某型11kW/2級感應(yīng)電機轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)動力特性研究

金國鑫

(佳木斯電機股份有限公司,黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

旋轉(zhuǎn)類機械設(shè)備動力特性分析主要包括:振動控制、剛度分析、阻尼分析、穩(wěn)定性設(shè)計以及整體動力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)化構(gòu)建。分析的方法主要分為基于分析力學(xué)基礎(chǔ)的解析結(jié)算法、機械阻抗分析法、有限數(shù)值方法等幾類,上述方法對應(yīng)著不同的應(yīng)用場合,有著自己的適合場景。在對感應(yīng)電機轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)進行動力特性分析時,關(guān)鍵需要考慮幾點:包括徑向軸承的支撐特性(以滑動軸承為例需要考慮軸承的動壓潤滑特性)、電磁與結(jié)構(gòu)耦合特性、流體與結(jié)構(gòu)耦合特性(動密封特性、流體水力特性)等影響力源因素。由于本文工程案例感應(yīng)電機作為風(fēng)機及水泵類輸入的前置端,因此,未考慮水力與轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)耦合特性對動力特性的影響。本文將此為基礎(chǔ)建構(gòu)轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)分析模型,通過有限差分方法對系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)進行求解,分析剛度、阻尼以及質(zhì)量分布特性對振動的影響,以軸承及軸系系統(tǒng)的動態(tài)系統(tǒng)的計算結(jié)果作為開展后續(xù)振動控制工作的方向,并為同類型旋轉(zhuǎn)類設(shè)備提供振動控制方面的依據(jù),有一定的工程借鑒意義。

1 動力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的搭建

通過上文分析,感應(yīng)電機作為單體前置端時,分析軸系時需主要考慮職稱軸承的剛度與阻尼等參數(shù),同時也需要將不同工況參數(shù)下的上述納入分析范圍內(nèi),如圖1所示,描述了轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)支撐形式(兩端臥式支撐)與狀態(tài)(集中質(zhì)量與慣量分布在兩軸承之間),系統(tǒng)有兩側(cè)軸承、基礎(chǔ)、等效輪盤等主要子構(gòu)建構(gòu)成。

同時在分析整個軸系動力振動傳遞控制時,為完成動力方程的解耦需將坐標系轉(zhuǎn)換(如圖2所示),α、β、δ分別表示兩坐標系的歐拉角。

圖2 動力系統(tǒng)振動傳遞控制時的坐標變換關(guān)系

作為感應(yīng)電機轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)的關(guān)鍵件,需進一步探究兩端軸承的動力支撐特性。如圖3所示,每個徑向軸承承受感應(yīng)電機軸系向下合力(是氣隙不均勻產(chǎn)生的電磁力、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動不平衡力以及動密封產(chǎn)生的液膜力的合成)。

圖3 上導(dǎo)軸承二維模型圖

剛度與阻尼系數(shù)的求解過程一般為,通過幾何關(guān)系與力的離散化處理,借助于雷諾方程求解出徑向軸承潤滑系統(tǒng)的靜態(tài)特性(膜厚分布與壓力分布),以此為基礎(chǔ)再求解出系統(tǒng)剛度與阻尼[1]。

2 某型感應(yīng)電機軸承系統(tǒng)的計算與分析

根據(jù)本文工程案例,軸承結(jié)構(gòu),建立軸承動壓潤滑的幾何關(guān)系,如圖4所示感應(yīng)電機潤滑軸承包括“通直(直槽)”流道與“螺旋(斜槽)”流道合并組成,此結(jié)構(gòu)可進一步降低潤滑介質(zhì)流經(jīng)軸承的流阻進而提供介質(zhì)對軸承的冷卻性能,同時,因為槽的存在破壞了潤滑的“圓周”特性,也提高了轉(zhuǎn)子遠行的穩(wěn)定性。

圖4 感應(yīng)電機滑動軸承動壓潤滑的幾何結(jié)構(gòu)

本文通過數(shù)值方法求解定常雷諾方程,給初始條件與相應(yīng)的邊界條件后,為保證軸承的可靠運行選取了,低速工況(1950rpm)、額定工況(2930rpm)、高速工況(3450rpm)、超高速極限工況(4050rpm)等對軸承動壓特性進行了求解,計算分析結(jié)果見表1。

表1 單一轉(zhuǎn)速下的剛度和阻尼陣

從表1結(jié)算結(jié)果可以看出,隨著轉(zhuǎn)速工況轉(zhuǎn)速載荷的增加動力系數(shù)剛度與阻尼均有整體下降的趨勢,但降幅不明顯,說明在以上幾種工況范圍內(nèi),軸承的剛度與阻尼基本在一個小范圍內(nèi)波動,保證了軸系的穩(wěn)定運行。

3 某型感應(yīng)電機軸系動力特性分析研究

現(xiàn)以軸承動力特性分析結(jié)果為基礎(chǔ),對整個軸系的轉(zhuǎn)子動力特性進行分析研究。根據(jù)本文轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點,軸系由轉(zhuǎn)軸、飛輪、徑向支撐的水潤滑上、下導(dǎo)軸承、軸向止推軸承等組件構(gòu)成。由于各種組件的材料不同,材料密度、彈性模量等特性具有較大的差異,給轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性的分析增加了很大困難,無法采用常規(guī)的轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析程序進行計算。因此,需將該轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)進行簡化,但要同時保證軸系的動力學(xué)特性不發(fā)生改變,故按照轉(zhuǎn)子的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量和彎曲剛度等效的原則,將電機轉(zhuǎn)子簡化為實心的規(guī)則轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)子,然后對簡化后的轉(zhuǎn)子進行仿真分析。

按照有限元方法建模原則,如圖5所示,并結(jié)合該轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點,點和節(jié)點劃分,節(jié)點選在各軸段(或軸套)的端點位置上,由于中間的部分存在不同材料,為此結(jié)合實體建模與經(jīng)驗公式相結(jié)合對該段轉(zhuǎn)子進行等效。

圖5 感應(yīng)電機軸系等效模型

以上文不同工況下剛度與阻尼特性參數(shù)作為輸入,感應(yīng)電機軸系進行轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析計算,求解出感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子各階臨界轉(zhuǎn)速,如圖6所示。

圖6 某型感應(yīng)電機軸系坎貝爾圖

從圖6計算結(jié)果看以看出,感應(yīng)電機軸系的前兩階臨界轉(zhuǎn)速分別為4180rpm與6045rpm,均超過其超高速運行工況(極限運行工況),轉(zhuǎn)子的設(shè)計可以滿足安全可靠運行要求。

4 結(jié)語

本文對某型11kW/2級感應(yīng)電機轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)進行了分析與研究,首先對轉(zhuǎn)軸軸系的動力系統(tǒng)的模型進行了構(gòu)建,然后從具體軸承的動壓潤滑幾何結(jié)構(gòu)入手對軸承的動力特性進行了計算、分析、研究,再次此基礎(chǔ)完成了感應(yīng)電機轉(zhuǎn)軸軸系的動力學(xué)分析,計算結(jié)果說明轉(zhuǎn)軸軸系的剛度特性參數(shù)、阻尼特性參數(shù)以及軸系的動力特性,可以滿足感應(yīng)電機軸系的安全可靠遠行條件。