王 林， 韓玉穩(wěn)， 趙彥鵬， 董應(yīng)明

（云南省機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/云南省先進(jìn)制造技術(shù)研究中心，云南 昆明 650031）

0 引言

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)電動(dòng)機(jī)低振動(dòng)、低噪聲要求越來越迫切。 組成電動(dòng)機(jī)的各重要零部件,其動(dòng)態(tài)特性與電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲有著密切關(guān)系。 為此,分析電動(dòng)機(jī)的模態(tài)參數(shù),對(duì)提高電動(dòng)機(jī)的性能有很大的作用。 本文電動(dòng)機(jī)殼體為矩形焊接結(jié)構(gòu)，殼體開孔多,筋板分布復(fù)雜，剛度、質(zhì)量分布不均勻。使用力錘通過瞬態(tài)錘擊法對(duì)電動(dòng)機(jī)殼體進(jìn)行激振，采用最小二乘復(fù)指數(shù)法識(shí)別模態(tài)參數(shù)，得出準(zhǔn)確的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。分析得出電動(dòng)機(jī)振動(dòng)、噪聲大的主要原因和電動(dòng)機(jī)殼體的薄弱環(huán)節(jié)，為電動(dòng)機(jī)減振降噪及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有力的理論支持。

1 模態(tài)試驗(yàn)運(yùn)用簡(jiǎn)述

模態(tài)試驗(yàn)對(duì)于研究機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性、了解結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義， 是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備故障診斷的重要方法。 模態(tài)分析最終目標(biāo)是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

模態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用可歸結(jié)為以下幾個(gè)方面：

（1）評(píng)價(jià)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

（2） 在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的預(yù)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（3）診斷及預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障。

（4）控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲。

（5）識(shí)別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷。

2 大型高壓三相異步電動(dòng)機(jī)模態(tài)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容及目的

對(duì)某型號(hào)大型高壓三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行模態(tài)測(cè)試和空運(yùn)轉(zhuǎn)絕對(duì)振動(dòng)測(cè)試， 提出可以降低電動(dòng)機(jī)殼體振動(dòng)速度的模態(tài)識(shí)別參數(shù)， 為生產(chǎn)廠家對(duì)電動(dòng)機(jī)殼體的優(yōu)化提供理論與數(shù)據(jù)支持。

2.2 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象為某型號(hào)大型高壓三相異步電動(dòng)機(jī)， 電動(dòng)機(jī)為變頻高壓電機(jī)，額定電壓10kV，額定功率1120kW。電動(dòng)機(jī)自由放置在測(cè)試平臺(tái)上， 與測(cè)試平臺(tái)之間墊有橡膠墊，不固定，見圖1。

圖1 大型高壓三相異步電動(dòng)機(jī)

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

通過B＆K8207 力錘進(jìn)行激振，B＆K4506B 三向加速度傳感器獲得響應(yīng)信號(hào)，使用B＆K3660C 數(shù)據(jù)采集前端采集數(shù)據(jù)，PULSE 分析軟件完成整個(gè)分析過程。

2.4 試驗(yàn)方案

（1）技術(shù)路線。 電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)路線如圖2所示。

（2） 試驗(yàn)方案。建立電動(dòng)機(jī)的幾何模型，對(duì)電動(dòng)機(jī)均勻布點(diǎn)。 均勻布點(diǎn)具有不易漏掉關(guān)鍵模態(tài)，模態(tài)振型可辨識(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 采用錘擊法對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行激振與測(cè)試，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量三向動(dòng)態(tài)響應(yīng)，將測(cè)試得到的激勵(lì)點(diǎn)信號(hào)與各響應(yīng)點(diǎn)的頻響函數(shù)（FRF） 數(shù) 據(jù) 導(dǎo) 入PULSE-Reflex 后處理軟件中進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別。

電動(dòng)機(jī)共布置128 個(gè)測(cè)點(diǎn)， 測(cè)量自由度為128×3=384。激勵(lì)點(diǎn)選擇在電動(dòng)機(jī)主軸上，數(shù)量為1 個(gè)，激勵(lì)自由度為2 個(gè)，正交方向見圖3，總FRF=384×2=768 見圖4。

圖2 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)路線圖

圖3 激勵(lì)自由度（主軸的2 個(gè)正交方向）

2.5 激勵(lì)及數(shù)據(jù)采集

采用錘擊法對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行激振，力錘錘頭越硬（如金屬錘頭）越易激起高頻響應(yīng)，力錘錘頭越軟（如塑料錘頭）越易激起低頻響應(yīng)。 本次試驗(yàn)針對(duì)電動(dòng)機(jī)的特性選用硬質(zhì)尼龍錘頭， 可以兼顧高、低頻響應(yīng)。

圖4 響應(yīng)測(cè)量自由度（響應(yīng)測(cè)點(diǎn)總數(shù)128個(gè)，測(cè)量自由度384 個(gè)）

在激勵(lì)自由度位置使用力錘激勵(lì)時(shí)，每個(gè)激勵(lì)自由度錘擊5 次，并采用5 次平均的方式，同時(shí)觀察每個(gè)激勵(lì)自由度第2、3、4、5 次激勵(lì)時(shí)，較前幾次激勵(lì)的相干函數(shù)，相干函數(shù)值越接近1，表明每次激勵(lì)的位置和力量越趨于一致；相干函數(shù)值遠(yuǎn)離1，則需刪掉此次激勵(lì)數(shù)據(jù)，從新激勵(lì)，以確保測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 試驗(yàn)儀器連接如圖5 所示。

圖5 試驗(yàn)儀器連接框圖

2.6 數(shù)據(jù)分析

模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理關(guān)注全部模態(tài)， 任何一階模態(tài)都可能對(duì)電動(dòng)機(jī)使用的壽命及安裝地基、 廠房和相關(guān)配套電氣系統(tǒng)帶來不良影響。 采用有理分式多項(xiàng)式-Z法，結(jié)合復(fù)指數(shù)模態(tài)函數(shù)（CMIF）和穩(wěn)態(tài)圖來識(shí)別模態(tài)參數(shù)。

圖6 列出了各階模態(tài)的頻率、阻尼比、復(fù)雜性、識(shí)別方法和識(shí)別結(jié)果。

模態(tài)振型計(jì)算結(jié)果是否穩(wěn)定可用穩(wěn)態(tài)圖進(jìn)行判斷。圖7 中“◇▽×*”符號(hào)分別表示頻響函數(shù)在整體、振型、頻率、阻尼處保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 可以看出，MAC 主對(duì)角線值為1（100%），說明這兩個(gè)頻率模態(tài)振型向量的正交性很好， 能夠很好的識(shí)別出結(jié)構(gòu)模態(tài)振型。

圖6 頻率、阻尼比、復(fù)雜性和識(shí)別方法

圖7 穩(wěn)態(tài)圖

圖8 MAC（模態(tài)置信準(zhǔn)則）值3D 圖

模態(tài)振型描述：

1 階振型：97.4Hz， 整機(jī)各部分同向繞坐標(biāo)Z 向左右擺動(dòng)，電動(dòng)機(jī)軸向兩端產(chǎn)生局部變形，見圖9。

2 階振型：176.2Hz，電動(dòng)機(jī)軸向兩端左右擺動(dòng)，同時(shí)電動(dòng)機(jī)左右兩側(cè)中間位置做反向擺動(dòng)， 見圖10。

3 階振型：214.3Hz，電動(dòng)機(jī)上端中間部分上下擺動(dòng)，見圖11。

圖9 1 階模態(tài)振型軸測(cè)圖

圖10 2 階模態(tài)振型軸測(cè)圖

4 階振型：300.1Hz， 電動(dòng)機(jī)上端中間部分上下擺動(dòng)，電動(dòng)機(jī)軸向兩端左右擺動(dòng)，見圖12。

圖11 3 階模態(tài)振型軸測(cè)圖

圖12 4 階模態(tài)振型軸測(cè)圖

3 模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)各階模態(tài)參數(shù)及振型進(jìn)行分析：

（1）電動(dòng)機(jī)整體采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，其上端蓋板有3個(gè)四邊形安裝孔，面積較大，剛性較差。 在前后和上下均存在彎曲振動(dòng)并伴隨扭振，振動(dòng)劇烈。

（2）電動(dòng)機(jī)左右兩側(cè)有電氣、溫控等多個(gè)四邊形安裝孔，其結(jié)構(gòu)剛性差，存在往復(fù)向內(nèi)凹陷和向外凸出的振動(dòng)。

（3）電動(dòng)機(jī)軸向兩端軸承座處采用較殼體其他部位更厚的鋼板，剛性較好，軸承座附近殼體存在彎曲和扭振，但振幅較小。

（4）電動(dòng)機(jī)底座總體剛性較好。

4 結(jié)束語

本試驗(yàn)介紹了某型號(hào)大型高壓三相異步電動(dòng)機(jī)的模態(tài)試驗(yàn)方法， 其它類型電動(dòng)機(jī)同樣適用此試驗(yàn)方法。通過電動(dòng)機(jī)的模態(tài)試驗(yàn)， 了解掌握電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)特性，為電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)故障診斷及結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。