二極電機(jī)振動(dòng)問(wèn)題分析研究

項(xiàng)永

（中車(chē)株洲電機(jī)有限公司）

0 引言

電機(jī)振動(dòng)是電機(jī)制造過(guò)程中經(jīng)常遇到的質(zhì)量問(wèn)題，二極電機(jī)由于轉(zhuǎn)速高，結(jié)構(gòu)輕量化等因素，電機(jī)振動(dòng)問(wèn)題更加敏感，因此對(duì)電機(jī)的設(shè)計(jì)及制造工藝提出了更高的要求。本文針對(duì)型號(hào)為YPKK500-2，800kW二極電機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題，從電機(jī)振動(dòng)頻譜分析入手，有針對(duì)性地進(jìn)行排查，最終通過(guò)仿真分析確定電機(jī)機(jī)座剛性不足是電機(jī)振動(dòng)偏大的主要原因，通過(guò)加強(qiáng)機(jī)座剛性，解決了該電機(jī)振動(dòng)問(wèn)題，并應(yīng)用到后續(xù)所有二極電機(jī)中。

1 電機(jī)情況介紹

型號(hào)為YPKK500-2800kW二極電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)如下：電機(jī)中心高500mm，電機(jī)轉(zhuǎn)子為銅條轉(zhuǎn)子，定子繞組為高壓成型線圈，定子額定電壓10kV，機(jī)座采用箱式機(jī)座，兩端軸承為滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 YPKK500-2電機(jī)外形圖

該型電機(jī)一批有四臺(tái)投入生產(chǎn)，四臺(tái)電機(jī)在出廠試驗(yàn)時(shí)均出現(xiàn)不同程度的振動(dòng)偏大現(xiàn)象，根據(jù)電機(jī)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)GB10068－2008要求，該型二極電機(jī)在剛性安裝情況下振動(dòng)速度不能超過(guò)2.3m/s。四臺(tái)電機(jī)均出現(xiàn)了振動(dòng)超差現(xiàn)象，且主要為軸向振動(dòng)超差嚴(yán)重，具體振動(dòng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 四臺(tái)YPKK500-2電機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)

2 電機(jī)振動(dòng)頻譜測(cè)試及初步分析

2.1 電機(jī)振動(dòng)頻譜測(cè)試

針對(duì)YPKK500-2電機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題，采用振動(dòng)分析儀對(duì)電機(jī)進(jìn)行了振動(dòng)頻譜分析，共連接了六個(gè)通道，探頭放置按GB10068－2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電機(jī)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的要求放置，即D端和N端各三點(diǎn)，各測(cè)量點(diǎn)位置如圖2所示，1、2、3分別對(duì)應(yīng)D端的軸向、水平、垂直方向；4、5、6分別對(duì)應(yīng)N端的軸向、水平、垂直方向。

圖2 電機(jī)D、N端測(cè)振點(diǎn)

圖3～圖8是序號(hào)為4#電機(jī)試驗(yàn)時(shí)的振動(dòng)頻譜測(cè)試結(jié)果，其中波形為加速度波形。

圖3 測(cè)點(diǎn)1（D端軸向方向振動(dòng)）

圖4 測(cè)點(diǎn)2（D端水平方向振動(dòng)）

圖5 測(cè)點(diǎn)3（D端垂直方向振動(dòng)）

圖6 測(cè)點(diǎn)4（N端軸向方向振動(dòng)）

圖7 測(cè)點(diǎn)5（N端垂直方向振動(dòng)）

圖8 測(cè)點(diǎn)6（N端水平方向振動(dòng)）

2.2 電機(jī)頻譜結(jié)果分析

根據(jù)上述頻譜檢測(cè)情況，對(duì)該電機(jī)6個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度數(shù)據(jù)歸納如表3所示，在電機(jī)的N端、D端軸向方向振動(dòng)超差較大，且高幅值分量為100Hz左右，接近電機(jī)轉(zhuǎn)頻的2倍，因此主要是二倍頻分量引起電機(jī)振動(dòng)不合格。由于電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡產(chǎn)生的振動(dòng)頻譜特性主要表現(xiàn)為一倍頻，因此轉(zhuǎn)子不平衡問(wèn)題的可能性可以得到排除，需針對(duì)軸向振動(dòng)、二倍頻分量大的原因進(jìn)行分析。

表3 4#電機(jī)振動(dòng)

3 原因分析

3.1 電機(jī)軸向不對(duì)中檢測(cè)分析

電機(jī)主要為軸向振動(dòng)超差，而電機(jī)生產(chǎn)制造過(guò)程與設(shè)計(jì)要求不符會(huì)導(dǎo)致電機(jī)定轉(zhuǎn)子出現(xiàn)軸向錯(cuò)位，定轉(zhuǎn)子相互間的電磁力的作用總是趨向?qū)R，與錯(cuò)位的機(jī)械力形成作用力與反作用力，導(dǎo)致電機(jī)軸向振動(dòng)超差。因此對(duì)電機(jī)的軸向?qū)χ羞M(jìn)行了檢查，經(jīng)查定、轉(zhuǎn)子軸向錯(cuò)位≤1mm，符合該型電機(jī)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)要求，不會(huì)對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生很大的影響。

3.2 電機(jī)氣隙檢測(cè)分析

電機(jī)定子中心與轉(zhuǎn)子中心不重合時(shí)，定轉(zhuǎn)子之間的氣隙將會(huì)出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，過(guò)大的偏心值會(huì)產(chǎn)生較大的單邊磁拉力，將導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)二倍頻振動(dòng)，因此對(duì)該批電機(jī)氣隙重新進(jìn)行了檢測(cè)，氣隙均勻度均在8%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足該型電機(jī)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)要求。因此氣隙均勻度的因素基本可以排除，須進(jìn)行其他方面的原因分析。

3.3 關(guān)鍵配件加工質(zhì)量的檢測(cè)分析

為了分析配件質(zhì)量對(duì)軸承裝配狀態(tài)發(fā)生影響而導(dǎo)致二倍頻出現(xiàn)的可能性，對(duì)四臺(tái)電機(jī)端蓋與機(jī)座等配件的關(guān)鍵尺寸檢查記錄進(jìn)行了確認(rèn)，包括機(jī)座與端蓋的配合尺寸、端蓋軸承室尺寸等，均在圖紙要求范圍內(nèi)。同時(shí)對(duì)振動(dòng)最大的4#電機(jī)進(jìn)行了解體，對(duì)端蓋和機(jī)座的尺寸及形位公差進(jìn)行了重新檢測(cè)，檢查發(fā)現(xiàn)形位公差存在少量超差的現(xiàn)象。因此對(duì)4#電機(jī)配件進(jìn)行了返工處理，重新組裝試驗(yàn)后，電機(jī)的振動(dòng)狀況有一定改善，但改進(jìn)效果不明顯，基本可以認(rèn)為在重復(fù)測(cè)量偏差范圍內(nèi)。因此配件加工質(zhì)量的因素基本可以排除。

3.4 動(dòng)平衡校驗(yàn)檢測(cè)

為了排除動(dòng)平衡對(duì)振動(dòng)的影響，對(duì)4#電機(jī)轉(zhuǎn)子重新進(jìn)行了不平衡檢查，發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)子的剩余不平衡量變化很小，不平衡量仍小于5g，符合該型電機(jī)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)該電機(jī)主要為二倍頻振動(dòng)，動(dòng)平衡造成的可能性很小，因此未對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡進(jìn)行返工。

3.5 電機(jī)整機(jī)強(qiáng)度分析及優(yōu)化

電機(jī)剛度正常時(shí)，電機(jī)自振頻率大多高于二倍工作轉(zhuǎn)速，激振力不會(huì)誘發(fā)大幅度的二倍頻振動(dòng)。但是當(dāng)電機(jī)剛度較差時(shí)，電機(jī)的自振頻率可能在二倍轉(zhuǎn)速頻率附近。在激振力的作用下，導(dǎo)致電機(jī)可能出現(xiàn)較大幅度的二倍頻軸向共振。為防止該情況導(dǎo)致的電機(jī)振動(dòng)超差，采用Ansys對(duì)電機(jī)進(jìn)行了強(qiáng)度分析。

原電機(jī)模型：在設(shè)計(jì)原有圖紙的基礎(chǔ)上建立，包括前、后端蓋，機(jī)座，定子，轉(zhuǎn)子等部件以質(zhì)量點(diǎn)的方式加載在模型中，如圖9所示。

表4仿真結(jié)果表明，電機(jī)一階振型固有頻率為105.8Hz，一階振型為機(jī)座端蓋的呼吸模態(tài)，其與電機(jī)軸向振動(dòng)超差位置一致，且與主要振動(dòng)分量100Hz接近。因此電機(jī)剛度較差，電機(jī)的自振頻率在二倍轉(zhuǎn)速頻率附近，在激振力的作用下，導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)了較大幅度的二倍頻軸向共振。為此對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行了幾種優(yōu)化，最終得出兩種較為簡(jiǎn)單的優(yōu)化模型。

表4 原電機(jī)模型仿真結(jié)果

優(yōu)化模型Ⅰ：在原電機(jī)機(jī)座D、N兩端，內(nèi)隔板和內(nèi)端板之間增加兩根軸向加強(qiáng)筋，并與端板加強(qiáng)筋對(duì)齊，如圖10所示。

圖10 優(yōu)化模型Ⅰ

優(yōu)化模型Ⅱ：在優(yōu)化模型Ⅰ基礎(chǔ)上，N端端蓋加厚10mm，如圖11所示。

圖11 優(yōu)化模型Ⅱ

優(yōu)化模型仿真結(jié)果如表5所示。原電機(jī)及各優(yōu)化狀態(tài)下的仿真分析結(jié)果簡(jiǎn)化對(duì)比如表6所示。

表5 優(yōu)化模型仿真結(jié)果

表6 仿真結(jié)果簡(jiǎn)化對(duì)比

仿真結(jié)果表明，原電機(jī)模型一階振型為機(jī)座端蓋的呼吸模態(tài)，固有頻率偏低。優(yōu)化Ⅰ和優(yōu)化Ⅱ通過(guò)增加加強(qiáng)筋、加厚后N端端蓋，這些改進(jìn)都使端蓋區(qū)域呼吸模態(tài)固有頻率得到一定提高，其中將端蓋端面加厚效果更加明顯，這些改進(jìn)對(duì)其他振型的固有頻率也有一定的影響。

通過(guò)上述分析，原有電機(jī)的固有頻率偏低，接近振動(dòng)頻譜顯示的二倍頻，因此通過(guò)改變電機(jī)的強(qiáng)度來(lái)提高固有頻率，對(duì)該型電機(jī)的振動(dòng)應(yīng)會(huì)有較明顯的改善。

4 電機(jī)實(shí)物改進(jìn)驗(yàn)證

根據(jù)仿真分析，對(duì)4#電機(jī)在原電機(jī)基礎(chǔ)上，按優(yōu)化Ⅰ方案在機(jī)座D、N兩端，內(nèi)隔板和內(nèi)端板之間，正對(duì)原有端板加強(qiáng)筋位置各焊接兩根軸向加強(qiáng)筋，共4根筋，以加強(qiáng)電機(jī)剛性，具體如圖12所示。

圖12 機(jī)座增加四根軸向加強(qiáng)筋

4#電機(jī)經(jīng)此處理，電機(jī)軸向振動(dòng)速度得到明顯改善，最大N端振動(dòng)速度由12.9m/s降低到2.1m/s，并且該處的改善對(duì)其他測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)也有一定改善，如表7所示。

表7 4#電機(jī)改進(jìn)后振動(dòng)數(shù)據(jù)

根據(jù)4#電機(jī)的改進(jìn)結(jié)果，對(duì)1#、2#、3#電機(jī)均進(jìn)行相應(yīng)的處理，經(jīng)此處理，電機(jī)的振動(dòng)均得到了改善，電機(jī)振動(dòng)速度均降到2.3m/s以下，該批次四臺(tái)二極電機(jī)均試驗(yàn)合格。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)型號(hào)為YPKK500-2 800kW的二極電機(jī)振動(dòng)問(wèn)題，進(jìn)行了頻譜分析，根據(jù)分析結(jié)果首先從產(chǎn)品工藝制造對(duì)振動(dòng)超差的原因進(jìn)行排查分析，然后從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)二極電機(jī)振動(dòng)超差的原因進(jìn)行分析，運(yùn)用有限元仿真的方法計(jì)算了電機(jī)的模態(tài)，并與頻譜測(cè)試結(jié)果相對(duì)比，最終確定電機(jī)機(jī)座剛性不足是主要原因，通過(guò)增加機(jī)座加強(qiáng)筋，提高了機(jī)座剛性，最終解決了該二極電機(jī)振動(dòng)問(wèn)題。該方案的進(jìn)一步優(yōu)化方案應(yīng)用在后續(xù)所有二極電機(jī)設(shè)計(jì)中，二極電機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)合格率有顯著提高。