董振興
(佳木斯電機股份有限公司,黑龍江 佳木斯 154002)
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電機轉子在高速動平衡時發(fā)生的異常、分析及處理
董振興
(佳木斯電機股份有限公司,黑龍江 佳木斯 154002)
高速電機轉子運行轉速往往都超過1階、2階甚至更高階次的臨界轉速,為滿足其動平衡要求,經常需要進行高速動平衡。某一項目電機為高轉速、大功率電機,在進行高速動平衡時發(fā)生了異?,F(xiàn)象,本文對此異?,F(xiàn)象進行描述并對此問題進行分析,同時對后續(xù)處理過程及結果進行簡介。
電機轉子;高速動平衡;異?,F(xiàn)象;分析處理
某項目電機為高轉速、大功率變頻電機,具體參數(shù)如下:額定功率:4 500 kW;額定轉速:4 000 r/min;1階臨界轉速:3 000 r/min;超速試驗轉速:4 800 r/min;電機振動烈度:≤1.8 mm/s;動平衡精度要求:高速動平衡時在轉子支撐處測得的振動烈度<0.76 mm/s。從以上參數(shù)可以看出,此電機轉子運行在1階和2階臨界轉速之間,屬于柔性轉子。由于存在振型不平衡量且此電機對振動要求較嚴格,低速動平衡已不能滿足平衡精度要求,需進行高速動平衡。
2014年4月中旬,此電機轉子進行了高速動平衡,動平衡機選用德國申克公司生產的高速動平衡機DH6/DH3,平衡時轉子使用滑動軸承支撐,更接近實際工況。動平衡結果:額定轉速伸端振動值:0.404 mm/s,尾端振動值: 0.565 mm/s,平衡結果滿足要求,但平衡過程發(fā)現(xiàn)如下異?,F(xiàn)象:轉子在4 000 r/min長時間旋轉,伸端振動值會緩慢上升,繼續(xù)提升轉速準備做超速試驗,此時振動值會急速上升,到4 100 r/min時振動值瞬間由0.404 mm升至1.30 mm/s(詳見圖1),此趨勢十分危險,現(xiàn)場決定不繼續(xù)升速,取消超速試驗。從圖1可以看出,轉子升速至3 000 r/min附近出現(xiàn)一階臨界轉速,繼續(xù)升速至3 600 r/min,在此轉速之前的BODE圖曲線正常。但在3 600 r/min~3 900 r/min,紅色曲線(伸端)呈半圓凹狀,過渡較圓滑;藍色曲線(尾端)呈半圓凸狀,過渡較圓滑,此段曲線呈異常狀態(tài)。3 900 r/min~4 000 r/min,轉子幅頻曲線和相頻曲線呈錯位式變化,可以看出,轉子自身的固有特性已經發(fā)生了變化。
圖1 轉子動平衡BODE圖(2014年4月)Fig.1 Rotor dynamic balance BODE graph (April 2014)
發(fā)現(xiàn)異?,F(xiàn)象后,首先對轉子結構進行評估,篩選出可能發(fā)生此現(xiàn)象的原因。此轉子為懸臂結構,軸伸懸掛一圓盤,圓盤與軸伸采用1∶20錐面配合,過盈安裝(過盈量0.2 mm)。整體結構詳見圖2。由于轉子除軸伸懸掛圓盤結構較為特殊,其余結構與制造廠其他電機結構類似,故首先從圓盤處結構及其對整個轉子的影響進行分析并排除原因。
圖2 轉子結構圖Fig.2 Rotor structure diagram
2.1 排除是否由于圓盤振型所影響
高速動平衡廠家首先提出:此現(xiàn)象初步判斷為在4 000 r/min及以上轉速下,圓盤產生了彈性伸長變形,并隨轉速升高而變形越激烈,另外BODE圖中出現(xiàn)的“一階振型”也不是電機轉子的主振型,而是圓盤產生的局部“懸臂振型”。
對此轉子進行模態(tài)分析,提取一階振型詳見圖3。從圖3可以看出,一階振型確為懸臂振型。但此現(xiàn)象可以排除由彈性伸長變形及懸臂振型所引起,原因如下: a.從圖1中可以看出,4 100 r/min附近幅頻曲線變化趨勢為錯位上升狀,非峰值狀變化,相頻曲線呈錯位狀變化且錯位后相位轉向相反,從曲線形狀上看不像發(fā)生模態(tài)共振。b.每次高速動平衡超過4 000 r/min后,圓盤處不平衡量均發(fā)生變化,若僅為圓盤“懸臂振型”及彈性伸長變形所引起,振動趨勢會發(fā)生變化,但不平衡量不會發(fā)生變化。故可排除是由圓盤振型及彈性變形所影響。
圖3 一階振型示意圖Fig.3 Schematic diagram of first order mode
2.2 排除是否由于強度不足所影響
排除掉由于圓盤振型及彈性變形影響后,猜測是否由于轉子強度不足而引起了固有特性變化。查詢轉子各零部件的強度分析報告,發(fā)現(xiàn)設計時較保守,安全系數(shù)選取值較大。同時查詢轉子鐵心、護環(huán)在高速動平衡前、后的尺寸測量記錄,發(fā)現(xiàn)尺寸幾乎無變化(考慮測量誤差)。對護環(huán)表面進行無損檢測,也未發(fā)現(xiàn)裂紋等損傷。故可排除是由強度不足所影響。
2.3 排除是否由于配合方式所影響
查詢類似結構電機轉子的高速動平衡記錄,在2013年9月有一類似結構轉子進行了高速動平衡,功率、轉速與此項目轉子接近,同時軸伸懸掛一風機葉輪,葉輪與軸采用1∶20錐面過盈配合,但輪盤直徑較小且過盈量大于此轉子。從該轉子的高速動平衡BODE圖(詳見圖4)可以看出,平衡過程中未發(fā)生異常。
圖4 轉子高速動平衡BODE圖(2013年9月)Fig.4 Rotor high-speed dynamic balance BODE chart (September 2013)
此時,猜測發(fā)生異常的原因可能是圓盤與轉子之間的過盈量不足導致,故對此圓盤進行松脫位移計算,計算結果:4 000 r/min時配重盤處直徑分離量為0.23 mm,從計算結果上看,此轉速下圓盤與轉子已經發(fā)生松脫,與實際現(xiàn)象相符。
轉子返回制造廠后,將圓盤進行拆卸,拆卸后對圓盤、軸表面進行無損檢測,發(fā)現(xiàn)僅有輕微擦痕,未見其余損傷。通過圓盤松脫位移計算結果得知,在接近4 000 r/min時圓盤與軸將發(fā)生松脫,故確定修理方案:將圓盤與軸的過盈量加大至0.35 mm。由于圓盤與軸采用1∶20錐面過盈配合,故只需將圓盤推進量增大3 mm即可,同時將圓盤限位結構進行了更改。該項目電機轉子在過盈量調整后,經超速試驗、整機空載試驗、整機熱態(tài)試驗驗證,均未發(fā)生異常。
此電機轉子在高速動平衡時發(fā)現(xiàn)的異?,F(xiàn)象,經理論分析、工程驗證,確定為圓盤與軸過盈量不足導致。在后續(xù)其他類似結構轉子的制造過程中,可以有效避免類似異?,F(xiàn)象發(fā)生。
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[3] 鐘一諤.轉子動力學[M]. 北京:清華大學出版社,1987.
The abnormality, analysis and treatment of motor rotor
in high speed dynamic balance
DONG Zhen-xing
(Jiamusi Electric Co., Ltd., Jiamusi 154002, China)
High-speed motor rotor is often at more than one order, second order or even higher order critical speed so as to meet its dynamic balance requirements. The motor of a certain project is a high-speed and high-power motor, which has abnormality in the high-speed dynamic balance, this article describes and analyzes the phenomenon, and the follow-up process and the results were introduced.
Motor rotor; High speed dynamic balance; Anomaly phenomenon; Analysis and processing
2017-02-16
董振興(1985-),男,本科,中級工程師。
TM621
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1674-8646(2017)08-0104-02