高速交流牽引電機(jī)振動(dòng)問題分析

洪鳳平， 陳超玉， 鄭宇華， 王長江

(南車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引 言

由于電機(jī)轉(zhuǎn)子中心慣性軸線與回轉(zhuǎn)軸線并不完全重合，旋轉(zhuǎn)時(shí)將產(chǎn)生慣性力，對支撐處的軸承產(chǎn)生動(dòng)壓力從而引起電機(jī)振動(dòng)。高速交流牽引電機(jī)的額定運(yùn)行速度約4140r/min，最高運(yùn)行速度可達(dá)6120r/min，電機(jī)振動(dòng)會加劇軸承與軸頸的磨損，造成軸承早期失效甚至抱死，給高速鐵路的安全運(yùn)營帶來極大隱患。因此，分析及解決高速交流牽引電機(jī)振動(dòng)問題對于確保高速鐵路持續(xù)可靠運(yùn)營具有重要意義。

1 電機(jī)概述和振動(dòng)特點(diǎn)

4臺300kW高速交流牽引電機(jī)于同一批次生產(chǎn)，組裝后在試驗(yàn)臺進(jìn)行出廠試驗(yàn)的振動(dòng)試驗(yàn)項(xiàng)目中，轉(zhuǎn)速2000r/min以內(nèi)振動(dòng)平穩(wěn)。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到3000r/min后，傳動(dòng)端及懸掛部位振動(dòng)速度出現(xiàn)超標(biāo)。轉(zhuǎn)速達(dá)到3600r/min及以上時(shí)，軸向、徑向及懸掛部位振動(dòng)開始整體上升。其中，傳動(dòng)端水平向及懸掛端軸向振動(dòng)速度上升明顯。圖1是按照《GB 10068—2008 軸中心高為56mm及以上電機(jī)的機(jī)械振動(dòng) 振動(dòng)的測量、評定及限值》，置于彈性墊上的測量點(diǎn)示意圖。

圖1 振動(dòng)速度測量點(diǎn)

圖中，1、2、3點(diǎn)分別表示傳動(dòng)端軸向、徑向水平方向及垂直方向，4、5、6點(diǎn)分別表示非傳動(dòng)端軸向、徑向水平方向及垂直方向，7、8、9點(diǎn)分別表示懸掛端軸向、徑向水平方向及垂直方向。

表1選取了其中2臺電機(jī)在3000r/min及6000r/min 時(shí)的振動(dòng)速度數(shù)據(jù)。

表1 2臺300kW高速交流牽引電機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù) (單位： mm·s-1)

2 診 斷

2.1 電氣原因

電機(jī)振動(dòng)在電磁方面的原因如下： (1) 三相電壓不平衡；(2) 轉(zhuǎn)子籠條斷裂；(3) 三相電流不平衡，各相電阻電抗不平衡；(4) 電機(jī)自身設(shè)計(jì)缺陷，定轉(zhuǎn)子配合問題。

2.2 機(jī)械原因

高速三相異步電動(dòng)機(jī)發(fā)生劇烈振動(dòng)時(shí)通常在機(jī)械方面的原因主要有以下幾種情況： (1) 電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡不良；(2) 軸伸彎曲；(3) 軸承中心不正；(4) 軸頸、軸套配合緊力不夠，引起軸承跑內(nèi)圈，軸承跑外圈；(5) 軸承間隙過大；(6) 其他機(jī)械部分引起。

從實(shí)際的檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電機(jī)振動(dòng)增大后，電機(jī)電壓及電流并無明顯變化，電機(jī)本身也無發(fā)熱等現(xiàn)象，排除電氣故障原因，初步診斷為電機(jī)自身機(jī)械方面引起。

同時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子平衡塊檢查無異常，組裝后的軸承游隙約0.025mm，轉(zhuǎn)軸跳動(dòng)量小于 0.04mm，檢查電機(jī)底角及軸承座固定螺栓，均無松動(dòng)跡象。用聽診器傾聽兩側(cè)軸承聲音，也未見異常。

但是，在該型電機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)的350kW高速交流牽引電機(jī)，各轉(zhuǎn)速下振動(dòng)速度卻無異常。

3 振動(dòng)分析

3.1 問題查找

通過詳細(xì)比對分析，除線圈匝數(shù)增加、鐵心加長外，該兩種型號電機(jī)在轉(zhuǎn)軸錐度部位也存在一定差異。350kW電機(jī)轉(zhuǎn)軸與聯(lián)軸節(jié)采用的是純錐度配合，錐度為1/50。300kW電機(jī)轉(zhuǎn)軸與聯(lián)軸節(jié)采用的是錐度加鍵的配合形式，錐度為1/10，轉(zhuǎn)軸上存在一個(gè)鍵槽。

為驗(yàn)證轉(zhuǎn)軸鍵槽所引起的不平衡量對電機(jī)振動(dòng)是否存在較大影響，根據(jù)《GB/T 16908—1997 機(jī)械振動(dòng) 軸與配合件平衡的鍵準(zhǔn)則》中半鍵準(zhǔn)則，在鍵槽部位安裝了一個(gè)仿輪廓形半鍵(即動(dòng)平衡用半鍵)后，重新對該4臺電機(jī)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。表2再次選取了先前2臺電機(jī)安裝半鍵后3000r/min 及6000r/min時(shí)的振動(dòng)速度數(shù)據(jù)。

從數(shù)據(jù)中可看出，安裝半鍵后的2臺電機(jī)振動(dòng)速度均在限值以內(nèi)，對另外2臺電機(jī)進(jìn)行的前后對比試驗(yàn)中，也同樣得出相同結(jié)論。因此，可初步判斷，轉(zhuǎn)軸鍵槽所引起的不平衡量是造成電機(jī)振動(dòng)的主要原因。

表2 安裝半鍵后的振動(dòng)數(shù)據(jù) (單位： mm·s-1)

3.2 振動(dòng)微分方程建立

圖2 不平衡轉(zhuǎn)換圖

他們引起的電機(jī)垂直方向振動(dòng)的分量為Fp=Fsin(ωt+φ1)和Tp=Tsin(ωt+φ2)。根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律和轉(zhuǎn)動(dòng)方程式，F(xiàn)p和Tp初相角為零時(shí)，電機(jī)在X-θ坐標(biāo)系(θ為電機(jī)前后繞重心上下旋轉(zhuǎn)的角度，逆時(shí)針為正)的振動(dòng)微分方程式如下：

I?-(k1f1-k2f2)x+(k1f1+k2f2)θ=Tsinωt

當(dāng)電機(jī)軸向?qū)ΨQ時(shí)，即有l(wèi)1=l2=l/2，d1=d2=d/2，r1=r2=r，f1=f2=f/2，k1=k2=k/2，可求得2、5點(diǎn)的振速幅值。其中，l1、l2分別為電機(jī)重心到2、5點(diǎn)的距離。

V2.5=-(m1±m(xù)2)rω/M?(m1?m2)rdlω/4I

正負(fù)號上下(前后)分別用于2、5測點(diǎn)的振速。

對于該4臺軸伸端存在鍵槽的電機(jī)，屬于單面不平衡情況，振速幅值算式可進(jìn)一步簡化，從而得到：

V2.5=-m1rω/M?m1rdlω/4I

轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可參照圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量算式I=mr2/2進(jìn)行計(jì)算。其中，r為圓柱體半徑，m為圓柱體重量。

表3列出了鍵槽引起的不平衡量造成的電機(jī)振動(dòng)的計(jì)算值與試驗(yàn)值。從表中可看出，測點(diǎn)2與測點(diǎn)5振速的計(jì)算值與試驗(yàn)值十分接近。但由于計(jì)算值沒有考慮軸承、電磁以及動(dòng)平衡后殘余不平衡量的影響，計(jì)算值與試驗(yàn)值整體存在一定的偏差。

表3 鍵槽不平衡量引起的電機(jī)振動(dòng)值

圖3、圖4、圖5分別示出了無半鍵時(shí)，4臺電機(jī)測點(diǎn)2、5、1的振速隨電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷提高的變化情況。圖6、圖7、圖8分別示出了安裝半鍵后，4臺電機(jī)測點(diǎn)2、5、1的振速隨電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷提高的變化情況。

圖3 4臺電機(jī)測點(diǎn)2振動(dòng)速度變化曲線(無半鍵)

圖4 4臺電機(jī)測點(diǎn)5振動(dòng)速度變化曲線(無半鍵)

圖5 4臺電機(jī)測點(diǎn)1振動(dòng)速度變化曲線(無半鍵)

圖6 4臺電機(jī)測點(diǎn)2振動(dòng)速度變化曲線(有半鍵)

圖7 4臺電機(jī)測點(diǎn)5振動(dòng)速度變化曲線(有半鍵)

圖8 4臺電機(jī)測點(diǎn)1振動(dòng)速度變化曲線(有半鍵)

3.3 分析結(jié)論

(1) 轉(zhuǎn)子軸伸端鍵槽所引起的不平衡是造成電機(jī)振動(dòng)的主要原因。通過設(shè)計(jì)專門的仿輪廓半鍵工裝安裝至鍵槽內(nèi)，填充鍵槽造成的轉(zhuǎn)子不平衡量，電機(jī)振動(dòng)超差問題得到解決。

(2) 對于鍵槽一類的單面不平衡情況，不平衡量發(fā)生端的振動(dòng)值要明顯大于另一端，與振動(dòng)微分方程的推導(dǎo)過程分析相一致。

(3) 從推導(dǎo)得出的振速算式可看出，除角速度外，轉(zhuǎn)子兩校正平面的不平衡量、不平衡半徑、電機(jī)質(zhì)量等其他參數(shù)均為定值，因此振動(dòng)速度與旋轉(zhuǎn)角速度實(shí)際應(yīng)當(dāng)呈線性關(guān)系，與圖2測點(diǎn)2的振動(dòng)速度變化取線相吻合。

(4) 從圖4、圖5的振動(dòng)速度曲線可看出，在1000～3000r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，電機(jī)非鍵槽端徑向及鍵槽端軸向振動(dòng)速度并未與角速度呈現(xiàn)線性關(guān)系，這是由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I的計(jì)算值偏小、振動(dòng)主要受電磁、軸承等其他因素影響造成，這也是表3中測點(diǎn)5在轉(zhuǎn)速3000r/min時(shí)振速與計(jì)算值偏差較大的原因。當(dāng)轉(zhuǎn)速高于3000r/min后，振動(dòng)速度與角速度開始呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，由鍵槽引起的不平衡量對振動(dòng)逐漸起主導(dǎo)作用。

(5) 在以往的不平衡量對電機(jī)振動(dòng)的影響分析文獻(xiàn)中認(rèn)為，轉(zhuǎn)子殘余不平衡量是電機(jī)徑向振動(dòng)的主要原因。但是，從圖5測點(diǎn)1電機(jī)轉(zhuǎn)子鍵槽端軸向的振動(dòng)速度變化曲線中可看出，電機(jī)軸向振動(dòng)速度在轉(zhuǎn)速高于3000r/min時(shí)，與角速度也開始呈現(xiàn)明顯的線性比例關(guān)系。由此說明，對于轉(zhuǎn)軸錐度小、鍵槽傾斜度大的電機(jī)，其鍵槽部位不平衡量所形成的離心力不再完全垂直于電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸線，而是存在一定的傾斜角度，形成軸向方向的激振力分量，從而對電機(jī)軸向振動(dòng)造成影響，其也同樣可以通過振動(dòng)微分方程進(jìn)行分析計(jì)算。因此，在類似該類型電機(jī)的軸向振動(dòng)分析過程中，不能單純考慮軸承徑向游隙及軸向尺寸累計(jì)誤差等因素。

4 結(jié) 語

高速交流牽引電動(dòng)機(jī)是軌道牽引動(dòng)力的來源，是動(dòng)車組最重要的部件之一，其可靠性直接關(guān)系到車輛能否正常運(yùn)行，而電機(jī)振動(dòng)更是直接影響軸承的使用壽命乃至電機(jī)的運(yùn)行安全。本文對于振動(dòng)問題的分析同樣適用于其他由于殘余不平衡量引起的電機(jī)振動(dòng)。

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