低支撐剛度轉子系統的設計分析

董振興，吳洪穎

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

0 引言

目前大功率、高轉速電動機應用需求日益廣泛，而其運行時振動大的問題一直難以解決。從使用角度考慮，對大型、高轉速電動機的振動烈度要求嚴于普通電動機。因為高轉速下劇烈的振動會加劇軸承磨損、降低電動機壽命，還會降低其從屬設備系統的整體壽命。

影響電動機振動的因素很多，其中之一就是轉子系統自身的激振。為減少轉子系統的激振，生產過程采取很多措施，如避免轉子發生彎曲共振(平常所說的電機一階臨界轉速)、減少轉子不平衡量、提高加工精度、裝配精度等，而當轉子系統的支撐剛度很低的時候，轉子系統的振型會發生改變。

1 低支撐剛度轉子系統的振型特點

大型、高轉速電動機由于其旋轉線速度高，軸承處發熱嚴重，軸承設計的間隙較大，支撐剛度較低，此時轉子系統的振型將發生改變，會出現一個平動和擺動的振型，如圖1 所示。

圖1 轉子系統在不同支撐剛度下的振型圖

2 低支撐剛度轉子系統的設計

轉子系統設計時應綜合考慮多方面影響，避開各種不利因素。

2.1 考慮支撐剛度變化

對于同一轉子來說，臨界轉速隨著支撐剛度變化而改變。從圖1 可以看出:左側低支撐剛度下一次彎曲振型和右側高支撐剛度下的一次彎曲振型振動形式相同，但轉速數值相差很多。

對于一般滾動軸承和滑動軸承，支撐剛度較高(約為108～109N/m)，傳統計算方法不考慮軸承支撐特性，或者按支撐剛度很高對轉子系統進行計算，再留出一定的設計裕度，則可以滿足生產制造要求。

而對于支撐剛度低的滑動軸承和磁懸浮軸承，由于其支撐剛度低(約為105～107N/m)，振型發生改變，使得轉子系統復雜化，傳統設計方法不能滿足生產制造要求。

2.2 考慮不同振型

在轉子系統支撐剛度較低時，出現了兩種不同的振型:平動及擺動。與彎曲振型不同，平動和擺動發生時不會對軸本身產生很大的破壞，其相當于軸承自身發生共振。但此時振動烈度、撓度都會很大，對于軸承乃至整個設備系統來說是很不利的，設計時同樣應予以避免。

3 應用實例

3.1 電動機參數

某立式高轉速電動機及其軸承參數如表1、表2 所示。

表1 某立式高轉速電動機參數

表2 某立式高轉速電動機軸承參數

3.2 計算分析

考慮此電動機軸承X 方向支撐剛度較低，可能會出現平動、擺動振型。為盡量減少電動機運行中出現任何不利情況，采用有限元方法對轉子系統進行分析計算，計算模型如圖2 所示。

圖2 轉子有限元計算模型

通過計算，此電動機轉子在軸承X 方向確有平動、擺動振型發生，如圖3、圖4 所示。

圖3 有限元分析結果(平動振型)

圖4 有限元分析結果(擺動振型)

不考慮陀螺效應，對不同轉速所對應的不同支撐剛度進行多次迭代計算，計算結果如表3 所示。

表3 轉子平動、擺動振型計算結果

考慮陀螺效應，重新進行迭代計算，計算結果如表4 所示。

表4 轉子平動、擺動振型計算結果

3.3 轉子測試

此電動機轉子轉速較高(轉子表面線速度最高可達150m/s)，為盡量提高轉子的動平衡精度，此電動機進行高速動平衡校核，同時對轉子運行狀態進行實際測試。測試設備選用轉子高速動平衡儀器，測動平衡時可同時監測軸承處振動數值及振動角度。由于電動機軸承不能安裝在此測試儀器上，現場另外配做了一套軸承用于平衡，其支撐剛度略低于電動機軸承，現場測試時模擬實際運行的軸承距，如圖5 所示。

圖5 轉子測試設備

經過測試，轉子在0 ～4800r/min 的振動曲線如圖6 所示(圖中橫坐標為轉速，上半部分縱坐標為振動烈度;下半部分縱坐標為振動角度)。

圖6 轉子振動測試曲線

圖6 可以看出，轉子在接近2 100r/min 時振動角度發生突變，振動烈度突然增高，而此振型頻段很窄。分析此情況，認為這是軸承自身發生了異常(平動振型共振)，而轉子沒有發生彎曲共振，此現象發生的轉速與表4 中計算結果(2 380.97r/min)接近。轉子在4 500 ～4 800r/min 時振動烈度呈上升趨勢，但并沒有發現異常振動。由于轉子存在剩余不平衡量，轉速越高，產生的不平衡激勵也會更大。由于測試條件所限，僅繪制了4 800r/min 以下的振動曲線。

3.4 結果差異分析

設計過程中采用有限元方法計算結果為2 380.97r/min(平動振型)，而實際測試結果約為2 100r/min，分析差異產生主要原因:計算方法差異、測試誤差及測試過程中軸承與實際使用的軸承不同。因測試時采用的軸承缺少具體的支撐特性，不能對計算方法進行完全驗證，所以只能采用電動機實際應用的軸承進行整機測試，以對設計方法進行驗證。

4 整機振動測試

電動機裝配后進行整機振動測試，試驗時分別測量不同轉速下電動機的振動。轉速在2 400r/min附近時，電動機振動烈度達到最大值為4.6mm/s;轉速在4 000r/min 時，電動機振動烈度值為2.1mm/s。

5 結語

(1)通過計算分析，對滑動軸承(支撐剛度較低)支撐的轉子系統在低轉速(2 400r/min)時振動大(4.6mm/s)的現象進行了合理的詮釋。

(2)通過計算分析及試驗驗證，避免電動機發生一種不利運行的工況。

(3)通過試驗，對計算方法進行了驗證，計算偏差小于1%。

［1］ JB/T 6443—2006 石油、化工和氣體工業用軸流、離心壓縮機及膨脹機-壓縮機.

［2］ 李隆年，王寶玲，周汝潢.電機設計.北京:清華大學出版社，1992.