電機(jī)軸承振動(dòng)特性試驗(yàn)

唐紅利，牛榮軍，代彥賓，崔永存，鄧四二

（1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003；2.中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412000）

機(jī)械和電磁是電動(dòng)機(jī)振動(dòng)的2 個(gè)主要來(lái)源。機(jī)械振動(dòng)主要來(lái)自風(fēng)扇、軸承旋轉(zhuǎn)等機(jī)械運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)源。盡管滾動(dòng)軸承產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲與其他零件相比較小，但隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械越來(lái)越高的穩(wěn)定性需求，對(duì)滾動(dòng)軸承低振動(dòng)、低噪聲的性能要求也越來(lái)越高，結(jié)構(gòu)參數(shù)、軸向預(yù)載荷、轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑參數(shù)等是滾動(dòng)軸承運(yùn)行中需要重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵參數(shù)。支承軸承對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性起著重要作用，針對(duì)軸承振動(dòng)問(wèn)題開展系統(tǒng)研究，對(duì)電動(dòng)機(jī)的減振降噪具有重要的工程意義。

軸承對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)影響得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。在理論研究方面：文獻(xiàn)［1?2］研究了載荷對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中軸承振動(dòng)問(wèn)題的影響；文獻(xiàn)［3］認(rèn)為軸承的時(shí)變剛度是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的重要因素；文獻(xiàn)［4］分析了轉(zhuǎn)速和軸承游隙對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響；文獻(xiàn)［5］研究了電磁剛度和軸承彈性支承對(duì)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速和偏心力作用下的橫振幅值的影響；文獻(xiàn)［6］以某型異步電動(dòng)機(jī)的深溝球軸承?轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為研究對(duì)象，從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)阻尼、軸承徑向游隙、軸承鋼球數(shù)4個(gè)方面分析了系統(tǒng)的非線性振動(dòng)特性；文獻(xiàn)［7］建立含軸承零件工作表面波紋度的深溝球軸承動(dòng)力學(xué)模型，以低噪聲深溝球軸承為例，對(duì)不同工況參數(shù)下軸承的振動(dòng)特性進(jìn)行理論分析，結(jié)果表明存在可有效降低振動(dòng)的合理的轉(zhuǎn)速范圍。

試驗(yàn)方面：文獻(xiàn)［8］搭建了單盤兩支點(diǎn)轉(zhuǎn)子?軸承系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，用電渦流與加速度傳感器對(duì)圓柱滾子軸承支承端的位移及加速度進(jìn)行測(cè)量分析，研究了軸承在熱平衡過(guò)程中以及不同潤(rùn)滑油溫度下的振動(dòng)響應(yīng)；文獻(xiàn)［9］針對(duì)一臺(tái)3.5 MW雙饋電動(dòng)機(jī)中軸承振動(dòng)過(guò)大的問(wèn)題進(jìn)行分析，基于電動(dòng)機(jī)振動(dòng)模態(tài)的基本原理，采用敲擊法進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析并找出振動(dòng)超標(biāo)的根本原因，將振動(dòng)降低到標(biāo)準(zhǔn)范圍。

綜上所述，針對(duì)電機(jī)軸承?轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)研究大多建立電磁模型進(jìn)行整體振動(dòng)分析或建立不考慮磁拉力作用的軸承?轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型，試驗(yàn)方面主要搭建軸承?轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型但未考慮驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)本身的振動(dòng)問(wèn)題，關(guān)于電動(dòng)機(jī)中支承軸承的振動(dòng)分析更是鮮有研究。因此，本文以某型變壓器鼓風(fēng)機(jī)中電動(dòng)機(jī)非傳動(dòng)端支承軸承為研究對(duì)象，搭建電動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)改變轉(zhuǎn)速、升速率、保持架類型、預(yù)載荷和配置游隙等因素對(duì)軸承振動(dòng)特性進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和軸承配置方式

某型變壓器鼓風(fēng)機(jī)用電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，電動(dòng)機(jī)軸系一般采用雙支承結(jié)構(gòu)，內(nèi)部軸承作為軸系的支承點(diǎn)，承受外界的軸向、徑向載荷并將其通過(guò)軸承、電動(dòng)機(jī)端蓋傳遞到機(jī)座上［10］。對(duì)于鼓風(fēng)機(jī)上使用的小型電動(dòng)機(jī)，適用配置為轉(zhuǎn)速能力卓越但承載能力不高的2 套深溝球軸承，右（N）端軸承為非傳動(dòng)（定位）端，左（D）端為浮動(dòng)端，2 套軸承共同承受電動(dòng)機(jī)的徑向載荷，N 端軸承還需承受電動(dòng)機(jī)的軸向載荷。

圖1 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及軸承配置Fig.1 Structure of motor and configuration of bearings

為減小電機(jī)軸承的振動(dòng)、噪聲，在D 端的左側(cè)添加波形彈簧增加預(yù)緊，預(yù)載荷為

式中：k為剛度系數(shù)，一般取5 ～ 10 N/mm；d為軸承內(nèi)徑，mm。

N 端軸承為6206?2RS 型深溝球軸承，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 6206深溝球軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of deep groove ball bearing 6206

2 轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速及軸承振動(dòng)頻率

2.1 轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速

為避免轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，需計(jì)算其臨界轉(zhuǎn)速，影響轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的主要因素有支承剛度、材料性質(zhì)、轉(zhuǎn)子剛度及質(zhì)量等。已知轉(zhuǎn)子材料彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，密度為7.85 g/cm3，建立如圖2所示的有限元模型，對(duì)模型劃分網(wǎng)格、施加轉(zhuǎn)子質(zhì)量（10.045 kg）以及兩端軸承的約束，分析計(jì)算模型前5階模態(tài)并繪制坎貝爾圖（圖3），得到的轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速見表2，由圖可得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（3000 r/min）低于一階臨界轉(zhuǎn)速，故此電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸為剛性軸。

表2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速Tab.2 Critical speed of motor rotor

圖2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子有限元模型Fig.2 Finite element model of motor rotor

2.2 電機(jī)軸承振動(dòng)頻率

軸承在運(yùn)行時(shí)，各零件之間會(huì)由于外部振源而發(fā)生不同程度的振動(dòng)沖擊，當(dāng)振動(dòng)達(dá)到某個(gè)臨界范圍，即外部振動(dòng)頻率等于軸承零件固有頻率時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。軸承零件的固有頻率與其自身的材料、形狀和質(zhì)量有關(guān)。滾動(dòng)體的固有頻率為

內(nèi)、外圈的固有頻率為

式中：r為滾動(dòng)體半徑；ρ為密度；E為彈性模量；n為固有頻率階數(shù)；a為套圈軸線到中性軸的半徑；I為套圈截面繞中性軸的慣性矩；m為套圈單位長(zhǎng)度的質(zhì)量。計(jì)算可得軸承各零件的固有頻率大多集中在20～60 kHz，該頻段內(nèi)易呈現(xiàn)故障特征。

滾動(dòng)軸承的振動(dòng)比較復(fù)雜，故障信號(hào)與正常信號(hào)之間差異很大。如果在運(yùn)動(dòng)界面存在缺陷，會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊，進(jìn)而引起多個(gè)頻率成分的疊加，6206深溝球軸承各零件的特征頻率見表3。

表3 6206深溝球軸承各特征頻率Tab.3 Characteristic frequencies of deep groove ball bearing 6206

3 軸承振動(dòng)特性試驗(yàn)

為準(zhǔn)確研究軸承對(duì)電動(dòng)機(jī)振動(dòng)特性的影響，搭建鼓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，在室溫條件下開展試驗(yàn)，系統(tǒng)研究電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、升速率、軸承保持架類型、預(yù)載荷和游隙對(duì)電動(dòng)機(jī)N 端軸承的振動(dòng)響應(yīng)。每次試驗(yàn)前均先將新軸承裝機(jī)磨合并冷卻至室溫，然后再開始試驗(yàn)。采用點(diǎn)溫槍監(jiān)測(cè)電機(jī)軸承的工作溫度，試驗(yàn)中電機(jī)軸承工作溫度在20～40 ℃表明潤(rùn)滑脂未失效。每組數(shù)據(jù)的采集時(shí)間為180 s。

3.1 試驗(yàn)臺(tái)

搭建的電機(jī)軸承振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)如圖4所示，硬件系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)變頻轉(zhuǎn)動(dòng)的A700 變頻器、采集振動(dòng)信號(hào)的數(shù)字采集器、數(shù)據(jù)采集模塊、三軸加速度傳感器以及傳感器電纜；軟件系統(tǒng)為針對(duì)NI系統(tǒng)硬件開發(fā)的多功能信號(hào)采集與分析的SignalPad測(cè)控軟件。

圖4 電機(jī)軸承振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)Fig.4 Vibration test bench for motor bearing

在N 端軸承端蓋上布置PCB 三軸加速度傳感器，用于測(cè)試軸承在x，y，z方向的振動(dòng)加速度。加速度傳感器的諧振頻率不小于25 kHz，有效值在1～10 kHz 范圍的分辨率為0.002 m/s2，線性度不大于1%，橫向靈敏度不大于5%，抗沖擊性為±68600 m/s2，溫度范圍為?54～121 ℃，采樣頻率為3200 Hz。

3.2 轉(zhuǎn)速對(duì)軸承振動(dòng)特性的影響

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)頻為50 Hz，即轉(zhuǎn)速為3000 r/min，運(yùn)行180 s時(shí)N端軸承垂向振動(dòng)加速度測(cè)試結(jié)果的幅頻如圖5所示，運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)頻為主，其與軸承的轉(zhuǎn)速及鋼球數(shù)有關(guān)，在定轉(zhuǎn)速下較均勻且穩(wěn)定；由于電動(dòng)機(jī)存在安裝誤差以及不對(duì)中現(xiàn)象，會(huì)包含少量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)頻的倍頻成分。

圖5 定轉(zhuǎn)速下6206軸承z向振動(dòng)信號(hào)特征參數(shù)Fig.5 Characteristic parameters of z?direction vibration signal of bearing 6206 under constant speed

對(duì)電動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速（1800，2100，2400，2700，3000 r/min）條件下N 端軸承3 個(gè)方向的加速度振動(dòng)有效值時(shí)域圖進(jìn)行處理，結(jié)果如圖6 所示：轉(zhuǎn)速對(duì)x方向振動(dòng)有效值的影響最大，對(duì)y方向振動(dòng)有效值的影響最??；隨著轉(zhuǎn)速的增加，振動(dòng)有效值不斷增大，說(shuō)明在轉(zhuǎn)速不斷升高的過(guò)程中未產(chǎn)生共振模態(tài)。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下6206軸承的振動(dòng)有效值Fig.6 RMS of vibration of bearing 6206 under different rotational speeds

3.3 升速時(shí)間對(duì)軸承振動(dòng)特性的影響

分別設(shè)置電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速勻速上升至3000 r/min的時(shí)間為10，20，30，40，50 s，軸承在x方向的時(shí)頻譜如圖7 所示，升速時(shí)間越長(zhǎng)，在升速階段產(chǎn)生的振動(dòng)峰值越高，升速率對(duì)振動(dòng)頻率無(wú)影響。

圖7 不同升速時(shí)間下6206軸承x方向振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻圖Fig.7 Time? frequency diagrams of x?direction vibration signal of bearing 6206 under different speed?up times

3 個(gè)方向的振動(dòng)有效值如圖8 所示：不同升速時(shí)間對(duì)軸承達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速后穩(wěn)定階段3 個(gè)方向的振動(dòng)有效值無(wú)明顯影響，在未到設(shè)定轉(zhuǎn)速前振動(dòng)有效值均達(dá)到最大。因此， 實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量減小電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間，從而降低加速過(guò)程中的振動(dòng)幅值，避免與其他零件產(chǎn)生共振。

圖8 不同升速時(shí)間下6206軸承穩(wěn)定階段振動(dòng)有效值Fig.8 RMS of vibration of bearing 6206 at stable stage under different speed?up times

3.4 保持架類型對(duì)軸承振動(dòng)特性的影響

設(shè)置電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3000 r/min，N 端軸承為CN 組游隙，預(yù)載荷為300 N，分別對(duì)裝配有鋼制沖壓保持架、尼龍保持架的軸承（圖9）進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。保持架材料不同主要體現(xiàn)在鋼球與保持架之間的碰撞力，鋼球在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與內(nèi)、外溝道接觸，保持架類型對(duì)振動(dòng)的影響可通過(guò)外圈進(jìn)行測(cè)量評(píng)估，故三軸加速度傳感器仍布置在外圈所在的軸承室上。

圖9 沖壓鋼保持架和尼龍保持架材料Fig.9 Stamped steel cage and nylon cage materials

試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示：尼龍保持架軸承的振動(dòng)有效值低于沖壓保持架軸承，x，y方向的振動(dòng)加速度有效值較z方向降低更顯著，分別降低了5.46%和13.4%。這是由于保持架的阻尼作用減小其與鋼球的碰撞，抑制了保持架振動(dòng)并使其運(yùn)轉(zhuǎn)更穩(wěn)定。

圖10 裝配不同保持架6206軸承的振動(dòng)有效值Fig.10 RMS of vibration of bearing 6206 with different cages

3.5 配置游隙對(duì)軸承振動(dòng)特性的影響

設(shè)置電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3000 r/min，預(yù)載荷為300 N，N 端軸承分別配置C2，CN，C3 和C4 組游隙進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，結(jié)果如圖11 所示，CN 游隙組軸承在3 個(gè)方向的振動(dòng)有效值最小。在徑向載荷作用下，軸承游隙過(guò)大，承載區(qū)會(huì)變小，承載的鋼球數(shù)較少，單個(gè)鋼球的承載較大，進(jìn)出承載區(qū)時(shí)易產(chǎn)生較大的振動(dòng)；軸承游隙過(guò)小，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)卡滯及異常振動(dòng)現(xiàn)象。因此，對(duì)于轉(zhuǎn)速不高的小型電動(dòng)機(jī)N端支承軸承，應(yīng)選擇CN游隙組。

圖11 不同游隙組下6206軸承的振動(dòng)有效值Fig.11 RMS of vibration of bearing 6206 under different clearance groups

3.6 預(yù)載荷對(duì)軸承振動(dòng)特性的影響

設(shè)置轉(zhuǎn)速為3000 r/min，N端軸承采用CN組游隙，D 端軸承采用波形彈簧墊圈預(yù)緊，通過(guò)增加不同的墊片厚度來(lái)調(diào)整預(yù)載荷（120，180，240，300，360 N）進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，結(jié)果如圖12所示：過(guò)小或過(guò)大的預(yù)緊均導(dǎo)致軸承的振動(dòng)有效值升高，不利于軸承穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)；預(yù)載荷對(duì)軸承z向振動(dòng)有效值的影響較大，對(duì)y向影響最小，這是由于預(yù)載荷增大使承載鋼球數(shù)增加，大大削弱了鋼球與保持架相互的推動(dòng)和碰撞。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并考慮預(yù)載荷對(duì)軸承壽命和發(fā)熱的影響，本文選擇300 N的預(yù)載荷。

圖12 不同預(yù)載荷下6206軸承的振動(dòng)有效值Fig.12 RMS of vibration of bearing 6206 under different preloads

4 結(jié)論

1） 電動(dòng)機(jī)在小于臨界轉(zhuǎn)速的工況下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)軸承的頻率以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)頻為主，x，y，z方向的振動(dòng)值隨著轉(zhuǎn)速的提高均增大，轉(zhuǎn)速對(duì)x方向的影響最大，對(duì)y方向的影響最小。

2） 為避免電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的振動(dòng)，應(yīng)盡量減小達(dá)到工作轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間。

3） 對(duì)于轉(zhuǎn)速不高的小型臥式電動(dòng)機(jī)，N 端軸承宜采用CN游隙組以減小振動(dòng)。

4） 相對(duì)于鋼制沖壓保持架，電機(jī)軸承采用尼龍保持架更有利于其穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

5） 存在一個(gè)最佳的預(yù)載荷使振動(dòng)有效值達(dá)到最小，過(guò)大或過(guò)小的預(yù)緊都不利于軸承的穩(wěn)定性。

電機(jī)軸承采用的是密封脂潤(rùn)滑，由于潤(rùn)滑脂的流變特性等因素也會(huì)對(duì)軸承的振動(dòng)特性有所影響，后續(xù)將考慮潤(rùn)滑劑的影響并進(jìn)行更深入的試驗(yàn)研究。