電機振動測試模態(tài)分析方案研究及應(yīng)用

文俊書 曾文鋒 鄧衛(wèi)勇

（珠海凱邦電機制造有限公司 珠海 519100）

前言

隨著測試需求及產(chǎn)品質(zhì)量管控的不斷提升，相對應(yīng)的電機振動可靠性要求不斷提高，電機的振動測試越來越廣泛地受關(guān)注。目前行業(yè)通用的是單向振動傳感器，即僅單一方向的測試振動傳感器接觸點垂直方向的振動指標(biāo)（如軸向或徑向）。但從幾何原理角度及電機產(chǎn)品的實際運轉(zhuǎn)狀態(tài)研究分析，電機運轉(zhuǎn)時除了軸向和徑向振動指標(biāo)之外，還有與之垂直的切向振動指標(biāo)，即電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動方向；該切向振動的指標(biāo)值與產(chǎn)品整機負(fù)載運行狀態(tài)的振動值強相關(guān)。經(jīng)過大量研究及查找國標(biāo)確認(rèn)、傳統(tǒng)的電機振動測試方案仍停留在電機的軸向或徑向的單一測試方式，未對電機旋轉(zhuǎn)切向振動進(jìn)行量化界定。而空調(diào)用電機的運動方向為旋轉(zhuǎn)切向方式，至此旋轉(zhuǎn)電機產(chǎn)品的切向振動指標(biāo)才是是振動的主要體現(xiàn)方式；即是需要檢定電機的切向方式的振動狀態(tài)，才能真正評價該電機振動的可靠性能。故此空調(diào)用電機的振動測試方案研究及應(yīng)用具有重要意義，本文特地結(jié)合實際使用角度開展了針對空調(diào)用電機的振動測試方案可靠性進(jìn)行研究及應(yīng)用。

1 電機振動測試方式的術(shù)語及要點

1.1 測量量值

電動機振動的測量量值是振動位移（μm）、振動速度（mm/s），以及振動加速度（m/s2）的有效值。

1.2 振動強度

電機軸承振動強度的評判時規(guī)定頻率范圍內(nèi)振動位移（μm）、振動速度（mm/s），以及振動加速度（m/s2）的寬帶方均根。在規(guī)定的電機振動諸測量點中，以所測得的最大值表示該電機的振動強度。

1.3 設(shè)備選擇及安裝要點

振動強度的測量儀器應(yīng)符合ISO 2954的要求。測量設(shè)備應(yīng)能夠測量振動的寬帶方均根值其平坦響應(yīng)頻率范圍至少在10～1 000 Hz。

小功率電機的安裝應(yīng)采用自由懸置系統(tǒng)，此種懸置系統(tǒng)（見圖1）可看作為僅容許外部對電機有微小干擾的無源環(huán)境。將電機懸掛在彈簧上或安裝在彈性支撐件（如彈簧、橡膠墊、乳膠海綿）上（圖2），彈性系統(tǒng)的彈性變形量X應(yīng)符合下式要求：

圖1 彈簧懸置

圖2 彈性支撐裝置

式中：

X—電機懸置后彈性系統(tǒng)的實際變形量，mm；

n—電機轉(zhuǎn)速，r/min；

k—彈性材料線性范圍系數(shù)，對乳膠海綿k=0.4；

Z—彈性系統(tǒng)變形前的自由高度，mm。

為保證彈性墊受壓均勻，可在被試電機與彈性墊之間放置足夠剛性的過渡板，但必須保證不產(chǎn)生附加振動。

電機軸伸中心線與水平面的傾斜角度不大于5 °，對立式電機，其軸伸中心線垂直度不超過±5 °，對有底腳的電機，底腳平面與水平面的傾斜角度應(yīng)不大于5 °。彈性系統(tǒng)的總重量應(yīng)不超過被試電機重量的十分之一。

2 影響電機振動可靠性的因素

2.1 PULSE頻率響應(yīng)模塊創(chuàng)建操作要點

從電腦“開始”菜單所有程序中找到PULSE軟件，點擊打開LabShop，創(chuàng)建新模塊；點擊工具欄“Toggle Configuration”按鈕，打開設(shè)備通道設(shè)置界面，根據(jù)設(shè)備通道連接的對應(yīng)傳感器選擇設(shè)置，以通道Input 1為例，選中Input 1點擊鼠標(biāo)右鍵，選擇傳感器“Select Transducer”，與通道1實際連接加速度傳感器356A01 x對應(yīng)，選擇“Accelerometer”，型號選擇356A01 x，點擊OK確認(rèn)。按以上方法完成力錘（Force /8206-002）和其他通道設(shè)置。點擊工具欄“Toggle Measurement”，打開測量管理界面，添加所有信號通道，開始設(shè)置控制參數(shù)：選中Setup，點擊鼠標(biāo)右鍵，選擇屬性，打開設(shè)置界面（圖3）；

圖3 力錘設(shè)置界面參數(shù)示圖

1）力錘設(shè)置（Trigger）：打開Trigger界面，創(chuàng)建Trigger激勵觸發(fā)器（如：Impact），Trigger Type選擇信號（Signal），Delay設(shè)置為- 20 ms；Signal選擇力錘連接通道，Reference 參考值為100 N，其他選定默認(rèn)值。

FFT設(shè)置（Set-up）：點擊打開FFT屬性（圖4），選擇Set-up 界面，設(shè)置FFT分析儀的線數(shù)Lines和帶寬Span（用戶期望測量的頻率范圍），這兩個參數(shù)會影響T（FFT分析樣本長度），建議該值＞1 s，但不超過3.2 s，因為時間太長每點需要等待時間也長，參考設(shè)置Lines：6400，Span：3.2 kHz；設(shè)置平均方式Linear，平均次數(shù)至少為3次，過載Overload：Reject。

圖4 FFT起動設(shè)置界面參數(shù)示圖

3） FFT設(shè)置（Trigger）：選擇Trigger界面（圖5），Record 觸發(fā)器選擇連接的力錘信號（Impact）；Average觸發(fā)器選擇Manual 1（疊加平均）。

圖5 FFT-Trigger設(shè)置界面示圖

4）FFT設(shè)置（Spectra）: 選擇Spectra界面，設(shè)置信號的Auto-Spectrum自譜和Cross-spectrum互譜（圖6）。

圖6 FFT信號設(shè)置界面示圖

5）FFT Analysis設(shè)置（Signal）：FFT分析儀中的時間加權(quán)Time Weighting 改為Uniform（圖7）。

圖7 FFT時間加權(quán)設(shè)置示圖

2.2 模態(tài)分析設(shè)定要點

1）完成以上步驟設(shè)置后，點擊工具欄中的激活/初始化，確保參數(shù)設(shè)置保存有效。點擊工具欄“Toggle Function”，打開函數(shù)管理器界面，添加Time函數(shù)、Autospectrum自譜、FRFH 1函數(shù)（其中的reference信號為激勵信號）、Coherence互相干（其中的reference信號為激勵信號）。

1）打開測試譜圖界面，雙擊各個函數(shù)可顯示對應(yīng)的頻譜圖，為了更好的觀察分析頻率響應(yīng)，一般選用“Modern Display”顯示模式，打開FRFH 1譜圖和Time（Signal 3）激勵信號時域圖，在PULSE的Windows菜單排列窗口。

2）待所有界面排列好之后，在左側(cè)狀態(tài)欄點擊鼠標(biāo)右鍵，添加“Add task”，保存當(dāng)前顯示界面；點擊工具欄“Toggle Level Meter”，打開信號顯示范圍，確認(rèn)是否過載情況，如無異常，點擊保存測試模塊。

2.3 頻率響應(yīng)測試要點

1）將測試硬件三向振動傳感器356 A和力錘按照軟件設(shè)置連接對應(yīng)通道，如通道1、2、4分別連接振動傳感器x、y、z三方向，通道3連接力錘；打開建好的測試模塊，點擊工具欄激活/初始化按鈕，確認(rèn)連接傳感器所有通道信號燈為綠色，信號傳輸無異常。

2）將待測樣品以彈性懸掛的方式安置好，依據(jù)異常反饋評估確定測試位置，把振動傳感器粘貼牢固，做好測試準(zhǔn)備工作。

3）在測試界面點擊工具欄“Start”開始測試按鈕，即進(jìn)入待測試狀態(tài)；在待測樣品上選好敲擊點，力錘敲擊給出激勵信號，激勵信號在Time（Signal 3）界面顯示，如信號顯示無異常，點擊Trigger 1，即可顯示響應(yīng)信號，各方向響應(yīng)信號界面上譜圖為向相位角，下譜圖為幅值；敲擊第二次，如無異常，點擊Trigger 1，顯示疊加平均譜圖，如敲擊激勵響應(yīng)有異狀，重新敲擊，確認(rèn)無誤后，點擊Trigger 1；重復(fù)以上動作，直至達(dá)到設(shè)置的次數(shù)，完成測試（圖8 為結(jié)果顯示圖）。

圖8 模態(tài)分析測試結(jié)果示圖

3 結(jié)論

從上述的例子可以看出，要測準(zhǔn)電機振動的性能指標(biāo)值，需要通過單體或整機實際運行狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)試比對設(shè)定合適的參數(shù)；因電機設(shè)計到多種負(fù)載的應(yīng)用場合，需要恰當(dāng)?shù)倪M(jìn)行選定參數(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)定值，才能有效的測定出電機在運行狀態(tài)下的真實振動數(shù)值。一個穩(wěn)定的測試條件需要經(jīng)過多次的樣本進(jìn)行測試驗證其系統(tǒng)的穩(wěn)定性方可投入使用；如交流電機應(yīng)在電源頻率和電壓為額定值的前提下測定較為準(zhǔn)確，直流電機應(yīng)在降壓的方式下保證電機轉(zhuǎn)速為額定值的前提下測試較為準(zhǔn)確；當(dāng)對多速或調(diào)速電機產(chǎn)品，應(yīng)在最高額定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行測量進(jìn)行測定較為準(zhǔn)確；而對于雙向旋轉(zhuǎn)的電機，振動測試應(yīng)使用于任何旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行測定 較為準(zhǔn)確。以上總結(jié)的驗證結(jié)果，所有被測樣件應(yīng)在空載且諸相關(guān)參量為額定值的狀態(tài)下穩(wěn)定運行30 s后方可進(jìn)行測量，確保了電機的穩(wěn)定運行后，測試的振動數(shù)值才能有效的體現(xiàn)出產(chǎn)品的實際振動狀態(tài)及評價。