大型電機(jī)端蓋式滑動(dòng)軸承的振動(dòng)特性研究

譚登洪，彭思思，張國兵

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

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大型電機(jī)端蓋式滑動(dòng)軸承的振動(dòng)特性研究

譚登洪，彭思思，張國兵

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

摘 要：本文針對(duì)大型電機(jī)端蓋式滑動(dòng)軸承，利用有限元法對(duì)其振動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值仿真分析。通過模態(tài)試驗(yàn)，對(duì)軸承的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別和提取，并驗(yàn)證了仿真模型和計(jì)算方法的合理性與有效性，進(jìn)而掌握了大型電機(jī)軸承的振動(dòng)特性及建模方法，為大型電機(jī)的低噪聲設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：端蓋式軸承 振動(dòng)特性 數(shù)值仿真 模態(tài)試驗(yàn)

0 引言

大型電機(jī)是電力能源生產(chǎn)部門和工業(yè)生產(chǎn)部門的重要設(shè)備，屬于應(yīng)用較為廣泛的傳動(dòng)機(jī)械，我國造船業(yè)發(fā)展需要低噪聲的大型推進(jìn)電機(jī)。但由于大型電機(jī)體積和功率較大，它們所引起的振動(dòng)和噪聲，不僅嚴(yán)重污染環(huán)境，造成對(duì)人體的危害，同時(shí)也影響到它所拖動(dòng)的生產(chǎn)設(shè)備的工作質(zhì)量和壽命，為此深入開展大型電機(jī)低噪聲設(shè)計(jì)研究也是滿足民用需求的重要研究課題之一。

大型交流電機(jī)結(jié)構(gòu)一般分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，而軸承是定子與轉(zhuǎn)子連接過渡的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，掌握其振動(dòng)特性對(duì)整個(gè)電機(jī)的低噪聲設(shè)計(jì)起著重要作用[1]。本文針對(duì)一臺(tái)大型電機(jī)的端蓋式滑動(dòng)軸承，通過數(shù)值仿真與模態(tài)試驗(yàn)相結(jié)合，開展端蓋式滑動(dòng)軸承的振動(dòng)特性研究，形成一種合理有效的電機(jī)軸承建模方法，為大型電機(jī)的低噪聲設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 軸承仿真模型的建立

電機(jī)軸承模型的建立包括幾何模型和有限元模型的建立，其中幾何模型包含零件結(jié)構(gòu)模型和總體裝配模型，有限元模型包含網(wǎng)格劃分和邊界條件的處理。利用三維建模軟件Pro/E建立電機(jī)軸承的三維幾何模型，利用具有強(qiáng)大前處理功能的Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后在ANSYS軟件中進(jìn)行邊界條件的處理，形成電機(jī)軸承有限元仿真模型。電機(jī)軸承仿真模型建立的具體流程如圖1所示。

為保證較高的計(jì)算精度，盡量保留軸承的所有幾何特征。但為了節(jié)省計(jì)算資源，對(duì)某些不影響軸承整體模態(tài)的特征可以作適當(dāng)簡(jiǎn)化。經(jīng)過適當(dāng)簡(jiǎn)化處理后的軸承幾何模型如圖2所示。

對(duì)電機(jī)軸承幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和基本參數(shù)的定義，進(jìn)而得到軸承的有限元網(wǎng)格模型。觀察電機(jī)軸承幾何模型可以發(fā)現(xiàn)，軸承沿其軸線方向和垂直軸線方向均關(guān)于幾何中心對(duì)稱。為了提高劃分網(wǎng)格的效率和保持其原有的對(duì)稱性，對(duì)軸承幾何模型進(jìn)行對(duì)稱切割，獲得1/2模型，對(duì)1/2模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后再作鏡像處理獲得整個(gè)軸承的有限元網(wǎng)格模型[2]。為提高有限元分析的計(jì)算精度和效率，全部采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖1 電機(jī)軸承仿真模型建立流程

圖2 軸承幾何模型

圖3 軸承有限元網(wǎng)格模型

電機(jī)軸承整體有限元網(wǎng)格單元尺寸主要為10～15 mm，單元數(shù)目共計(jì)56904，節(jié)點(diǎn)數(shù)目共計(jì)71419。檢查網(wǎng)格質(zhì)量得知，所有單元翹曲比均小于5，雅克比大于7，單元四邊形面最小角度為45°、最大角度為135°，由此說明軸承有限元網(wǎng)格模型具有比較好的網(wǎng)格質(zhì)量。

2 參數(shù)定義與邊界處理

對(duì)有限元網(wǎng)格模型，需定義的基本參數(shù)主要有單元類型、材料屬性等。針對(duì)六面體網(wǎng)格，可采用一次單元類型Solid185，具有較好的求解性能。不同零件的參數(shù)定義如表1所示。

表1 軸承有限元模型參數(shù)定義

在電機(jī)軸承結(jié)構(gòu)的裝配中，上軸承蓋和下軸承座是通過螺栓連接的，其連接根據(jù)螺栓壓縮錐原理將螺栓孔壓縮錐區(qū)域的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行剛性耦合處理[3,4]；軸瓦組件亦是通過螺栓連接的，螺栓連接處理與之類似，與上軸承蓋和下軸承座之間處于間隙配合狀態(tài),沿圓周方向分別進(jìn)行全部和部分節(jié)點(diǎn)剛性耦合兩種處理。氣封罩和油封罩是通過螺栓連接固定在上軸承蓋和下軸承座兩端的，在螺栓孔壓縮錐區(qū)域進(jìn)行節(jié)點(diǎn)剛性耦合處理，中間隔有墊片。進(jìn)行邊界處理后的模型如圖4所示。

圖4 邊界處理后的模型

3 軸承振動(dòng)特性仿真結(jié)果

通過自由模態(tài)分析，可以了解電機(jī)軸承固有的振動(dòng)特性，主要包括固有頻率和模態(tài)振型。從仿真結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，軸承主體結(jié)構(gòu)的振型主要表現(xiàn)為徑向和軸向的多階振動(dòng)，其固有頻率均超過1500 Hz。頻率較高的原因在于軸承內(nèi)部的軸瓦具有較高剛度，與軸承蓋和軸承座之間屬于緊密配合。提取四階主要模態(tài)，其固有頻率和振型如圖5所示。

圖5 四階主要模態(tài)振型及其固有頻率

4 試驗(yàn)與驗(yàn)證

通對(duì)電機(jī)軸承進(jìn)行模態(tài)測(cè)試和分析，進(jìn)一步掌握電機(jī)軸承結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，同時(shí)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)采用比利時(shí)LMS公司的數(shù)采設(shè)備及配套測(cè)試軟件，搭建電機(jī)軸承模態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)，如圖6所示。

圖6 軸承模態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)

本試驗(yàn)采用錘激法進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，考慮到該軸承結(jié)構(gòu)的剛度較大，其固有頻率較大，故選用鋼材質(zhì)的硬錘頭進(jìn)行敲擊[5]。為了掌握軸承結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，試驗(yàn)中將軸承用彈性軟繩懸吊起來，以模擬自由狀態(tài)，進(jìn)行自由模態(tài)測(cè)試。

對(duì)于振型變形方向較為單一的區(qū)域可以只布置單軸加速度傳感器，而對(duì)于振型較為復(fù)雜的區(qū)域需布置三軸加速度傳感器，這樣可以在不影響試驗(yàn)效果的情況下提高試驗(yàn)效率。根據(jù)仿真計(jì)算的初步分析結(jié)果得知，軸承蓋和氣封罩的各階模態(tài)振型主要表現(xiàn)為徑向變形，而油封和軸承座的模態(tài)振型較為復(fù)雜，故布置響應(yīng)測(cè)點(diǎn)時(shí)，對(duì)于軸承蓋和氣封罩區(qū)域只布置沿徑向方向的單軸加速度傳感器，而軸承座和油封區(qū)域布置三軸加速度傳感器。測(cè)點(diǎn)布置方案如圖7所示，測(cè)點(diǎn)總計(jì)344個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖7 測(cè)點(diǎn)布置方案

通過LMS Test.Lab中的Modal Analysis模塊對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別和提取。在整個(gè)頻帶內(nèi)（0～4096Hz），軸承頻響函數(shù)和如圖8所示。提取與上述仿真結(jié)果振型一致的四階模態(tài)，其振型與固有頻率如圖9所示。

圖8 軸承頻響函數(shù)和

試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)應(yīng)的同階模態(tài)固有頻率對(duì)比情況如表2所示。從兩者的對(duì)比來看，相對(duì)誤差都不超過4%，處于工程誤差范圍內(nèi)。因此，從工程角度來說，仿真計(jì)算的準(zhǔn)確度是可以滿足要求的，進(jìn)而驗(yàn)證了仿真模型及其方法的可行性和有效性。

圖9 四階主要模態(tài)振型及其固有頻率

表2軸承各階模態(tài)固有頻率計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比情況

5 結(jié)論

本文利用有限元法對(duì)大型電機(jī)端蓋式滑動(dòng)軸承進(jìn)行建模與模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)軸承主體結(jié)構(gòu)的振型主要表現(xiàn)為徑向和軸向的多階振動(dòng)，其固有頻率均超過1500 Hz。通過對(duì)軸承進(jìn)行自由模態(tài)試驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真模型和計(jì)算方法的合理性與有效性，進(jìn)而掌握了大型電機(jī)軸承的振動(dòng)特性及建模方法，為大型電機(jī)的低噪聲設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

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Research on the Vibration Behavior of an End Bracket Type Bearing of A Large Electric Machine

Tan Denghong,Peng Sisi,Zhang Guobing
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China)

Abstract：In this paper,the vibration behavior of an end bracket type bearing of a large electric machine is simulated by using finite element method.By modal test,the modal parameters of the bearing are identified and achieved,and the validity and effectiveness of simulation model and calculation method are verified.The vibration behavior and modeling method of an end bracket type bearing of the large electrical machine are successfully achieved,which will lay the foundation for the low noise design of large electric machine.Keywords：end bracket type bearing; vibration behavior; numerical simulation; modal test

作者簡(jiǎn)介：譚登洪（1964-）男，高級(jí)工程師。研究方向：電氣工程。

收稿日期：2015-09-16

中圖分類號(hào)：TM303

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）02-0001-03