基于ANSYS Workbench 的水輪發電機碳刷刷握振動特性分析

聶云鋒

（三峽大學機械與動力學院，湖北 宜昌 443002）

0 引言

水輪發電機碳刷/集電環主要用于傳導勵磁電流為轉子繞組提供勵磁所需磁場。碳刷與集電環相對滑動時，由于轉子在制造與安裝時其重心與旋轉中心存在一定的偏心距，所以轉子在旋轉時會存在偏心擺振，刷握在此偏心擺振的影響下會產生振動和變形，影響碳刷與集電環接觸的穩定性，進而會導致碳刷磨損加劇、打火等問題，大大降低了碳刷與集電環的使用壽命。因此對碳刷刷握進行振動特性的分析是有必要的。

在國內外的研究中，涉及水輪發電機碳刷刷握的相關研究很少。文獻[1～2]對水輪發電機碳刷/集電環常見故障進行了分析，發現碳刷打火現象的發生，部分原因是由于碳刷壓力不均，與集電環接觸不穩定、振動加劇而導致的接觸面局部溫升造成的，而刷握的振動會導致恒壓彈簧局部失效，出現碳刷壓力不均勻的現象。

基于此，本研究利用有限元分析的方法對刷握的振動特性進行了研究。對其進行了模態分析與諧響應分析，得到了前六階模態頻率與振型和應力、應變—頻率曲線。為水輪發電機碳刷刷握的設計與優化提供了理論參考。

1 刷握結構與工作原理

水輪發電機碳刷刷握由刷盒和恒壓彈簧兩部分組成，結構如圖1 所示。恒壓彈簧由薄的彈簧鋼片卷曲成多個同心圓組成，通過鉚接安裝在刷盒的一端，用來為碳刷提供穩定的壓力。刷盒采用壓鑄工藝制成，其材料為鋁合金，經測量其內腔尺寸為35 mm×38 mm×50 mm（長×寬×高）。碳刷采用間隙配合安裝在刷盒里，二者之間的間隙要適宜，間隙過小，阻礙了碳刷在刷盒內運動的靈活性，可能會導致碳刷出現卡塞、折斷的現象；間隙過大，碳刷在刷盒內出現松動，會導致振動加劇[3]。經查閱相關文獻發現，碳刷與刷盒之間的間隙最佳為0.1 mm。碳刷一端通過恒壓彈簧提供壓力保持與集電環的穩定接觸。恒壓彈簧的壓力應控制在一定范圍內，壓力過大或過小都會影響碳刷與集電環的接觸穩定性[4]，加速碳刷的磨損。

圖1 刷握結構

2 刷握有限元分析

2.1 模型的建立和網格的劃分

利用UG10.0 軟件建立刷握三維模型，忽略各邊倒角。然后將三維模型導入到ANSYS Workbench 軟件中進行有限元分析。刷握材料與相關參數見表1。采用四面體網格劃分方法對刷握進行網格的劃分，劃分網格后產生45 004 個單元和78 273 個節點。

表1 刷握材料參數

2.2 約束和載荷的施加

刷握是固定安裝在水輪發電機機架上的，故在刷握底端施加固定約束。碳刷通過恒壓彈簧的壓力保持與集電環的穩定接觸，由于恒壓彈簧是安裝在刷盒上的，故刷盒會受到一個恒壓彈簧的反作用力，作用點在刷盒頂端卡口處。

水輪發電機轉子在偏心旋轉時會產生偏心振擺，在碳刷接觸面會存在偏心振擺力，此力經過恒壓彈簧最終作用在刷握上，以轉子旋轉一周為周期按正弦規律變化，在此周期性變化載荷的影響下，刷握會產生一定的動態響應，故在刷握受力面施加F=Asinωt的正弦激振力。振幅A的大小根據恒壓彈簧剛度K和偏心距e計算得到，如式（1）所示。

2.3 刷握模態分析

利用ANSYS Workbench 軟件對刷握進行約束狀態下的模態分析，得到了刷握前6 階模態頻率與振型，見表2。

表2 約束狀態下刷握前6 階模態頻率與振型

由表2 可知，刷握固有頻率最低階頻率為360.81 Hz，最高階頻率為2 462.90 Hz，容易出現振動的部位主要集中在刷盒頂部和端面及兩側面。

由圖2 可知，刷握主要應力集中在刷盒與下支撐件的連接處，此處應力值為。

圖2 刷握應力分布云圖

2.4 刷握諧響應分析

在水輪發電機組運行的過程中，在轉子周期性振擺力的作用下，刷握會產生一定的動態響應，當刷握的固有頻率與轉子振擺力頻率相近或相同時，二者就會產生共振，極大地影響碳刷/集電環的摩擦磨損特性。

根據刷握前六階模態頻率范圍，取諧響應分析頻率范圍為01600，取32 個頻率點結果，輸入Solution Intervals 為32，分析得到刷握諧響應分析結果如圖2 所示。

從圖3 可以看出應力響應和應變響應在頻率450 Hz 附近響應點出現顯著變化。由此可見，在頻率為450 Hz附近時，結構可能會出現共振的現象，其中在頻率為450 Hz附近變化更明顯。在頻率450 Hz 附近刷握應力分布云圖如圖4 所示，由圖可知，在頻率450 Hz 時刷握最大應力分別為2.640。說明如果結構在此頻率下發生共振則會產生較大的應力與變形，對刷握結構會產生一定的破壞，對碳刷/集電環運行的穩定性產生極大地影響。

圖3 諧響應分析結果圖

圖4 頻率450 應力分布云圖

當刷握出現振動時，會導致碳刷在集電環環面產生振動[5]，當系統長期周期性運行時，由于振動的產生會導致恒壓彈簧出現疲勞斷裂失效，進而出現壓力不足，導致碳刷與集電環接觸不穩定、產生碰撞，甚至出現嚴重的打火事故。

3 結論

（1）通過對刷握進行模態分析，得到了刷握前六階的模態頻率與振型，發現刷握最薄弱的部位出現在刷盒與下支撐件的連接處，此處應力比較集中，所以在設計時應適當加強此位置的強度。

（2）通過對刷握進行諧響應分析，得到了刷握應力、應變—頻率曲線，發現在頻率450 Hz 附近應力、應變響應變化明顯，與刷握第二階模態固有頻率474.05 Hz比較接近，由此說明該階模態對刷握結構的振動影響較大，容易出現共振的現象，在實際工作中應盡量避免該頻率段。