抓斗卸船機(jī)電機(jī)支座結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

冀 祥

大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司

1 引言

某抓斗卸船機(jī)的起升電機(jī)為三相交流變頻電機(jī)，額定功率為350 kW，供電電網(wǎng)頻率50 Hz。由于電機(jī)支座結(jié)構(gòu)形式不規(guī)范、采用傳統(tǒng)計(jì)算方法不便，造成支座過重，剛度過大，材料利用不充分。為此對支座結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立有限元模型，進(jìn)行模態(tài)及諧響應(yīng)分析，對支座在一個(gè)完整的工作循環(huán)下，不同階段的受載進(jìn)行計(jì)算，得到支座節(jié)點(diǎn)的諧響應(yīng)頻譜及結(jié)構(gòu)的固有頻率，由此論證支座結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的合理性。

2 電機(jī)支座的受力分析

電機(jī)正常工作時(shí)，機(jī)座受到頻率為電網(wǎng)頻率2倍的旋轉(zhuǎn)力矩作用，因?yàn)殡姍C(jī)支座與電機(jī)座由螺栓固定，故電機(jī)負(fù)載扭矩將作用于電機(jī)支座上，激勵(lì)頻率為2倍的電網(wǎng)頻率[1]。

在抓斗卸船機(jī)一個(gè)完整的工作循環(huán)過程中，將起升電機(jī)的工作化分為3個(gè)階段[2]。啟動階段：此階段電機(jī)負(fù)載最大，初始啟動頻率較低，頻率隨著轉(zhuǎn)速迅速提升,逐漸靠近電網(wǎng)頻率50 Hz；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段：電機(jī)輸出功率穩(wěn)定，頻率在電源額定頻率50 Hz左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定；抓斗空載下降階段：電機(jī)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速，電機(jī)處于弱磁工況，調(diào)頻后電源頻率為56 Hz左右。

對原機(jī)座建立有限元模型，將電動機(jī)用MASS21代替，將MASS21單元點(diǎn)與支座兩受載面進(jìn)行耦合，至此支座與電動機(jī)構(gòu)成整體結(jié)構(gòu)，后續(xù)激勵(lì)將施加于質(zhì)量單元[3-4],有限元模型見圖1。

圖1 電機(jī)支座耦合模型

通過對原電機(jī)支座模態(tài)分析,固有頻率為184 Hz左右,而電機(jī)支座在受載的3個(gè)階段最大激勵(lì)頻率為112 Hz左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電機(jī)支座的固有頻率。對原機(jī)座進(jìn)行靜力分析，從模態(tài)和靜力分析結(jié)果來看，原電機(jī)支座存在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空間。

3 電機(jī)支座優(yōu)化及諧響應(yīng)分析

3.1 諧響應(yīng)理論

系統(tǒng)在有持續(xù)激勵(lì)時(shí)的振動稱為強(qiáng)迫振動，按隨時(shí)間變化的規(guī)律分類，激勵(lì)可分為簡諧激勵(lì)、周期激勵(lì)及任意激勵(lì)。簡諧激勵(lì)載荷隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化，簡諧激勵(lì)下系統(tǒng)的響應(yīng)，包括由初始條件引起的自由振動、伴隨強(qiáng)迫振動(激勵(lì))發(fā)生的自由振動以及等幅的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動三部分。前兩部分由于阻尼的存在，是逐漸衰減的瞬態(tài)振動，稱為瞬態(tài)響應(yīng)，它只存在于振動的初始階段，該階段稱為過渡階段。第三部分是與激勵(lì)同頻率、同時(shí)存在的簡諧振動，稱為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。諧響應(yīng)分析用于確定結(jié)構(gòu)在簡諧激勵(lì)下，即隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的載荷時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。分析的目的是計(jì)算出結(jié)構(gòu)在幾種頻率下的響應(yīng)，通常是位移頻率曲線。

諧響應(yīng)系統(tǒng)的動力響應(yīng)實(shí)際上是解一個(gè)完整的動力方程，它是一個(gè)二階常系數(shù)線性微分方程[4]：

={P(t)}

(1)

ANSYS軟件為諧響應(yīng)分析提供3種方法，分別是完全法、縮減法、模態(tài)疊加法。3種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用完全法進(jìn)行諧響應(yīng)分析。

3.2 優(yōu)化方案一

根據(jù)上面的分析，對電機(jī)支座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行減重優(yōu)化，將支座結(jié)構(gòu)的電機(jī)支座的蓋板及支座的腹板和橫向筋板進(jìn)行切割去除，上述部位對支座的應(yīng)力及應(yīng)變影響較小，去除后支座重量降低35%。對優(yōu)化后的A型電機(jī)支座結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力與應(yīng)變變化極小，依然在強(qiáng)度和剛度允許范圍內(nèi)。

對A型支座進(jìn)行模態(tài)分析，提取其四階模態(tài)振形(見圖2)，可知A型支座第一階振形是對稱電機(jī)支座軸線左右擺動，第二階振型是支座蓋板相對支座底部固定端的反復(fù)扭動，第三階振型支座的前后擺動，第四階振型是支座的腹板自身左右振動。

圖2 A型支座模態(tài)振型圖

提取A型電機(jī)支座固有頻率(見圖3)。其第一階固有頻率為112.3 Hz左右，而從電機(jī)支座的受力分析中已知，抓斗在空載下降階段，電機(jī)的工作頻率為56 Hz,作用于電機(jī)支座上的激勵(lì)頻率為112 Hz，恰好為電機(jī)工作頻率的2倍。由于A型電機(jī)支座的一階固有頻率與支座所受的電機(jī)激勵(lì)頻率重合，一階模態(tài)的振型是電機(jī)支座的主振型，電機(jī)工作時(shí)，極易引起支座的共振，故對A型電機(jī)支座進(jìn)行諧響應(yīng)分析[4]。

圖3 A型支座四階固有頻率

將扭矩激勵(lì)施加于MASS21單元點(diǎn)，對頻率范圍內(nèi)的電機(jī)支座的振動位移進(jìn)行計(jì)算，諧響應(yīng)頻譜圖見圖4。從圖4可以看出在112 Hz左右，支座在外部激勵(lì)作用下，A型結(jié)構(gòu)的電機(jī)支座產(chǎn)生位移急劇增大，電機(jī)重心(MASS21單元點(diǎn))位移數(shù)值達(dá)到0.56 mm,超出允許的振動量。由此可知，盡管A型結(jié)構(gòu)的電機(jī)支座在靜應(yīng)力條件下，剛度和強(qiáng)度滿足使用要求，但在動載荷的作用下，由于其自身固有頻率與外部激勵(lì)頻率接近，導(dǎo)致其振動過大不滿足使用要求。

圖4 A型支座諧響應(yīng)頻譜圖

3.3 優(yōu)化方案二

重新對電機(jī)支座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行減重優(yōu)化，切除支座結(jié)構(gòu)的電機(jī)支座的蓋板及支座的腹板，部分切除橫向筋板，去除后支座重量降低了20%，將其命名為B型電機(jī)支座。對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力與應(yīng)變變化極小。對B型電機(jī)支座進(jìn)行模態(tài)分析，提取其固有頻率，見圖5。

圖5 B型支座四階固有頻率

由圖5可知，優(yōu)化后的B型電機(jī)支座的的一階固有頻率為158.17 Hz，避開了支座所受到的電機(jī)激勵(lì)頻率范圍,在此基礎(chǔ)上對優(yōu)化后的B型電機(jī)支座進(jìn)行諧響應(yīng)分析[4]：扭矩激勵(lì)施加于MASS21單元點(diǎn)，對3個(gè)階段頻率范圍內(nèi)的B型電機(jī)支座的振動位移進(jìn)行計(jì)算。

第一階段B型電機(jī)支座的受載的頻率范圍是0～100 Hz,以電機(jī)最大過載2倍額定扭矩進(jìn)行諧響應(yīng)分析，提取電機(jī)重心節(jié)點(diǎn)的位移(mm)，即MASS21單元點(diǎn)，頻率位移見圖6。

圖6 B型支座第一階段諧響應(yīng)頻譜圖

第二階段電機(jī)支座的受載的頻率范圍是90～100 Hz,以電機(jī)滿載額定扭矩進(jìn)行諧響應(yīng)分析，提取電機(jī)重心節(jié)點(diǎn)的位移，頻率位移見圖7。

圖7 B型支座第二階段諧響應(yīng)頻譜圖

第三階段電機(jī)支座的受載的頻率范圍是100～120 Hz,以抓斗空載產(chǎn)生的扭矩進(jìn)行諧響應(yīng)分析，提取電機(jī)重心節(jié)點(diǎn)的位移，頻率位移見圖8。

圖8 B型支座第三階段諧響應(yīng)頻譜圖

通過以上3個(gè)階段的諧向應(yīng)分析可知，優(yōu)化后的B型電機(jī)支座在第一階段和第二階段的頻率范圍內(nèi)的激勵(lì)作用下，節(jié)點(diǎn)的振動最大位移為0.017 mm；在第三階段節(jié)點(diǎn)振動位移在支座固有頻率158 Hz左右，振動位移會陡然升高，但實(shí)際電機(jī)支座的激勵(lì)頻率不會超過120 Hz,該階段的振動最大位移為0.03 mm,滿足實(shí)際生產(chǎn)中對電機(jī)支座的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求。

4 結(jié)語

對優(yōu)化后的電機(jī)支座結(jié)構(gòu)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，優(yōu)化后電機(jī)支座滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求，支座橫向筋板對電機(jī)支座的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較大,制約著電機(jī)支座的振動位移，在以后的設(shè)計(jì)工作中，可以充分利用這一特性。優(yōu)化結(jié)構(gòu)的電機(jī)支座相對于原支座，重量減輕了20%，可實(shí)現(xiàn)一定的經(jīng)濟(jì)性。