電機轉(zhuǎn)子在高速動平衡時發(fā)生的異常、分析及處理

董振興

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002)

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電機轉(zhuǎn)子在高速動平衡時發(fā)生的異常、分析及處理

董振興

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002)

高速電機轉(zhuǎn)子運行轉(zhuǎn)速往往都超過1階、2階甚至更高階次的臨界轉(zhuǎn)速，為滿足其動平衡要求，經(jīng)常需要進行高速動平衡。某一項目電機為高轉(zhuǎn)速、大功率電機，在進行高速動平衡時發(fā)生了異?，F(xiàn)象，本文對此異?，F(xiàn)象進行描述并對此問題進行分析，同時對后續(xù)處理過程及結(jié)果進行簡介。

電機轉(zhuǎn)子；高速動平衡；異?，F(xiàn)象；分析處理

某項目電機為高轉(zhuǎn)速、大功率變頻電機，具體參數(shù)如下:額定功率:4 500 kW；額定轉(zhuǎn)速:4 000 r/min；1階臨界轉(zhuǎn)速:3 000 r/min；超速試驗轉(zhuǎn)速:4 800 r/min；電機振動烈度:≤1.8 mm/s；動平衡精度要求:高速動平衡時在轉(zhuǎn)子支撐處測得的振動烈度<0.76 mm/s。從以上參數(shù)可以看出，此電機轉(zhuǎn)子運行在1階和2階臨界轉(zhuǎn)速之間，屬于柔性轉(zhuǎn)子。由于存在振型不平衡量且此電機對振動要求較嚴格，低速動平衡已不能滿足平衡精度要求，需進行高速動平衡。

1 轉(zhuǎn)子平衡過程發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象

2014年4月中旬，此電機轉(zhuǎn)子進行了高速動平衡，動平衡機選用德國申克公司生產(chǎn)的高速動平衡機DH6/DH3，平衡時轉(zhuǎn)子使用滑動軸承支撐，更接近實際工況。動平衡結(jié)果:額定轉(zhuǎn)速伸端振動值:0.404 mm/s，尾端振動值: 0.565 mm/s，平衡結(jié)果滿足要求，但平衡過程發(fā)現(xiàn)如下異常現(xiàn)象:轉(zhuǎn)子在4 000 r/min長時間旋轉(zhuǎn)，伸端振動值會緩慢上升，繼續(xù)提升轉(zhuǎn)速準備做超速試驗，此時振動值會急速上升，到4 100 r/min時振動值瞬間由0.404 mm升至1.30 mm/s(詳見圖1)，此趨勢十分危險，現(xiàn)場決定不繼續(xù)升速，取消超速試驗。從圖1可以看出，轉(zhuǎn)子升速至3 000 r/min附近出現(xiàn)一階臨界轉(zhuǎn)速，繼續(xù)升速至3 600 r/min，在此轉(zhuǎn)速之前的BODE圖曲線正常。但在3 600 r/min～3 900 r/min，紅色曲線(伸端)呈半圓凹狀，過渡較圓滑；藍色曲線(尾端)呈半圓凸狀，過渡較圓滑，此段曲線呈異常狀態(tài)。3 900 r/min～4 000 r/min，轉(zhuǎn)子幅頻曲線和相頻曲線呈錯位式變化，可以看出，轉(zhuǎn)子自身的固有特性已經(jīng)發(fā)生了變化。

圖1 轉(zhuǎn)子動平衡BODE圖(2014年4月)Fig.1 Rotor dynamic balance BODE graph (April 2014)

2 問題分析

發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象后，首先對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行評估，篩選出可能發(fā)生此現(xiàn)象的原因。此轉(zhuǎn)子為懸臂結(jié)構(gòu)，軸伸懸掛一圓盤，圓盤與軸伸采用1∶20錐面配合，過盈安裝(過盈量0.2 mm)。整體結(jié)構(gòu)詳見圖2。由于轉(zhuǎn)子除軸伸懸掛圓盤結(jié)構(gòu)較為特殊，其余結(jié)構(gòu)與制造廠其他電機結(jié)構(gòu)類似，故首先從圓盤處結(jié)構(gòu)及其對整個轉(zhuǎn)子的影響進行分析并排除原因。

圖2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Rotor structure diagram

2.1 排除是否由于圓盤振型所影響

高速動平衡廠家首先提出:此現(xiàn)象初步判斷為在4 000 r/min及以上轉(zhuǎn)速下，圓盤產(chǎn)生了彈性伸長變形，并隨轉(zhuǎn)速升高而變形越激烈，另外BODE圖中出現(xiàn)的“一階振型”也不是電機轉(zhuǎn)子的主振型，而是圓盤產(chǎn)生的局部“懸臂振型”。

對此轉(zhuǎn)子進行模態(tài)分析，提取一階振型詳見圖3。從圖3可以看出，一階振型確為懸臂振型。但此現(xiàn)象可以排除由彈性伸長變形及懸臂振型所引起，原因如下: a.從圖1中可以看出，4 100 r/min附近幅頻曲線變化趨勢為錯位上升狀，非峰值狀變化，相頻曲線呈錯位狀變化且錯位后相位轉(zhuǎn)向相反，從曲線形狀上看不像發(fā)生模態(tài)共振。b.每次高速動平衡超過4 000 r/min后，圓盤處不平衡量均發(fā)生變化，若僅為圓盤“懸臂振型”及彈性伸長變形所引起，振動趨勢會發(fā)生變化，但不平衡量不會發(fā)生變化。故可排除是由圓盤振型及彈性變形所影響。

圖3 一階振型示意圖Fig.3 Schematic diagram of first order mode

2.2 排除是否由于強度不足所影響

排除掉由于圓盤振型及彈性變形影響后，猜測是否由于轉(zhuǎn)子強度不足而引起了固有特性變化。查詢轉(zhuǎn)子各零部件的強度分析報告，發(fā)現(xiàn)設(shè)計時較保守，安全系數(shù)選取值較大。同時查詢轉(zhuǎn)子鐵心、護環(huán)在高速動平衡前、后的尺寸測量記錄，發(fā)現(xiàn)尺寸幾乎無變化(考慮測量誤差)。對護環(huán)表面進行無損檢測，也未發(fā)現(xiàn)裂紋等損傷。故可排除是由強度不足所影響。

2.3 排除是否由于配合方式所影響

查詢類似結(jié)構(gòu)電機轉(zhuǎn)子的高速動平衡記錄，在2013年9月有一類似結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子進行了高速動平衡，功率、轉(zhuǎn)速與此項目轉(zhuǎn)子接近，同時軸伸懸掛一風(fēng)機葉輪，葉輪與軸采用1∶20錐面過盈配合，但輪盤直徑較小且過盈量大于此轉(zhuǎn)子。從該轉(zhuǎn)子的高速動平衡BODE圖(詳見圖4)可以看出，平衡過程中未發(fā)生異常。

圖4 轉(zhuǎn)子高速動平衡BODE圖(2013年9月)Fig.4 Rotor high-speed dynamic balance BODE chart (September 2013)

此時，猜測發(fā)生異常的原因可能是圓盤與轉(zhuǎn)子之間的過盈量不足導(dǎo)致，故對此圓盤進行松脫位移計算，計算結(jié)果:4 000 r/min時配重盤處直徑分離量為0.23 mm，從計算結(jié)果上看，此轉(zhuǎn)速下圓盤與轉(zhuǎn)子已經(jīng)發(fā)生松脫，與實際現(xiàn)象相符。

3 處理過程及結(jié)果

轉(zhuǎn)子返回制造廠后，將圓盤進行拆卸，拆卸后對圓盤、軸表面進行無損檢測，發(fā)現(xiàn)僅有輕微擦痕，未見其余損傷。通過圓盤松脫位移計算結(jié)果得知，在接近4 000 r/min時圓盤與軸將發(fā)生松脫，故確定修理方案:將圓盤與軸的過盈量加大至0.35 mm。由于圓盤與軸采用1∶20錐面過盈配合，故只需將圓盤推進量增大3 mm即可，同時將圓盤限位結(jié)構(gòu)進行了更改。該項目電機轉(zhuǎn)子在過盈量調(diào)整后，經(jīng)超速試驗、整機空載試驗、整機熱態(tài)試驗驗證，均未發(fā)生異常。

4 結(jié)語

此電機轉(zhuǎn)子在高速動平衡時發(fā)現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，經(jīng)理論分析、工程驗證，確定為圓盤與軸過盈量不足導(dǎo)致。在后續(xù)其他類似結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的制造過程中，可以有效避免類似異常現(xiàn)象發(fā)生。

[1] 安勝利.轉(zhuǎn)子現(xiàn)場動平衡技術(shù)[M]. 北京:國防工業(yè)出版社，2007.

[2] 屈維德，唐恒齡.機械振動手冊[K]. 北京:機械工業(yè)出版社，2000.

[3] 鐘一諤.轉(zhuǎn)子動力學(xué)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社，1987.

The abnormality, analysis and treatment of motor rotor
in high speed dynamic balance

DONG Zhen-xing

(Jiamusi Electric Co., Ltd., Jiamusi 154002, China)

High-speed motor rotor is often at more than one order, second order or even higher order critical speed so as to meet its dynamic balance requirements. The motor of a certain project is a high-speed and high-power motor, which has abnormality in the high-speed dynamic balance, this article describes and analyzes the phenomenon, and the follow-up process and the results were introduced.

Motor rotor; High speed dynamic balance; Anomaly phenomenon; Analysis and processing

2017-02-16

董振興(1985-)，男，本科，中級工程師。

TM621

B

1674-8646(2017)08-0104-02