蔣章方 鄧堪誼

摘 要：附著式振動器由于偏心塊、附著重量、物料屬性等的存在，將其電機(jī)設(shè)計問題復(fù)雜化。筆者結(jié)合多年的工作體會，就激振力與電機(jī)額定功率的關(guān)系、附著式振動器總體設(shè)計特點、溫升計算要點、滾動軸承可靠性計算等問題進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：附著式振動器；振動電機(jī)；電機(jī)設(shè)計；技術(shù)特點

1 引言

當(dāng)三相交流異步電動機(jī)的軸承兩端配置上偏心質(zhì)量（俗稱偏心塊）時，它將成為工業(yè)應(yīng)用中一種最重要的振動源——振動電機(jī)。在混凝土施工工藝中，當(dāng)將底板或梁加在振動電機(jī)底腳部位時，稱之為平板振動器；當(dāng)附著在模板或輸送帶、振動篩分等設(shè)備上做振動時，稱為附著式振動器。附著式振動器結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用廣泛、品種繁多。附著式振動器需要在振動加速度幾倍甚至十幾倍重力加速度的條件下工作，因此，其設(shè)計不同于普通電動機(jī)。關(guān)于附著式振動器的設(shè)計特點，有關(guān)文獻(xiàn)在電磁設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、偏心塊設(shè)計方面有專門的論述。筆者根據(jù)近年來的工作體會，就以下幾個方面的問題做初步探討：

（1） 激振力與電機(jī)額定功率的關(guān)系；

（2） 附著式振動器總體設(shè)計特點；

（3） 溫升計算要點；

（4） 滾動軸承可靠性計算。

2 激振力與電機(jī)額定功率的關(guān)系

激振力與電機(jī)額定功率之間的關(guān)系是長期困擾混凝土振動器行業(yè)的問題。我們知道，有了激振力和振動頻率等基本參數(shù)，就可算出偏心體質(zhì)量與偏心距的乘積，但偏心體質(zhì)量未知，它與電機(jī)直徑密不可分，因此與電機(jī)額定功率有關(guān)，即首先需確定電機(jī)的功率。電機(jī)額定功率取決于激振力大小，既然難以確立定量關(guān)系，比較實際的辦法是根據(jù)現(xiàn)有成熟產(chǎn)品參數(shù)分段給出合適參量，然后算出與激振力對應(yīng)的電機(jī)額定功率值。

比如，國內(nèi)某廠家附著式振動器的激振力與對應(yīng)的電機(jī)額定功率見表1。

建立如下數(shù)學(xué)關(guān)系：

PN=0.102·Cs·Fmax（1）

其中：PN—電機(jī)額定功率，kW；

Fmax—空載最大激振力，kN；

Cs—參量系數(shù)。

Cs與Fmax之間的關(guān)系如下：

（1） Fmax≤7，Cs=1.3；

（2） 7＜Fmax≤11，Cs=1.1；

（3） 11＜Fmax≤40，Cs=1.0；

（4） 40＜Fmax≤60；Cs=0.9；

（5） Fmax＞60；Cs=0.85。

上述采用簡單對照法，用曲線擬合法構(gòu)造 PN=f（Fmax）的函數(shù)曲線，再用拉格朗日一次插值法就可以根據(jù)激振力的大小估算電機(jī)的額定功率。如此計算的結(jié)果，可作為給定激振力粗略確定出電機(jī)的額定功率，但精確的計算有待電磁計算后確認(rèn)。

3 附著式振動器總體設(shè)計特點

3.1振動器軸承配合的特點

普通電機(jī)軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸是過盈配合（相對靜止），而軸承外圈與端蓋是間隙配合（相對運(yùn)動）。振動電機(jī)卻恰恰相反，軸承外圈與端蓋是過盈配合，而軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸是間隙配合。

這是因為普通電機(jī)軸承端受徑向（如皮帶輪負(fù)荷）拉力，其位置、角度不隨時間而變化。軸承外圈受力點位置相對固定，只有較松配合才能分散外圈受力點，軸承內(nèi)圈不存在這個問題因而配合較緊。而振動電機(jī)，軸承動負(fù)荷來自偏心塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的激振力，其位置、角度與軸承內(nèi)圈相對固定，而軸承外圈受力點是散開的。所以軸承外圈與端蓋應(yīng)該是過盈配合，軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸之間與一般電機(jī)相比配合較松?！皟?nèi)松外緊”是附著式振動器軸承配合的特點。

3.2電磁參數(shù)特點

振動電機(jī)最大特點是機(jī)械損耗大，又沒有風(fēng)扇，僅靠自然散熱冷卻。由此引發(fā)的一系列問題，應(yīng)盡可能降低損耗、增強(qiáng)電機(jī)內(nèi)部導(dǎo)熱能力、加大表面散熱面積，以利控制產(chǎn)品溫升。

附著式振動器電機(jī)與普通電機(jī)相比，具有如下特點：

（1） 電機(jī)氣隙長度δ增大20%～30%；

（2） 減小電磁負(fù)荷A、B，線負(fù)荷A降低10%，磁負(fù)荷B降低12%；

（3） 定子電流密度控制在3～4A/mm2；

（4） 定子繞組并聯(lián)支路數(shù)a=1，以消除磁路不對稱的影響；

（5） 采用轉(zhuǎn)子直槽，以改善起動性能，必要時可采用閉口槽，以降低附加損耗，前提是起動轉(zhuǎn)矩要有余量；

（6） 鑄鋁轉(zhuǎn)子可做脫殼處理，即鑄造后工件迅速放入冷水中，以使鑄鋁導(dǎo)條與轉(zhuǎn)子槽壁產(chǎn)生輕微裂縫，降低橫向電流引起的損耗。

3.3其他注意事項

（1） 精心設(shè)計機(jī)殼表面散熱筋的形狀，并盡可能增加數(shù)量，如強(qiáng)度允許機(jī)殼和端蓋可用傳熱更好的鋁合金材料；

（2） 7.5kW以上振動電機(jī)可采用端罩開孔的辦法，利用偏心體旋轉(zhuǎn)（似風(fēng)扇）作用加強(qiáng)散熱；

（3） 底腳平面粗糙度6.3級以上，平面度9級以上，底腳安裝螺栓8.8級以上，以保證安裝牢固可靠。

4溫升計算要點

電機(jī)溫升計算誤差較大，其原因為計算前的假定和計算公式、計算方法與實際熱場分布存在較大差異，即使采用熱場法計算也必定是有限元的，仍與實際有一定差別。

溫升計算方法很多，有簡易熱路法、網(wǎng)格熱路法、有限元法以及利用相似原理計算溫升的所謂回歸法等等。熱路法、有限元法涉及的邊界條件較多，方法繁雜，且往往與實際情況存在較大差別。在系列電機(jī)的設(shè)計中，基于相似性原理，利用回歸法計算溫升是一種簡便而又實用的方法。

附著式振動器電機(jī)是密閉自冷式電機(jī)，其熱量從電機(jī)內(nèi)部散發(fā)到周圍介質(zhì)中去，主要通過兩種方式：一是輻射；二是對流。但當(dāng)振動電機(jī)工作時，由于激振力的作用產(chǎn)生振幅，電機(jī)表面與周圍介質(zhì)熱交換主要依靠強(qiáng)制對流，輻射散熱嚴(yán)重弱化。依據(jù)牛頓散熱定律：

q=a·(θ1－θ2)（2）

其中：q—熱流密度，w/mm2；

a—散熱系數(shù)，w/mm2·K，即當(dāng)表面與周圍介質(zhì)的溫差為1K時，在單位時間內(nèi)由單位表面散發(fā)到周圍介質(zhì)的熱量；

θ1—電機(jī)（機(jī)座）的溫度；

θ2—空氣（周圍介質(zhì)）的溫度。

首先，選取與擬設(shè)計計算電機(jī)機(jī)座相近、材料和極數(shù)相同的現(xiàn)有振動電機(jī)，計算出其散熱表面積S1，提取試驗的損耗和P1、繞組溫升K1、熱負(fù)荷Δ1；其次，依據(jù)擬設(shè)計計算的振動電機(jī)尺寸計算出散熱表面積S2，提取電磁計算的損耗和P2，假設(shè)繞組溫升K2、熱負(fù)荷Δ2；最后，依據(jù)上述條件做收斂計算，當(dāng)P2/S2≤P1/S1時，則K2≈K1，最終確定Δ2。回歸法計算溫升比較簡單，特別適用于相似系列電機(jī)的設(shè)計估算。

此外，在附著式振動器電機(jī)溫升計算中，由于軸承損耗可達(dá)電機(jī)總損耗1/3以上，而軸承損耗又難以準(zhǔn)確計算，由此大大增加了附著式振動器電機(jī)溫升計算的復(fù)雜性及不確定性。盡管如此，在新品開發(fā)設(shè)計中溫升計算仍不失其指導(dǎo)意義。在普通電機(jī)設(shè)計階段，主要是繞組溫升的計算，對附著式振動器電機(jī)還有軸承的損耗計算。

Pf = 1.05·μ·F·D·N·10－6（3）

其中：Pf —軸承摩擦損耗，W；

μ—軸承滾動摩擦系數(shù)，可保持架的向心滾子軸承μ= 0.0011；

F—激振力，N；

D—軸承內(nèi)徑，mm；

N—電機(jī)轉(zhuǎn)速， r/min。

式（3）為軸承受力等同激振力的普通電機(jī)的軸承摩擦損耗計算公式，附著式振動器電機(jī)的相應(yīng)計算應(yīng)乘以大于1的系數(shù)。

5 滾動軸承可靠性計算

滾動軸承可靠性壽命分為基本額定壽命和實際額定壽命?；绢~定壽命用公式（4）計算，實際額定壽命用公式（6）計算，后者在前者基礎(chǔ)上連乘三個系數(shù)，分別為可靠性系數(shù)、軸承制造材料及制造工藝系數(shù)、使用狀況系數(shù)。工程設(shè)計時一般是先初選軸承型號然后進(jìn)行核算。有時也可按安裝部位、負(fù)荷、使用性質(zhì)及可靠性壽命指標(biāo)預(yù)先計算軸承尺寸，然后在系列規(guī)格中選取。

國標(biāo)GB6391-86（等同國際標(biāo)準(zhǔn)）規(guī)定，滾動軸承或軸承組的基本額定壽命為可靠性90%時的壽命，它以軸承工作表面出現(xiàn)疲勞剝落之前所完成的轉(zhuǎn)速，或一定轉(zhuǎn)速下的工作時間數(shù)來計算。這時（對向心滾子軸承），

L10=（C/P）10/3·106r（4）

C=fc(iLwecosα)7/9Z3/4Dwe29/27（5）

式中：L10—軸承的基本額定壽命；

C—軸承的額定動負(fù)荷，N；

P—軸承的當(dāng)量動負(fù)荷，N； 對于向心滾子軸承P= Fmax/Nz， Fmax——最大激振力，N；Nz——單臺電機(jī)安裝軸承數(shù)；

fc—查表2；

i—滾動體列數(shù)；

Lwe—滾子長度，mm；

α—公稱接觸角（向心滾子軸承α=0）；

Z—單列軸承滾動體數(shù)或多列軸承中每列滾動體數(shù)；

Dwe—滾子直徑，mm。

實際軸承規(guī)定可靠性90%時的額定壽命為：

Lna=α1·α2·α3·L10（6）

其中：α1—為（100－n）%可靠性系數(shù)，n=1～5時；

α1=4.48[Lna(100/R)]2/3（7）

R—可靠度值R=（100–n）或查表3。

α2反映制造軸承原材料和制造工藝的系數(shù)，α2可以大于1、小于1 或等于1，對向心滾子軸承推薦值 α2=1。α3與軸承潤滑、軸承工作溫度和軸承工作轉(zhuǎn)速有關(guān)，如果軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時或瞬間滾動體與滾道直接接觸、工作溫度過高時，α3＜1； 當(dāng)軸承工作條件極為有利時，可取α3＞1，一般取α3=1； 對于使用向心滾子軸承的振動器電機(jī)，最大取α3=1，一般取α3＜1。

國內(nèi)建筑用振動器軸承L10=8000h，國外報道無振幅運(yùn)行（即置于足夠大剛性基礎(chǔ)上）時，軸承壽命不低于10000h。

例如，NJ416軸承：額定動負(fù)荷C=285kN，當(dāng)量動負(fù)荷 P=Fmax/Nz=63kN/2=31500N，n=3000r/min，則該軸承基本額定壽命L10=（C/P）10/3·106r=（285000/31500）10/3×106r=1543.3×106r=8573.8h＞8000h。

請注意，該軸承工作轉(zhuǎn)速已等于允許極限轉(zhuǎn)速3000 r/min。

可見，NJ416軸承正常情況下能滿足可靠性90%的壽命要求。換句話說，軸承過早損壞，說明它的工作環(huán)境、工作狀況很不正常，故需對包括軸承在內(nèi)進(jìn)行全面考察分析研究。

6 結(jié)語

附著式振動器由于偏心塊、附著重量、工作物料屬性等的存在，極大地改變了電機(jī)的負(fù)載特性，將其設(shè)計復(fù)雜化。當(dāng)前，100Hz的附著式振動器由于效率高，振搗表面質(zhì)量好而備受市場關(guān)注。但由于高頻損耗的存在，軸承轉(zhuǎn)速的限制，其設(shè)計將比工頻以下的電機(jī)具有更大的挑戰(zhàn)性。

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工程學(xué)會2009年學(xué)術(shù)年會.