變頻電機(jī)底座共振模態(tài)分析及改造案例

王江

摘 要：電機(jī)廣泛使用在機(jī)電領(lǐng)域，共振現(xiàn)象時有發(fā)生，危害極大。設(shè)備現(xiàn)場電機(jī)和底座發(fā)生共振，借助有限元軟件和三維建模軟件，從多種改造方案中選出最優(yōu)方案，并現(xiàn)場改造，成功消除共振。

關(guān)鍵詞：電機(jī)；底座；共振；模態(tài)分析；改造

中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

電機(jī)共振是機(jī)械和電氣領(lǐng)域常見現(xiàn)象，共振會影響電機(jī)的正常運(yùn)行，降低電機(jī)使用壽命，并且?guī)碚駝?、噪聲和效率降低?/p>

某設(shè)備使用大型變頻電機(jī)，通過電機(jī)底座固定在基礎(chǔ)上，在設(shè)備運(yùn)行時電機(jī)振動明顯。利用有限元軟件對該電機(jī)及底座進(jìn)行模態(tài)分析，確定為發(fā)生共振。用三維軟件建立原設(shè)備仿真模型，并加入多種底座的改造方案，再用有限元分析，確定最優(yōu)的改造方案。設(shè)備現(xiàn)場按最優(yōu)方案進(jìn)行改造，共振消除。

1 現(xiàn)場振動情況及振動測量

電機(jī)空載，在較高轉(zhuǎn)速時振動明顯，拾取變頻器頻率和振動傳感器信號，如圖1所示。

圖表說明：橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為幅值；藍(lán)線為電機(jī)輸入頻率，紅線、綠線為電機(jī)前后軸承附近振動值。

空載時，振動信號在變頻40Hz（電機(jī)額定50Hz，1494r/min）附近發(fā)生振幅明顯提高，經(jīng)分析為共振現(xiàn)象，共振頻率為20Hz。

帶負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)測試，電機(jī)部分在變頻46.8Hz時振動明顯，共振頻率為23.3Hz，共振頻率發(fā)生上移，可能是電機(jī)受聯(lián)軸器反作用力影響，本身固有激振頻率改變。

2 計算機(jī)模型振動仿真

按原圖紙建立三維模型，進(jìn)行模態(tài)分析，前10階模態(tài)見表1。

電機(jī)作為振動源，轉(zhuǎn)子受軸承約束繞軸心旋轉(zhuǎn)，激振方向主要是徑向，即電機(jī)左右擺和上下振；根據(jù)經(jīng)驗，電機(jī)的共振主要在激振頻率和二倍頻時出現(xiàn)，即23.3Hz和46.6Hz。

通過模態(tài)分析，底座加電機(jī)的第一階固有頻率（圖2）與現(xiàn)場共振相符，53.3Hz與激振二倍頻46.6Hz相差14.4%，且振動形式相符，兩者之間的誤差應(yīng)該是由模型及約束條件與實際不完全相符造成。

3 電機(jī)底座改造方案

經(jīng)過近10種改進(jìn)方案的對比，確定了最優(yōu)的方案，模型如圖3所示，改進(jìn)思路如下（下文提到的固有頻率都是一階左右擺振型的固有頻率）：

（a）原模型的左右擺（下同）固有頻率為53.3Hz；

（b）按照常規(guī)方法加固的頻率為63.3Hz；

（c）在常規(guī)加筋基礎(chǔ)上增加兩對X型斜筋，固有頻率為86.4Hz；

（d）X型斜筋換成V型斜筋，V底增加地腳孔，固有頻率為81Hz；

（e）由于X型筋或V型筋施工難度大，換成兩塊貫通上下層的厚豎筋，固有頻率為88.6Hz；

（f）在此基礎(chǔ)上，增加上層水平橫筋，固有頻率為91.7Hz；

經(jīng)過對比，確定最終改造方案f，固有頻率由53.3Hz提高到91.7Hz，避開了倍頻和二倍頻范圍（0Hz～50Hz）。

4 現(xiàn)場改造及效果

現(xiàn)場改造時，共增加鋼板約70塊。改造后，電機(jī)空轉(zhuǎn)，拾取變頻器頻率和振動傳感器信號，如圖4所示。

與改造前測振曲線對比，同樣測試條件下，電機(jī)全頻率范圍內(nèi)的共振消失。

帶負(fù)載運(yùn)行，全頻率范圍內(nèi)電機(jī)都沒有出現(xiàn)振動強(qiáng)烈的情況，現(xiàn)場人員也確認(rèn)，改造后變頻器46.8Hz時的共振消失，運(yùn)行過程中的振動也明顯減輕。

結(jié)語

隨著設(shè)備的大型化，底座剛度卻提升不足，造成個別設(shè)備發(fā)生共振問題。經(jīng)有限元軟件仿真分析，確定了電機(jī)及底座存在共振。

通過設(shè)計優(yōu)化及仿真，確定了較好的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，現(xiàn)場進(jìn)行改造施工，運(yùn)行效果滿意，共振消除。

這件案例的成功解決，為我們積累了此類問題的處理方法，同時，也從設(shè)計上加強(qiáng)了底座的剛度，根除了共振的可能。

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