電機(jī)機(jī)座螺栓結(jié)合面振動特性研究

夏雪寶，向 陽，萬俟昊天，劉 輝

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢430063)

螺栓結(jié)合面是非常普遍的機(jī)械結(jié)構(gòu)連接形式，它使得機(jī)械結(jié)構(gòu)不再具有連續(xù)性，因而螺栓結(jié)合面對機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動特性有很大的影響。由于結(jié)合面存在著接觸剛度和接觸阻尼，因此從力學(xué)的角度分析結(jié)合面問題，認(rèn)為其與機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性、振動特性存在著十分密切的關(guān)系［1-2］。電機(jī)機(jī)座主要由端蓋和圓筒組成，它們之間通過螺栓連接，存在螺栓結(jié)合面。因此研究不同螺栓結(jié)合面參數(shù)(螺栓預(yù)緊轉(zhuǎn)矩、表面粗糙度、螺栓個數(shù)、表面加工方式)，對電機(jī)機(jī)座振動特性的影響規(guī)律有重要意義。同時，準(zhǔn)確的螺栓結(jié)合面有限元建模方法，可為電機(jī)進(jìn)行有限元分析奠定基礎(chǔ)。

1 電機(jī)機(jī)座模態(tài)試驗方案確定

某典型電機(jī)機(jī)座與底座是用6個橡膠隔振器相連，機(jī)座圓筒與端蓋之間是通過12個螺栓相連，見圖1。由于底座與地基固定，且底座剛性很大，減振器剛度相對較小，可認(rèn)為底座與地基連為一體，視為剛體，不發(fā)生振動。

通過設(shè)計不同結(jié)合面參數(shù)下電機(jī)機(jī)座模態(tài)試驗方案，并對比分析試驗結(jié)果，從而確定電機(jī)螺栓結(jié)合面參數(shù)對電機(jī)振動特性的影響。以電機(jī)機(jī)座為對象確定的試驗方案見表1。表中端蓋a、b、c與圓筒配合的表面加工方式為車削，表面粗糙度分別為Ra=3.2、6.3、12.5μm，端蓋d表面加工方式為磨削，表面粗糙度Ra=1.6μm，端蓋e表面加工方式為銑削，表面粗糙度為Ra=3.2μm。機(jī)座圓筒表面加工方式為車削，其表面粗糙度為Ra=3.2μm。

圖1 機(jī)座彈性連接實物示意

表1 電機(jī)機(jī)座模態(tài)試驗方案

2 電機(jī)機(jī)座模態(tài)測試系統(tǒng)搭建

通過對電機(jī)機(jī)座進(jìn)行模態(tài)分析［3］來研究螺栓結(jié)合面參數(shù)對電機(jī)模態(tài)的影響規(guī)律。模態(tài)試驗是通過對實際結(jié)構(gòu)的振動測試，識別振動系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。實際操作過程中在試件上各點(diǎn)人為的施加激勵，同時測量其響應(yīng)，由此求出試件上各點(diǎn)的傳遞函數(shù)并最終計算出模態(tài)參數(shù)的方法是為試驗?zāi)B(tài)分析。本試驗采用比利時LMS公司的硬件和軟件，搭建測試平臺，試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 電機(jī)機(jī)座模態(tài)試驗結(jié)果對比分析

通過表1可知，試驗編號為1～4的試驗可以確定不同端蓋螺栓預(yù)緊轉(zhuǎn)矩對電機(jī)機(jī)座模態(tài)的影響規(guī)律。表中100%螺栓預(yù)緊轉(zhuǎn)矩為376 N·m，試驗測得不同預(yù)緊轉(zhuǎn)矩下機(jī)座前10階固有頻率見表2。

表2 機(jī)座固有頻率隨端蓋螺栓預(yù)緊轉(zhuǎn)扭的變化

對比各階模態(tài)固有頻率可以得出:預(yù)緊轉(zhuǎn)矩為100%、50%時，機(jī)座各階模態(tài)固有頻率差別不大;預(yù)緊轉(zhuǎn)矩為25%、10%時，固有頻率較前2種狀態(tài)有少許下降，且所能識別的相同的模態(tài)變少。

試驗編號為1、5、6、7的試驗可以確定不同螺栓個數(shù)對電機(jī)機(jī)座模態(tài)的影響規(guī)律。其中，端蓋螺栓數(shù)為8、6、4時，是通過對稱拆卸端蓋螺栓來實現(xiàn)的。試驗編號為1、8、9、10的試驗可以確定不同端蓋表面粗糙度對電機(jī)機(jī)座模態(tài)的影響規(guī)律。同樣，對比試驗編號為1和11的試驗結(jié)果可以確定相同粗糙度下，車削和銑削這兩種加工方式對電機(jī)機(jī)座模態(tài)的影響規(guī)律。試驗測得試驗編號為1和5～11的機(jī)座固有頻率見表3和表4。

對比試驗編號為1、5、6、7的結(jié)果可知，隨著端蓋預(yù)緊螺栓數(shù)量的減少，機(jī)座固有頻率呈略微下降的趨勢;對比1、8、9、10、11可知，端蓋表面粗糙度和加工方式對機(jī)座的模態(tài)幾乎沒有影響。

表3 機(jī)座固有頻率隨端蓋螺栓個數(shù)的變化

表4 機(jī)座固有頻率隨表面粗糙度和加工方式的變化

4 電機(jī)機(jī)座仿真模態(tài)分析

4.1 建模方法介紹

根據(jù)德國標(biāo)準(zhǔn)VDI2230可知螺栓連接件在連接件之間會形成一個如圖3所示的45°壓縮錐。螺栓預(yù)緊力在壓縮錐以內(nèi)可認(rèn)為是均勻分布，壓縮錐在結(jié)合面處形成圓環(huán)區(qū)，圓環(huán)內(nèi)結(jié)合面的面壓相等。

由于預(yù)緊力的作用，在壓縮錐(如圖4陰影部分所示)內(nèi)會產(chǎn)生強(qiáng)大壓力，由試驗?zāi)B(tài)分析結(jié)論可知，當(dāng)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩較大時，螺栓預(yù)緊轉(zhuǎn)矩對機(jī)座模態(tài)影響甚微。因此對螺栓結(jié)合面有限元建模時，可以將壓縮錐區(qū)域建立成剛性區(qū)域，對于螺栓頭和螺母的作用區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)(1、2、3、4、5和20、21、22、23、24，等)以中心節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)用RBE2連接。對于結(jié)合面處，則分別以中心節(jié)點(diǎn)9和16(9和16為同一節(jié)點(diǎn)，即上下結(jié)合面以中心同一節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn))為主節(jié)點(diǎn)，圓環(huán)內(nèi)節(jié)點(diǎn)(6～12等和13～19等)為從節(jié)點(diǎn)建立RBE2單元，壓縮錐以外的結(jié)合面建立接觸單元。

4.2 試驗與仿真結(jié)果對比

根據(jù)圖紙建立電機(jī)機(jī)座有限元模型，并采用Ansys對電機(jī)機(jī)座進(jìn)行仿真模態(tài)分析。所得前5階固有頻率與試驗結(jié)果對比，并計算相對誤差，見表5。前1、2、5階振型對比也如圖5和圖6(影藏端蓋)。試驗結(jié)果為安裝a/a端蓋，12個螺栓，100%螺栓預(yù)緊轉(zhuǎn)矩時的模態(tài)數(shù)據(jù)。

表5 電機(jī)機(jī)座試驗與仿真模態(tài)對比

對比前5階電機(jī)機(jī)座試驗與仿真模態(tài)可知:前5階固有頻率相差較小，誤差都小于5%，滿足工程需要;與對應(yīng)的機(jī)座模態(tài)振型也十分吻合。

5 結(jié)論

1)端蓋螺栓預(yù)緊轉(zhuǎn)矩較小時，機(jī)座固有頻率隨預(yù)緊轉(zhuǎn)矩增大而緩緩增大，當(dāng)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩較大時，螺栓預(yù)緊轉(zhuǎn)矩對機(jī)座模態(tài)影響甚微;

2)隨著端蓋預(yù)緊螺栓數(shù)量的減少，機(jī)座固有頻率呈略微下降的趨勢;

3)端蓋表面粗糙度和加工方式對機(jī)座的模態(tài)幾乎沒有影響;

在100%螺栓預(yù)緊轉(zhuǎn)矩時，采用基于德國標(biāo)準(zhǔn)VDI2230的螺栓結(jié)合面建模方法，可較好仿真電機(jī)機(jī)座螺栓結(jié)合面的振動特性。

［1］張學(xué)良，徐格寧.機(jī)械結(jié)合面靜動態(tài)特性研究回顧及展望［J］.太原重型機(jī)械學(xué)院學(xué)報，2002(9):276-281.

［2］張學(xué)良.機(jī)械結(jié)合面動態(tài)特性及應(yīng)用［M］.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

［3］曹樹謙，張文德，蕭龍翔.振動結(jié)構(gòu)模態(tài)分析［M］.天津:天津大學(xué)出版社，2001.