角磨電機轉子的振動優化設計

李波波 陳再良

摘? ?要：電動工具電機的振動，對操作者身體健康，工作效率和安全性等影響很大。本文在進行角磨振動測試的基礎上，提出以電機轉子固有頻率為目標函數的自動計算優化。結合某型角磨振動系統，通過Excel編程，求解電機系統的固有頻率，從而最高效便捷的完成角磨振動優化設計。實際制作安裝后進行測試，角磨整體振動由原設計的4.5m/s2降低到1.5m/s2，提高了操作舒適性。

關鍵詞：角磨轉子? 固有頻率? Excel編程? 優化設計

中圖分類號：TH113.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）11（c）-0113-02

Abstract： Vibration effect of the power tool had a strong influence on the consumers health， the working efficiency and safety. The article proposed an automatic optimization design method for rotor system. The natural frequency parameters of rotor system were obtained by Excel program， and the goal of vibration decreasing was achieved.

Key Words： Grinder Rotor; Natural Frequency; Excel programming; Auto-optimizing Design

電動工具在使用過程中，產生的振動對人體會造成很大的傷害[1]。其中控制電機振動最重要的是結合機器運轉速度來避開轉子的共振。因此，能夠快速準確的計算出轉子固有頻率顯得尤為重要。目前，很多研究者對轉子固有頻率的計算進行了研究設計：張春良[2]提出了一種新的計算系統一階固有預率的近似方法;周叮將參數優化與瑞雷法相結合，迭代求解系統的各階固有頻率和振型，可達到任意要求的精度;然而目前轉子的固有頻率多通過實驗來獲取，即使采用有限元方法也很難將實際制造過程中繞組，滴漆等工藝的具體影響考慮在內，因而無法得到準確的計算結果。

1? 原角磨振動評價

1.1 角磨振動評價原理

振動是通過加速度來表示的，單位為米每秒平方? ? ? （m/s2）。EAV是歐洲標準中用于評價用戶每日可以操作手持式工具的時間，其公式如下：

EAV=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

ah即為手傳振動加權后的振動值。由公式可知，當ah數值小于2.5m/s2時，用戶可以每日操作480min（即8h），所以我們期望我們所設計的角磨振動小于2.5m/s2。

1.2 原角磨振動測試

振動測量三向均方根值4.5m/s2超過設計預期2.5m/s2，為了查明振動大的原因，進一步對機器進行掃頻測試。掃頻結果如圖1所示。

拆機后取出轉子，對其進行掃頻分析，從轉子掃頻結果可知，轉子的固有頻率為630Hz，貼近機器的共振點。所以可以判斷共振是由轉子導致，因此需要優化轉子結構，提高轉子剛度。

2? 轉子固有頻率優化設計

2.1 理論計算公式

對于無阻尼單自由度系統而言，其固有頻率計算公式如下[4]：

（2）

由公式可知，固有頻率只受剛度分布和質量分布的影響，所以提高固有頻率主要從這兩方面入手。根據材料力學，我們知道剛度公式如下：

（3）

而極慣性矩I的計算如下：

（4）

2.2 優化設計

將轉子系統的關鍵影響因子-轉子軸徑，轉子疊片內外徑和長度，絕緣管厚度，軸承支撐間距，滴漆工藝等參數考慮在內。根據固有頻率的理論計算公式得到如下的固有頻率快速計算方法。

2.3 新轉子設計

結合實際應用，為了節省模具更改帶來的成本增加和工作量，所以期望在最小變動，成本相對耗費少的基礎上來提高系統剛度。因此我們采取以下兩種措施：其一將轉子軸直徑增加1mm，其二改變疊片和轉子軸之間的連接剛度-將絕緣管優化為注塑工藝。

優化后，轉子固有頻率由601Hz提高到791Hz。

為了進一步驗證設計表格的準確性，再次對新設計的轉子采取掃頻測試，新轉子掃頻測試結果為795Hz，與固有頻率理論計算值791Hz極為接近，所以進一步驗證了固有頻率計算方法的準確性。

將新設計轉子裝機并進行振動測試，得到振動值為1.5m/s2，為原設計振動的1/3，滿足了<2.5m/s2設計要求。

3? 總結

（1）提出了基于實驗分析的角磨轉子固有頻率優化設計方法，并驗證了此方法的準確性。

（2）全新設計（增加1mm轉子軸徑以及提高軸與疊片連接剛度）將振動值降低為原來的1/3，提高了操作舒適性。

參考文獻

[1] 朱強， 秦泳元. 人體工程學與電動工具[J].電動工具，2005（2）：1-10.

[2] 張春良.一種計算固有頻率的新方法[J].設計-計算，1995：24-27.