试验频率 误差为 误差极小可认为计算结果能够反映电机轴向模态的真实状态 结构优化的方法在电机大体结构确定后电机的轴向模态主要通过对端盖结构的优化来调整常用增减筋条与调整厚度两种方法 本文从端盖加筋与端盖加厚来说明这两种方法在轴向模态调整中的作用 原始端盖模型如图 所示.端盖加筋如图 所示每个端盖背面增加 条方钢()作为支撑筋 新的结构轴向固有频率为 相对原结构的 提升了 .端盖加厚如图 所示每个端盖从 增厚到 新的结构轴向固有频率为 相对原结构的 提升了 设计与研究上海大中型电机.图 原始端盖结构图 端盖加筋结构图 端盖加厚结构 结论通过对大中型卧式电机轴向模态的研究得出以下结论:()卧式电机在静止状态与运行状态下的轴向固有频率有明显的区别 在轴向振动诊断时轴向固有频率应以电机运行时的轴向固有频率作为参考依据()本文所提出的卧式电机轴向模态参数的修正方法为同类型卧式电机的轴向模态参数设计、轴向振动性能评估和电机结构优化设计提供借鉴()文中轴向模态计算中基于电机额定运行时的轴向模态试验结果进行了有限元模型修正能够很好的反映出电机额定运行时的轴向模态参数对端盖结构的优化与分析能够为解决振动问题提供理论支撑(上接第 页)/()其中截面系数 考虑截面局部塑性计算如下:用于描述非线性弹性关系此处取默认值()计算部件实际强度/()计算安全系数 ()强度校核依次对三个主应力方向校核:/././.结 论结构强度是结构设计实现的重要因素 提供了可靠且充分利用材料性能的强度评估标准 本文通过平衡盘的强度评估案例验证了 用于旋转类结构局部高强度点的校核相比传统的基于屈服强度考核 延伸了产品的设计边界 主要亮点包括:通过解耦预紧和旋转工况计算复合应力状态的塑性因子通过 对局部塑性承载能力的利用完成对局部高应力值的强度评估计算结果证明:尽管平衡盘局部高应力区域最大应力超过材料名义屈服强度在 框架下其强度校核仍然满足要求 本案例为类似局部应力集中问题提供了参考解决方案 但在应用 时对部件的弹塑性计算以及失效判断仍需谨慎且除 提供的静强度评估外还需完成对局部高应力区域的疲劳强度校核相关工作也已完成校核通过本文限于篇幅在此不作赘述参考文献 .材料力学.北京:机械工业出版社.作者简介:钱亚男 年生博士研究生工程师年毕业于清华大学机械工程专业现在上海电气集团上海电机厂有限公司从事电机结构强度及可靠性相关工作.大中型卧式电机轴向模态的分析研究设计与研究