電機機座螺栓結合面振動特性研究

夏雪寶，向 陽，萬俟昊天，劉 輝

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢430063)

螺栓結合面是非常普遍的機械結構連接形式，它使得機械結構不再具有連續性，因而螺栓結合面對機械結構的振動特性有很大的影響。由于結合面存在著接觸剛度和接觸阻尼，因此從力學的角度分析結合面問題，認為其與機械結構的靜態特性、振動特性存在著十分密切的關系［1-2］。電機機座主要由端蓋和圓筒組成，它們之間通過螺栓連接，存在螺栓結合面。因此研究不同螺栓結合面參數(螺栓預緊轉矩、表面粗糙度、螺栓個數、表面加工方式)，對電機機座振動特性的影響規律有重要意義。同時，準確的螺栓結合面有限元建模方法，可為電機進行有限元分析奠定基礎。

1 電機機座模態試驗方案確定

某典型電機機座與底座是用6個橡膠隔振器相連，機座圓筒與端蓋之間是通過12個螺栓相連，見圖1。由于底座與地基固定，且底座剛性很大，減振器剛度相對較小，可認為底座與地基連為一體，視為剛體，不發生振動。

通過設計不同結合面參數下電機機座模態試驗方案，并對比分析試驗結果，從而確定電機螺栓結合面參數對電機振動特性的影響。以電機機座為對象確定的試驗方案見表1。表中端蓋a、b、c與圓筒配合的表面加工方式為車削，表面粗糙度分別為Ra=3.2、6.3、12.5μm，端蓋d表面加工方式為磨削，表面粗糙度Ra=1.6μm，端蓋e表面加工方式為銑削，表面粗糙度為Ra=3.2μm。機座圓筒表面加工方式為車削，其表面粗糙度為Ra=3.2μm。

圖1 機座彈性連接實物示意

表1 電機機座模態試驗方案

2 電機機座模態測試系統搭建

通過對電機機座進行模態分析［3］來研究螺栓結合面參數對電機模態的影響規律。模態試驗是通過對實際結構的振動測試，識別振動系統的模態參數。實際操作過程中在試件上各點人為的施加激勵，同時測量其響應，由此求出試件上各點的傳遞函數并最終計算出模態參數的方法是為試驗模態分析。本試驗采用比利時LMS公司的硬件和軟件，搭建測試平臺，試驗系統結構見圖2。

圖2 測試系統結構

3 電機機座模態試驗結果對比分析

通過表1可知，試驗編號為1～4的試驗可以確定不同端蓋螺栓預緊轉矩對電機機座模態的影響規律。表中100%螺栓預緊轉矩為376 N·m，試驗測得不同預緊轉矩下機座前10階固有頻率見表2。

表2 機座固有頻率隨端蓋螺栓預緊轉扭的變化

對比各階模態固有頻率可以得出:預緊轉矩為100%、50%時，機座各階模態固有頻率差別不大;預緊轉矩為25%、10%時，固有頻率較前2種狀態有少許下降，且所能識別的相同的模態變少。

試驗編號為1、5、6、7的試驗可以確定不同螺栓個數對電機機座模態的影響規律。其中，端蓋螺栓數為8、6、4時，是通過對稱拆卸端蓋螺栓來實現的。試驗編號為1、8、9、10的試驗可以確定不同端蓋表面粗糙度對電機機座模態的影響規律。同樣，對比試驗編號為1和11的試驗結果可以確定相同粗糙度下，車削和銑削這兩種加工方式對電機機座模態的影響規律。試驗測得試驗編號為1和5～11的機座固有頻率見表3和表4。

對比試驗編號為1、5、6、7的結果可知，隨著端蓋預緊螺栓數量的減少，機座固有頻率呈略微下降的趨勢;對比1、8、9、10、11可知，端蓋表面粗糙度和加工方式對機座的模態幾乎沒有影響。

表3 機座固有頻率隨端蓋螺栓個數的變化

表4 機座固有頻率隨表面粗糙度和加工方式的變化

4 電機機座仿真模態分析

4.1 建模方法介紹

根據德國標準VDI2230可知螺栓連接件在連接件之間會形成一個如圖3所示的45°壓縮錐。螺栓預緊力在壓縮錐以內可認為是均勻分布，壓縮錐在結合面處形成圓環區，圓環內結合面的面壓相等。

由于預緊力的作用，在壓縮錐(如圖4陰影部分所示)內會產生強大壓力，由試驗模態分析結論可知，當預緊轉矩較大時，螺栓預緊轉矩對機座模態影響甚微。因此對螺栓結合面有限元建模時，可以將壓縮錐區域建立成剛性區域，對于螺栓頭和螺母的作用區域內的節點(1、2、3、4、5和20、21、22、23、24，等)以中心節點為主節點用RBE2連接。對于結合面處，則分別以中心節點9和16(9和16為同一節點，即上下結合面以中心同一節點為主節點)為主節點，圓環內節點(6～12等和13～19等)為從節點建立RBE2單元，壓縮錐以外的結合面建立接觸單元。

4.2 試驗與仿真結果對比

根據圖紙建立電機機座有限元模型，并采用Ansys對電機機座進行仿真模態分析。所得前5階固有頻率與試驗結果對比，并計算相對誤差，見表5。前1、2、5階振型對比也如圖5和圖6(影藏端蓋)。試驗結果為安裝a/a端蓋，12個螺栓，100%螺栓預緊轉矩時的模態數據。

表5 電機機座試驗與仿真模態對比

對比前5階電機機座試驗與仿真模態可知:前5階固有頻率相差較小，誤差都小于5%，滿足工程需要;與對應的機座模態振型也十分吻合。

5 結論

1)端蓋螺栓預緊轉矩較小時，機座固有頻率隨預緊轉矩增大而緩緩增大，當預緊轉矩較大時，螺栓預緊轉矩對機座模態影響甚微;

2)隨著端蓋預緊螺栓數量的減少，機座固有頻率呈略微下降的趨勢;

3)端蓋表面粗糙度和加工方式對機座的模態幾乎沒有影響;

在100%螺栓預緊轉矩時，采用基于德國標準VDI2230的螺栓結合面建模方法，可較好仿真電機機座螺栓結合面的振動特性。

［1］張學良，徐格寧.機械結合面靜動態特性研究回顧及展望［J］.太原重型機械學院學報，2002(9):276-281.

［2］張學良.機械結合面動態特性及應用［M］.北京:中國科學技術出版社，2002.

［3］曹樹謙，張文德，蕭龍翔.振動結構模態分析［M］.天津:天津大學出版社，2001.