機(jī)構(gòu)電機(jī)底座振動(dòng)分析

武曉波，李心爽

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

目前針對電機(jī)底座的振動(dòng)問題的研究分析主要是對于整個(gè)岸橋機(jī)構(gòu)電機(jī)底座進(jìn)行全面研究，利用全面的動(dòng)態(tài)特性對比可以有效的保證整體的振動(dòng)分析過程準(zhǔn)確，提高整體的控制質(zhì)量。現(xiàn)階段，處理機(jī)構(gòu)電機(jī)底座振動(dòng)分析的技術(shù)比較多，目前應(yīng)用比較廣泛的有兩種，一種是利用有限元進(jìn)行分析，另一種是基于虛擬樣機(jī)技術(shù)來開展。而相對規(guī)模相對比較小的企業(yè)，商業(yè)軟件應(yīng)用需要付出較大的經(jīng)濟(jì)成本，因此整體的推廣程度達(dá)不到。在處理專業(yè)震動(dòng)分析問題時(shí)，通常情況下采用自主設(shè)計(jì)程序軟件來實(shí)現(xiàn)，既能針對性的解決問題，也能有效的降低成本。機(jī)構(gòu)電機(jī)底座振動(dòng)主要的來源為電動(dòng)機(jī)、減速箱、卷筒等組成部分，在實(shí)踐過程中做好這些內(nèi)容的振動(dòng)分析、控制和管理，可以有效的保證整體運(yùn)行質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)在最短時(shí)間內(nèi)完成振動(dòng)噪音消除和分析優(yōu)化過程。在實(shí)踐過程中，本研究對某機(jī)房電機(jī)進(jìn)行工作現(xiàn)場振動(dòng)分析，對于得出的現(xiàn)場分析結(jié)果進(jìn)行綜合的振動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析，這樣可以對機(jī)構(gòu)電機(jī)底座產(chǎn)生振動(dòng)的原因進(jìn)行了解，完成后分別采用單自由度法和有限元單元配合使用的VB程序進(jìn)行振動(dòng)分析，最終得到機(jī)構(gòu)電機(jī)底座不同位置的具體振動(dòng)情況模型，便于分析和改良。

1 機(jī)構(gòu)電機(jī)底座振動(dòng)測試

根據(jù)經(jīng)典振動(dòng)理論可知，振動(dòng)的發(fā)生需要滿足三個(gè)條件，分別為位移、速度和加速度，這三個(gè)影響因素確定了振動(dòng)發(fā)生的程度和頻率，同時(shí)三個(gè)影響因素之間存在著一定的聯(lián)系，振動(dòng)速度是反映整個(gè)機(jī)構(gòu)電機(jī)底座能源運(yùn)動(dòng)程度、動(dòng)量大小等非常直觀的數(shù)據(jù)。通過對機(jī)構(gòu)電機(jī)底座振動(dòng)測試，可以得出該機(jī)構(gòu)電機(jī)底座振動(dòng)速度最大值為7．2mm/s，這一數(shù)據(jù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過行業(yè)規(guī)定要求的允許振動(dòng)速度最大值4．5mm/s，因此確定該設(shè)備需要進(jìn)行振動(dòng)分析優(yōu)化處理。同時(shí)在測試結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，電機(jī)振動(dòng)過程中，橫向的振動(dòng)幅度明顯高于其他兩個(gè)方向，同時(shí)結(jié)合電機(jī)的具體安裝位置等情況，在后續(xù)的測試中將電機(jī)與底座結(jié)合，作為一個(gè)整體來考慮，這樣更加方便問題原因的探索。表1為振動(dòng)速度峰值。

表1 振動(dòng)速度峰值 mm/s

2 機(jī)構(gòu)電機(jī)底座振動(dòng)測試結(jié)果動(dòng)力學(xué)分析

通過對整體機(jī)構(gòu)電機(jī)底座振動(dòng)情況的分析和研究，得出電機(jī)振動(dòng)原因主要為以下三點(diǎn)。

（1）電機(jī)本身在生產(chǎn)過程中，轉(zhuǎn)子在確定過程中存在一定的誤差，導(dǎo)致質(zhì)量均勻度不佳，低速轉(zhuǎn)動(dòng)表現(xiàn)正常，而在快速轉(zhuǎn)動(dòng)模式下，激勵(lì)力會(huì)快速增加，整體的不穩(wěn)定性增強(qiáng)，產(chǎn)生振動(dòng)。

（2）電機(jī)機(jī)身長度相對較長，在相同轉(zhuǎn)速情況下，轉(zhuǎn)速越快中間部分由于細(xì)小偏差產(chǎn)生的慣性力越大，傳達(dá)產(chǎn)生振動(dòng)。

（3）電機(jī)底座在橫向上，整體的剛度相對較弱，未能有效的控制轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。

因此，機(jī)構(gòu)電機(jī)制造廠商需要在制造過程中做好充分的均勻度控制措施，保證電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性，從本質(zhì)上解決問題的發(fā)生。

3 基于簡化的單自由度法和有限單元法對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行軟件分析

我們在計(jì)算上利用Visual Basic，按照單自由度法和有限單元法編制，可以將機(jī)構(gòu)電機(jī)底座進(jìn)行數(shù)字化處理，同時(shí)確定振動(dòng)的固有頻率，分析不同激勵(lì)條件下，振動(dòng)速度的表現(xiàn)情況，同時(shí)獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)。

3.1 單自由度法快速分析

（1）計(jì)算固有頻率。整體電機(jī)被固定于地基處，在宏觀的角度來看，可以看成一個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)，電機(jī)利用等效替換的物理方法形成一個(gè)具有集中質(zhì)量的自由端，由于鋼板位置的結(jié)構(gòu)阻尼相對電機(jī)而言影響微弱，因此將系統(tǒng)可以等效視為單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)忽略阻尼振動(dòng)效果，運(yùn)動(dòng)方程如下：

式中：M——等效質(zhì)量；

K——等效剛度；

E——材料彈性模量；

IZ——底座截面慣性矩；

H——底座高度。

求最大響應(yīng)速度。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程（1），帶入（2）、（3）條件，得出最大響應(yīng)速度。

其中：

λ——頻率比，，λ=ω/ωn

根據(jù)上式進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的修改，可以更快、更準(zhǔn)確的得出系統(tǒng)的頻率值和振動(dòng)情況。

3.2 有限單元法快速分析

（1）連續(xù)區(qū)域離散化。通常情況下，電機(jī)底座的主要由4個(gè)板構(gòu)成，橫縱各2根，根據(jù)對所形成的構(gòu)件分析，可以得出在底座位置形成結(jié)構(gòu)具有一定的特殊性，同時(shí)在不同位置可能產(chǎn)生的振動(dòng)頻率不同，因此，可以對每個(gè)角點(diǎn)位置進(jìn)行編號和賦值，從而細(xì)化分析每一個(gè)具體位置的情況。

（2）計(jì)算系統(tǒng)固有頻率和動(dòng)力響應(yīng)。系統(tǒng)特征方程為

由于有限元在設(shè)計(jì)過程中程度有限，無法達(dá)到要求數(shù)據(jù)的取值，因此可以采用迭代法對固有頻率進(jìn)行求解，分析動(dòng)力的相應(yīng)來源以及時(shí)間情況。通過疊加處理后，整體的電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率不變，依然與各點(diǎn)位的具體位移值一致，振幅可以根據(jù)矩陣計(jì)算獲得影響數(shù)據(jù)，根據(jù)物理學(xué)知識計(jì)算可以得到最大速度Vmax。

4 結(jié)語

根據(jù)上述分析過程，我們得出機(jī)房電機(jī)造成機(jī)構(gòu)電機(jī)底座振動(dòng)的原因與處理方式如下。

（1）由于電機(jī)生產(chǎn)過程導(dǎo)致的偶然誤差存在，在低速模式不易檢測，在高速模式可以明顯發(fā)現(xiàn)這一問題。處理方式：與質(zhì)量信得過的廠商合作，適當(dāng)范圍內(nèi)降低轉(zhuǎn)速，從而減小振源激勵(lì)力。

（2）電機(jī)機(jī)身過長，軸承間距大，轉(zhuǎn)子軸徑細(xì)，臨界轉(zhuǎn)速低。處理方式：適當(dāng)減短電機(jī)機(jī)身及軸承間距。

（3）電機(jī)底座的長度長，高度高，電機(jī)底座橫向剛度不足。處理方式：控制電機(jī)底座長度和高度，加強(qiáng)底座橫向剛度。

（4）電動(dòng)機(jī)本身旋轉(zhuǎn)不良。處理方式：卸下轉(zhuǎn)子檢查靜平衡。

（5）減速箱與電動(dòng)機(jī)安裝精度差（對中超過規(guī)范）、電動(dòng)機(jī)底座安裝精度不夠（水平度超過規(guī)范要求），傳動(dòng)鏈安裝精度不夠（與底座相接觸）。處理方式：對電機(jī)進(jìn)行重新調(diào)整。在應(yīng)用兩個(gè)快速分析軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，先使用基于單自由度法的簡易快速分析軟件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果可知修改設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到使用要求，最后再使用有限單元法快速分析軟件對橫隔板的安裝布置進(jìn)行驗(yàn)算和調(diào)整，直至完全滿足使用要求。