李 昕
(湘潭電機(jī)股份有限公司特電研究所,湖南湘潭 411101)
電機(jī)作為機(jī)械電子產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)件,其振動(dòng)和噪聲大小反映了產(chǎn)品的性能好壞,電機(jī)噪聲也是衡量一個(gè)電機(jī)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品技術(shù)水平、質(zhì)量水平的重要指標(biāo)之一。作為電機(jī)生產(chǎn)廠家要滿足客戶對(duì)電機(jī)噪聲小的要求,如何解決電機(jī)噪聲問(wèn)題就自然成為電機(jī)制造行業(yè)特別關(guān)注的問(wèn)題。
本文主要介紹某大型直流電機(jī)在電磁方案設(shè)計(jì)不改變條件下,根據(jù)電機(jī)振動(dòng)、噪聲產(chǎn)生的機(jī)理,對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行測(cè)試分析,確定主要振動(dòng)噪聲源,然后根據(jù)對(duì)振動(dòng)噪聲影響較大的主要零部件如電機(jī)的刷桿及刷桿座的結(jié)構(gòu)分析、端蓋焊接及加工、風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡、電機(jī)總裝配、零部件加工等制造工藝采取有效措施,達(dá)到減小振動(dòng)、降低噪聲5~10dB的目的。
電機(jī)振動(dòng)分為電磁振動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)。其電磁振動(dòng)主要由電機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生隨時(shí)間和空間變化的徑向力,使定子鐵芯和機(jī)座隨時(shí)間周期性變形而引起振動(dòng);機(jī)械振動(dòng)包括由轉(zhuǎn)子不平衡引起的離心力所產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)和噪聲,軸承振動(dòng)噪聲,電刷與換向器滑動(dòng)接觸振動(dòng),受軸承振動(dòng)激發(fā)的端蓋軸向、徑向振動(dòng)等。另外在電機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)中存在風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)形成的氣體、渦流噪聲,風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)使冷卻氣體周期性脈動(dòng)或氣體撞擊障礙物產(chǎn)生的單頻噪聲,風(fēng)路中薄壁零件諧振或風(fēng)路設(shè)計(jì)不合理,也將產(chǎn)生噪聲。
為保證電機(jī)性能減小振動(dòng)和降低噪音,合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、制造工藝方法與零部件制造過(guò)程中的加工質(zhì)量決定電機(jī)的振動(dòng)與噪聲。除設(shè)計(jì)因素外,工藝水平的提高對(duì)電機(jī)振動(dòng)和噪聲的抑制起著重要作用。
2.1.1 刷架結(jié)構(gòu)改進(jìn)前測(cè)試情況及分析
我們對(duì)直流電機(jī)振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)各測(cè)點(diǎn)在不同工況下在某頻率點(diǎn)或頻率段振動(dòng)幅值的一些規(guī)律。其中刷架端測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅度最大值、次大值產(chǎn)生的頻率與電機(jī)換向片數(shù)有密切關(guān)系。如直流電機(jī)在100 r/min工況下,其刷架端的測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅度最大值、次大值的頻率為600 Hz和1200 Hz。600正好為直流電機(jī)轉(zhuǎn)速值100和換向片片數(shù)360的乘積除以60所得。并且換向器端振動(dòng)明顯大于非換向器端,據(jù)此我們將減小刷架的振動(dòng)作為減振降噪工作的重點(diǎn)研究方向之一。
2.1.2 刷桿座及刷桿結(jié)構(gòu)改進(jìn)、工藝研究情況
根據(jù)測(cè)試分析結(jié)論,我們對(duì)刷桿座及刷桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了工藝性改進(jìn)和研究,通過(guò)有限元計(jì)算等方法,對(duì)刷桿、刷架的強(qiáng)度進(jìn)行了核算,設(shè)計(jì)并制造了用于工藝研究的刷桿座和刷桿。工藝刷桿座和刷桿在原有基礎(chǔ)上增加了強(qiáng)度,增大了刷桿與刷桿座的接觸面積,增大了刷桿安裝孔距,從而使刷桿的安裝更加穩(wěn)固。將新制工藝刷桿座和刷桿裝配在直流電機(jī)上測(cè)試,其振動(dòng)加速度有明顯改善,振動(dòng)加速度級(jí)降低了4 dB左右。
2.1.3 電刷、刷盒結(jié)構(gòu)的工藝研究及測(cè)試情況
在工藝刷桿座和刷桿生產(chǎn)過(guò)程中,我們同時(shí)對(duì)電刷、刷握結(jié)構(gòu)進(jìn)行了工藝研究和測(cè)試。我們分別更換了各種不同型號(hào)的電刷和刷握進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試,其中采用的電刷有:D374(不帶橡膠減振墊)和D214(帶橡膠減振墊);采用的刷握有壓指結(jié)構(gòu)和恒壓彈簧結(jié)構(gòu)。通過(guò)交差測(cè)試對(duì)比,電機(jī)的振動(dòng)加速度沒(méi)有明顯差距,據(jù)此我們認(rèn)為電刷和刷握結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)的振動(dòng)加速度影響不大。
普通電機(jī)的機(jī)座、端蓋及電樞支架的焊接均采用普通焊條焊接,為達(dá)到降噪的目的,我們采用藥芯焊絲焊接方式。藥芯焊絲焊接可以減少大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形,減少其內(nèi)部應(yīng)力,減少焊接飛濺,改善焊縫成形,提高結(jié)構(gòu)件外觀質(zhì)量及焊縫的機(jī)械性能等。前期我們對(duì)普通鋼材(Q235)的藥芯焊絲焊接工藝進(jìn)行了研究,通過(guò)大量試驗(yàn),掌握了藥芯焊絲焊接普通鋼材的各種工藝參數(shù)及焊接技術(shù),同時(shí)在電機(jī)的零件上使用驗(yàn)證;后期開(kāi)展了電機(jī)機(jī)座、端蓋、電樞支架等結(jié)構(gòu)件藥芯焊絲焊接工藝研究,進(jìn)行了大量的樣件焊接試驗(yàn)。對(duì)不同牌號(hào)的材料(如35號(hào)鋼、鋼板Q235等)在不同狀態(tài)(如鍛件、鑄件、鋼板)、不同厚度采用藥芯焊絲焊接,通過(guò)大量試驗(yàn)和驗(yàn)證,掌握了電機(jī)結(jié)構(gòu)件材料在不同狀態(tài)、不同厚度下的藥芯焊絲焊接工藝參數(shù),并編制了焊接工藝守則。經(jīng)過(guò)機(jī)加工及試驗(yàn)驗(yàn)證,機(jī)座、端蓋及電樞支架等的焊接變形得到了有效控制,焊縫成形美觀,保證了機(jī)座、端蓋等結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。
為了分析端蓋加工尺寸分散性對(duì)整機(jī)振動(dòng)值影響,生產(chǎn)了兩件樣件端蓋,全部采用藥芯焊絲焊接,一方面對(duì)藥心焊絲焊接進(jìn)行了工程應(yīng)用驗(yàn)證;另一方面利用樣件端蓋增加了兩次電機(jī)裝配,充分開(kāi)展了裝配工藝研究;第三是開(kāi)展了加工尺寸分散性對(duì)整機(jī)振動(dòng)值影響分析研究,加工中對(duì)樣件端蓋止口等關(guān)鍵尺寸特意加工至上偏差或下偏差,分別進(jìn)行了裝配和振動(dòng)噪聲檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果無(wú)明顯差別,表明在圖紙要求尺寸范圍內(nèi),端蓋止口等尺寸的分散性對(duì)整機(jī)振動(dòng)值影響不大。
通過(guò)對(duì)直流電機(jī)三次解體更換端蓋、軸承座、彈性安裝,相應(yīng)的三次檢測(cè)結(jié)果僅相差約2-3 dB,相對(duì)已出廠的同型號(hào)五套產(chǎn)品相差約13 dB的較大分散性情況表明,本次直流電機(jī)裝配工藝研究是成功的。通過(guò)裝配工藝研究我們總結(jié)了引起振動(dòng)值分散的具體裝配因素,并形成了一系列工藝文件,確保后續(xù)產(chǎn)品裝配質(zhì)量滿足技術(shù)要求。
在減振降噪工藝研究中,新型材料的應(yīng)用研究也成為一個(gè)重要的研究方向。通過(guò)調(diào)研,我們選擇了一種新型材料——阻尼鋼板作為減振降噪應(yīng)用研究的對(duì)象。通過(guò)工藝、設(shè)計(jì)人員的調(diào)研和分析,首先在冷卻系統(tǒng)和刷架中實(shí)施了應(yīng)用性研究。我們制作了工藝研究用的一套冷卻系統(tǒng),在這套冷卻系統(tǒng)中底板和蝸殼等采用了阻尼鋼板制作,在刷架中增加了阻尼墊片,摸索出了阻尼鋼板焊接、折彎及加工的工藝方法。采用阻尼鋼板生產(chǎn)的一套冷卻系統(tǒng)因考慮到阻尼鋼板的使用壽命和加工工藝不成熟等因素,只做為工藝研究用。
通過(guò)對(duì)阻尼鋼板的應(yīng)用研究,雖然沒(méi)有大量應(yīng)用于產(chǎn)品上,但已基本掌握了阻尼鋼板的焊接、加工的工藝方法,為今后阻尼鋼板的應(yīng)用打下了一定的基礎(chǔ)。
沖片質(zhì)量的好壞將直接影響鐵心疊壓后的質(zhì)量。該電機(jī)在生產(chǎn)中,電樞、主極、換向極沖片均采用進(jìn)口數(shù)控沖床上沖制,沖制后增加去毛毛刺工序,同時(shí)為保證運(yùn)輸及疊壓,每一張扇形沖片均進(jìn)行編號(hào)并按順序疊放于專用工裝中。為保證電樞鐵心疊壓壓力和疊片數(shù)量的準(zhǔn)確性,沖槽之前,為確保電樞鐵心分段長(zhǎng)度的一致性,采取對(duì)電樞鐵心進(jìn)行全預(yù)疊的工藝,即對(duì)電樞鐵心全鐵心長(zhǎng)度進(jìn)行一次預(yù)先疊壓,保證每段鐵心長(zhǎng)度的一致性。同時(shí)鐵心疊壓時(shí)嚴(yán)格控制疊壓的壓緊力,并在疊壓后檢測(cè)鐵心尺寸及疊壓的松緊程度,保證了電樞鐵心的疊壓質(zhì)量。
換向器是由銅、鋼、云母等各種物理性質(zhì)差異懸殊的材料制成的,在長(zhǎng)期反復(fù)的溫度與離心力作用下,必須保持工作表面的幾何形狀不發(fā)生變形,同時(shí)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,電刷運(yùn)行時(shí)與換向器表面接觸是間斷性接觸,電刷從換向器接觸點(diǎn)滑入另一換向片的過(guò)程中,如果換向器倒角不夠圓滑,則會(huì)引起電刷跳動(dòng)增大,從而引起振動(dòng)偏大,同時(shí)換向器的表面局部圓度大也可能引起電刷跳動(dòng)過(guò)大,為此換向器生產(chǎn)過(guò)程中,采用專用工藝措施保證云母片完全收縮和云母膠硬化,使換向器成為一個(gè)堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定的整體,再將換向器進(jìn)行動(dòng)成型及超速試驗(yàn),依據(jù)離心力的作用壓緊,使換向器不致在運(yùn)行時(shí)發(fā)生突片現(xiàn)象。換向器加工時(shí),嚴(yán)格控制換向器工作表面的直徑、長(zhǎng)度等尺寸公差及外圓的圓度偏差,對(duì)表面換向器溝槽采取工藝措施進(jìn)行拋光處理。
該直流電機(jī)電樞鐵心重量大,為保證電樞的質(zhì)量均衡,設(shè)計(jì)要求單獨(dú)對(duì)電樞鐵心校平衡,以了保證旋轉(zhuǎn)件質(zhì)量的均衡,本電樞鐵心采用動(dòng)平衡方式平衡整個(gè)工件,為此根據(jù)電樞鐵心的結(jié)構(gòu)及動(dòng)平衡機(jī)的結(jié)構(gòu),專門設(shè)計(jì)并制造了電樞鐵心動(dòng)平衡用的假軸,為保證電樞鐵心在動(dòng)平衡試驗(yàn)過(guò)程中的準(zhǔn)確性,對(duì)假軸也進(jìn)行了單獨(dú)動(dòng)平衡試驗(yàn),電樞鐵心經(jīng)動(dòng)平衡試驗(yàn),其平衡精度等級(jí)滿足設(shè)計(jì)要求。
電機(jī)轉(zhuǎn)子的殘余不平衡量對(duì)電機(jī)振動(dòng)影響很大,為保證電樞質(zhì)量的均勻性,要求對(duì)電機(jī)電樞進(jìn)行動(dòng)平衡。
在電機(jī)制造過(guò)程中我們對(duì)轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞支架、換向器等的制造精度進(jìn)行控制,嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)軸加工過(guò)程中內(nèi)外圓粗糙度和同軸度;嚴(yán)格控制沖片制造過(guò)程中尺寸精度;嚴(yán)格控制鐵心疊壓過(guò)程中尺寸精度、鐵心重量、鐵心內(nèi)外圓的同心度及緊密度;嚴(yán)格控制支架焊接時(shí)焊縫質(zhì)量及筋條等分均勻;嚴(yán)格控制換向器制造中換向片的對(duì)稱性、換向片對(duì)軸中心線的平行度;嚴(yán)格控制電樞鐵心動(dòng)平衡的精度,這樣保證各零部件質(zhì)量均衡一致性,從而保證整個(gè)電樞的質(zhì)量較均衡。
為保證電機(jī)轉(zhuǎn)子的平衡,采取了電機(jī)試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡。其原理是:利用振動(dòng)測(cè)量方法,直接測(cè)量電機(jī)軸承座的振動(dòng)幅值和相位角,然后經(jīng)計(jì)算處理。在電樞校正平面上進(jìn)行平衡試驗(yàn),以得到電樞失重的質(zhì)量、大小和位移,然后相應(yīng)增、減平衡質(zhì)量,使電樞平衡失重減小,達(dá)到平衡的目的。
在進(jìn)行了多次振動(dòng)測(cè)試分析后,直流電機(jī)在同等運(yùn)行工況下在開(kāi)風(fēng)機(jī)與停風(fēng)機(jī)的不同狀態(tài)下,機(jī)腳振動(dòng)值約有(2-3)dB差別,從頻譜圖分析風(fēng)機(jī)軸頻影響較大,風(fēng)機(jī)的振動(dòng)經(jīng)機(jī)座傳遞至電機(jī)機(jī)腳,對(duì)電機(jī)整機(jī)振動(dòng)值影響較大,而要降低基頻振動(dòng)應(yīng)在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡上下功夫。在現(xiàn)有動(dòng)平衡設(shè)備基礎(chǔ)上,我們通過(guò)采取風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子單獨(dú)進(jìn)行動(dòng)平衡,風(fēng)機(jī)葉輪單獨(dú)平衡,最終轉(zhuǎn)子與葉輪裝配好后再一起進(jìn)行動(dòng)平衡。然后進(jìn)行通風(fēng)機(jī)組在額定工況時(shí)振動(dòng)測(cè)試,轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)平衡措施后通風(fēng)機(jī)振動(dòng)值降低了3 dB,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡后有效減小了整機(jī)振動(dòng)水平。
2.1 0.1 刷架系統(tǒng)裝配
為保證電刷在換向器圓周上受力均勻一致,設(shè)計(jì)了一套立式刷架裝配模(傳統(tǒng)的直流電機(jī)刷架裝配模均為臥式),模仿電機(jī)實(shí)際情況裝配好電刷,調(diào)整電刷彈簧壓力,嚴(yán)格控制電刷彈簧的壓力一致性,避免了常規(guī)刷架裝配裝上電刷后上、下半部彈簧壓力不一致的情況(裝配時(shí)調(diào)整刷架彈簧壓力,但實(shí)際裝上電機(jī)后,由于電刷、彈簧的自重影響,會(huì)出現(xiàn)實(shí)際施加在上、下半部電刷的壓力出現(xiàn)差值),從而減少了因電刷彈簧上、下半部壓力不一致而引起的振動(dòng)。
2.1 0.2 電刷磨合
電機(jī)運(yùn)行時(shí),由于電刷在換向器圓周表面的運(yùn)動(dòng)和間隙運(yùn)動(dòng),電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周,電刷就在換向器表面間歇運(yùn)動(dòng)N次(N為換向片數(shù)),電刷由換向溝槽進(jìn)入換向器表面,和從換向器表面滑出進(jìn)入換向器溝槽,電刷會(huì)產(chǎn)生跳動(dòng),引起振動(dòng),這與換向器表面粗糙度、換向器表面圓柱度、換向器溝槽倒角、電刷接觸面、電刷彈簧壓力等有關(guān)。
根據(jù)前期減振降噪研究的結(jié)果,電機(jī)運(yùn)行時(shí)電刷與換向器的接觸產(chǎn)生的噪聲是電機(jī)主要噪聲源之一,為此對(duì)電刷系統(tǒng)裝配、電刷磨合狀態(tài)進(jìn)行了專項(xiàng)研究。電機(jī)裝配完成后先對(duì)電刷進(jìn)行預(yù)磨,然后對(duì)電刷與換向器表面進(jìn)行通電運(yùn)轉(zhuǎn)磨合,對(duì)每個(gè)電刷進(jìn)行接觸面檢查,并對(duì)換向片工作區(qū)域邊緣毛刺進(jìn)行研修,保證其光滑圓順,振動(dòng)檢測(cè)前電機(jī)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間帶載磨合電刷,使電刷與換向器接觸面積達(dá)85%以上。
2.1 1.1 控制定、轉(zhuǎn)子鐵心軸向?qū)χ芯确治?/p>
電機(jī)裝配過(guò)程中,如果定、轉(zhuǎn)子鐵心縱軸面不對(duì)中,在電機(jī)運(yùn)行時(shí)將會(huì)產(chǎn)生附加的軸向電磁拉力,將對(duì)電機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生影響,為減少電機(jī)軸向拉力對(duì)電機(jī)振動(dòng)的影響,必須嚴(yán)格控制定、轉(zhuǎn)子鐵心的對(duì)中精度,盡量減少鐵心不對(duì)齊而產(chǎn)生的軸向附加電磁拉力。
在電機(jī)裝配時(shí),采用專用工裝通過(guò)移動(dòng)軸承座的方法調(diào)整電樞徑向?qū)χ校源艠O鐵心為基準(zhǔn),確定電樞鐵心軸向中心在磁極鐵心中心的對(duì)應(yīng)一致的位置上,盡量使兩端電樞鐵心外端面到磁極鐵心端面的距離相等,電樞鐵心中心線與定子磁極鐵心中心線基本重合;根據(jù)圖1所示檢測(cè)圓周上所標(biāo)尺寸C、D,使其差值均在1mm以內(nèi),保證定、轉(zhuǎn)子鐵心軸向?qū)χ芯取?/p>
圖1 定子轉(zhuǎn)子鐵心軸向?qū)χ?/p>
2.1 1.2 磁路系統(tǒng)主極、換向極的裝配工藝分析
定子磁路系統(tǒng)由主極、換向極在機(jī)座內(nèi)圓等分分布,用螺栓與機(jī)座緊固。為保證裝配后主極、換向極端面平齊在一個(gè)圓柱體內(nèi),裝配時(shí)采用專用測(cè)量工具,通過(guò)調(diào)整主極、換向極位置,使主極、換向極端面平齊度在 1mm以內(nèi),調(diào)整極間間距均勻度在 1mm以內(nèi),為控制其同軸度,先測(cè)量主極、換向極對(duì)徑尺寸,控制其偏差在0.25mm以內(nèi),同時(shí)磁路系統(tǒng)在主極、換向極裝配后上立車校同軸度,使電機(jī)主極、換向極極間距離和端面裝配的精度及同軸度均控制在要求范圍之內(nèi)。
2.1 1.3 電機(jī)氣隙均勻度的控制工藝分析
定、轉(zhuǎn)子氣隙均勻度好,將減少由于定、轉(zhuǎn)子不均勻而產(chǎn)生的徑向磁拉力的影響。在嚴(yán)格控制電樞和磁路系統(tǒng)主極鐵心同軸度外,電機(jī)裝配后,設(shè)計(jì)專用氣隙塞規(guī)檢查氣隙,根據(jù)氣隙檢查情況調(diào)整軸承座高度,從而調(diào)整電樞在定子內(nèi)的徑向位置,以保證電機(jī)氣隙符合均勻度要求,經(jīng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)都在要求范圍內(nèi)。
2.1 1.4嚴(yán)格規(guī)定電機(jī)總裝配關(guān)鍵位置連接螺栓擰緊力矩,保證螺栓擰緊力及均勻性
為保證電機(jī)裝配質(zhì)量一致性,減少人為因素引起電機(jī)裝配后分散性大的現(xiàn)狀,在電機(jī)總裝配過(guò)程中,編制了螺栓擰緊力矩表,除了對(duì)設(shè)計(jì)圖樣中規(guī)定的磁路系統(tǒng)的主極螺栓和換向極螺栓采用力矩扳手?jǐn)Q緊外,同時(shí)對(duì)關(guān)鍵位置如機(jī)座拼合面螺栓、端蓋止口螺栓、冷卻系統(tǒng)安裝螺栓、軸承座拼合面連接螺栓、機(jī)座地腳面與減振器連接螺栓等也用力矩扳手?jǐn)Q緊,實(shí)際操縱時(shí)嚴(yán)格按螺栓擰緊力矩表執(zhí)行后,很好的保證了關(guān)鍵位置螺栓聯(lián)結(jié)的擰緊力和擰緊力的一致性和均勻度。
通過(guò)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行工藝分析研究,采取一系列工藝措施后,電機(jī)按照現(xiàn)場(chǎng)彈性底座安裝的要求進(jìn)行彈性安裝試驗(yàn),總振級(jí)及各頻段振動(dòng)噪聲檢測(cè)結(jié)果均優(yōu)于考核指標(biāo),其中總振級(jí)比考核指標(biāo)低了3 dB,完全滿足直流電機(jī)使用要求。
通過(guò)進(jìn)一步研究零部件加工及添置高精度機(jī)加工設(shè)備及振動(dòng)噪聲檢測(cè)專用軟硬件,繼續(xù)進(jìn)行電機(jī)振動(dòng)噪聲檢測(cè)研究,掌握和提高振動(dòng)噪聲檢測(cè)分析能力,輔以加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)控及回用品控制的措施達(dá)到最終控制產(chǎn)品振動(dòng)噪聲離散性的目的,將會(huì)制造質(zhì)量更優(yōu)、性能更好的低噪聲的電機(jī)。
[1]劉云. 電機(jī)修理工手冊(cè). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1999.
[2]孫雪明. 電機(jī)負(fù)載噪聲測(cè)試與質(zhì)量改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn).電機(jī)技術(shù), 2001(3): 16-17.