變頻電機底座共振模態分析及改造案例

王江

摘 要：電機廣泛使用在機電領域，共振現象時有發生，危害極大。設備現場電機和底座發生共振，借助有限元軟件和三維建模軟件，從多種改造方案中選出最優方案，并現場改造，成功消除共振。

關鍵詞：電機；底座；共振；模態分析；改造

中圖分類號：TH122 文獻標志碼：A

0 引言

電機共振是機械和電氣領域常見現象，共振會影響電機的正常運行，降低電機使用壽命，并且帶來振動、噪聲和效率降低。

某設備使用大型變頻電機，通過電機底座固定在基礎上，在設備運行時電機振動明顯。利用有限元軟件對該電機及底座進行模態分析，確定為發生共振。用三維軟件建立原設備仿真模型，并加入多種底座的改造方案，再用有限元分析，確定最優的改造方案。設備現場按最優方案進行改造，共振消除。

1 現場振動情況及振動測量

電機空載，在較高轉速時振動明顯，拾取變頻器頻率和振動傳感器信號，如圖1所示。

圖表說明：橫坐標為時間，縱坐標為幅值；藍線為電機輸入頻率，紅線、綠線為電機前后軸承附近振動值。

空載時，振動信號在變頻40Hz（電機額定50Hz，1494r/min）附近發生振幅明顯提高，經分析為共振現象，共振頻率為20Hz。

帶負載運轉測試，電機部分在變頻46.8Hz時振動明顯，共振頻率為23.3Hz，共振頻率發生上移，可能是電機受聯軸器反作用力影響，本身固有激振頻率改變。

2 計算機模型振動仿真

按原圖紙建立三維模型，進行模態分析，前10階模態見表1。

電機作為振動源，轉子受軸承約束繞軸心旋轉，激振方向主要是徑向，即電機左右擺和上下振；根據經驗，電機的共振主要在激振頻率和二倍頻時出現，即23.3Hz和46.6Hz。

通過模態分析，底座加電機的第一階固有頻率（圖2）與現場共振相符，53.3Hz與激振二倍頻46.6Hz相差14.4%，且振動形式相符，兩者之間的誤差應該是由模型及約束條件與實際不完全相符造成。

3 電機底座改造方案

經過近10種改進方案的對比，確定了最優的方案，模型如圖3所示，改進思路如下（下文提到的固有頻率都是一階左右擺振型的固有頻率）：

（a）原模型的左右擺（下同）固有頻率為53.3Hz；

（b）按照常規方法加固的頻率為63.3Hz；

（c）在常規加筋基礎上增加兩對X型斜筋，固有頻率為86.4Hz；

（d）X型斜筋換成V型斜筋，V底增加地腳孔，固有頻率為81Hz；

（e）由于X型筋或V型筋施工難度大，換成兩塊貫通上下層的厚豎筋，固有頻率為88.6Hz；

（f）在此基礎上，增加上層水平橫筋，固有頻率為91.7Hz；

經過對比，確定最終改造方案f，固有頻率由53.3Hz提高到91.7Hz，避開了倍頻和二倍頻范圍（0Hz～50Hz）。

4 現場改造及效果

現場改造時，共增加鋼板約70塊。改造后，電機空轉，拾取變頻器頻率和振動傳感器信號，如圖4所示。

與改造前測振曲線對比，同樣測試條件下，電機全頻率范圍內的共振消失。

帶負載運行，全頻率范圍內電機都沒有出現振動強烈的情況，現場人員也確認，改造后變頻器46.8Hz時的共振消失，運行過程中的振動也明顯減輕。

結語

隨著設備的大型化，底座剛度卻提升不足，造成個別設備發生共振問題。經有限元軟件仿真分析，確定了電機及底座存在共振。

通過設計優化及仿真，確定了較好的結構改進方案，現場進行改造施工，運行效果滿意，共振消除。

這件案例的成功解決，為我們積累了此類問題的處理方法，同時，也從設計上加強了底座的剛度，根除了共振的可能。

參考文獻

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