，，

(1中國船舶重工集團(tuán)公司第七○二研究所，江蘇無錫 214082 2中電電機(jī)股份有限公司，江蘇無錫 214082)

0 引言

在進(jìn)行立式電機(jī)機(jī)座設(shè)計(jì)時(shí)，如何確定機(jī)座應(yīng)具備的剛度，對(duì)已制成的電機(jī)，發(fā)生振動(dòng)超標(biāo)時(shí)如何解決，是擺在設(shè)計(jì)工作者面前急需解決的問題，本文旨在總結(jié)一種簡(jiǎn)便的計(jì)算方法，幫助設(shè)計(jì)人員能通過簡(jiǎn)單的計(jì)算合理的確定立式電機(jī)機(jī)座的結(jié)構(gòu)和尺寸，避免振動(dòng)的產(chǎn)生。

1 美國NEMA標(biāo)準(zhǔn)對(duì)立式電機(jī)諧振頻率的敘述

立式電機(jī)的諧振頻率：在自由系統(tǒng)的單一自由度中，質(zhì)量靜態(tài)撓度(△s英寸)與系統(tǒng)共振頻率(fn周/分)有以下關(guān)系。

式中，g—1389600 英寸/分2；△s—振幅 (英寸)。

立式電機(jī)或其它凸緣安裝的感應(yīng)電機(jī)，通常安裝于被驅(qū)動(dòng)機(jī)械的某些部件上，如泵轉(zhuǎn)接裝置，最后裝成的系統(tǒng)有可能有諧振頻率，振幅順序與旋轉(zhuǎn)速度一致。此系統(tǒng)頻率可從前述公式算出。當(dāng)系統(tǒng)的共振頻率與旋轉(zhuǎn)速度太接近時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)危害性的振級(jí)。

立式感應(yīng)電機(jī)制造廠應(yīng)提供下面數(shù)據(jù)，以幫助確定整個(gè)系統(tǒng)的共振頻率fn。

(1)整個(gè)電機(jī)重量；

(2)重心位置中心—指電動(dòng)機(jī)安裝凸緣至電動(dòng)機(jī)重心的距離。

2 立式電機(jī)機(jī)座簧片振動(dòng)頻率計(jì)算

如果將用法蘭安裝的立式電機(jī)看成是一根一端為固定支點(diǎn)的懸臂梁，在梁的自由端將作用一個(gè)集中力，因?yàn)榱菏且粋€(gè)彈性體，在力的作用下，在梁的端點(diǎn)將出現(xiàn)一個(gè)撓度(如圖1)，可用下式表示。

圖1 一端受集中載荷等斷面的懸臂梁

(1)

式中，P—梁端點(diǎn)的作用力kg；L—梁端點(diǎn)至固定支點(diǎn)的距離mm；I—梁橫斷面的慣性矩mm4；E—梁材料的彈性系數(shù)kg/mm2，對(duì)鋼E=2.1×104kg/mm2。

根據(jù)式(1)，梁的抗彎剛度K(kg/mm)為

K=P/△s=3EI/L3

(2)

梁的橫向振動(dòng)固有圓頻率(rad/s)

(3)

式中，g—重力加速度，等于9 810mm/s2，P—梁端點(diǎn)的作用力kg。

梁的橫向振動(dòng)固有頻率(Hz)

(4)

對(duì)于立式電機(jī)來說，機(jī)座形狀是很復(fù)雜的，機(jī)座并不是一個(gè)等斷面的懸臂梁，但為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可以把它作為一個(gè)等斷面的懸臂梁，以便通過簡(jiǎn)化的計(jì)算能定性的判斷機(jī)座的剛度。

為了提高立式電機(jī)的簧片振動(dòng)頻率，要求立式電機(jī)將箱形結(jié)構(gòu)的機(jī)座，在機(jī)座的四個(gè)角上用立焊的鋼板和機(jī)座外壁形成四個(gè)方形的盒狀支臂，如圖2所示，在計(jì)算機(jī)座的抗彎剛度時(shí)，忽略機(jī)座外皮的影響，只計(jì)機(jī)座四個(gè)盒形支臂。

圖2 箱式立式電機(jī)的典型機(jī)座結(jié)構(gòu)

用計(jì)算四個(gè)盒形支臂的慣性矩代替式(4)中的總慣性矩I。用電機(jī)的總重量G代替P，則式(4)可改寫成

(5)

式中，4I—機(jī)座4個(gè)支臂的慣性矩mm4；G—電機(jī)的總重量kg；L—電機(jī)的重心至安裝底平面的距離mm；E—材料的彈性系數(shù)，對(duì)于鋼為2.1×104kg/mm2。

如果在式(5)中引入相關(guān)系數(shù)ξ，則電機(jī)由敲擊試驗(yàn)確定的簧片振動(dòng)頻率fR為

(6)

得出相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式

(7)

制造的每個(gè)立式電機(jī)都可進(jìn)行一次敲擊試驗(yàn)，以便建立一個(gè)好的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)，用以統(tǒng)計(jì)相關(guān)系數(shù)ξ，每一個(gè)機(jī)座的相關(guān)系數(shù)多半將是不同的。但是足夠的敲擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)將提供一個(gè)固定的可行的范圍，以便用于處理和設(shè)計(jì)。相關(guān)系數(shù)ξ實(shí)質(zhì)上是計(jì)算值和實(shí)際值的偏差系數(shù)。

3 應(yīng)用實(shí)例

實(shí)例一：某公司制造一批共4臺(tái)YLKK500-4,900kW,6kV立式異步電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)原始設(shè)計(jì)在四個(gè)角采用4個(gè)100×100×10角鋼，可以近似的按壁厚為10mm的矩形盒(圖3)。

圖3 機(jī)座四角矩形盒結(jié)構(gòu)示意圖(mm)

矩形匣的慣性矩

電機(jī)總重量G=7927kg;電機(jī)底部法蘭至電機(jī)重心的距離L=793mm

按式(4)計(jì)算，機(jī)座的簧片振動(dòng)頻率

=10.32Hz

電機(jī)的轉(zhuǎn)速頻率為fn=25Hz，f=10.32Hz<25Hz。

根據(jù)上述計(jì)算說明該立式電機(jī)機(jī)座剛度不夠，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)4臺(tái)電機(jī)振動(dòng)均很大，處理時(shí)設(shè)法在機(jī)座四角補(bǔ)焊8塊250×20×機(jī)座全長(zhǎng)的鋼板，加焊的鋼板可按等邊角鋼計(jì)算其慣性矩(見圖4)。

圖4 機(jī)座四角補(bǔ)強(qiáng)鋼板

=5.788×107mm4

補(bǔ)強(qiáng)后的機(jī)座簧片振動(dòng)頻率

=15.76×

=32Hz

f=32>fn=25Hz

說明補(bǔ)強(qiáng)后的機(jī)座剛度明顯提高，使簧片振動(dòng)頻率提高。補(bǔ)強(qiáng)后再次試驗(yàn)，4臺(tái)電機(jī)在上導(dǎo)軸承風(fēng)口處的振動(dòng)已由原來的19mm/s降到最大3.1mm/s，除風(fēng)口處以外，其它各點(diǎn)均降到1.7mm/s，證明對(duì)機(jī)座補(bǔ)強(qiáng)加固是非常有效的。

分析認(rèn)為補(bǔ)強(qiáng)后振動(dòng)類型是受不平衡干擾力引起的，屬于強(qiáng)迫振動(dòng)類型，因此基本上與轉(zhuǎn)速同步。機(jī)座剛度加強(qiáng)抑制了振動(dòng)，使振動(dòng)減小。

實(shí)例二：某公司制造的兩臺(tái)電機(jī)YBLKS710-6,600kW,690V，250～600r/min，轉(zhuǎn)速頻率fn=4.17～10Hz，機(jī)座設(shè)計(jì)在四角有200mm×20mm的鋼板和12mm的外皮構(gòu)成盒形支臂。盒形慣性矩(見圖5)。

圖5 機(jī)座四角的矩形盒

電機(jī)總重量G=14600kg ;

電機(jī)底部至重心的距離l=1020mm ;

機(jī)座簧片振動(dòng)頻率

=18.07Hz

f=18.07>fn=10Hz

說明機(jī)座剛度是足夠的，實(shí)際上該兩臺(tái)電機(jī)試驗(yàn)時(shí)振動(dòng)也非常好，均在1mm/s左右。

4 結(jié)語

4.1 立式電機(jī)上軸承處振動(dòng)超標(biāo)的原因是由于轉(zhuǎn)子不平衡量以及定、轉(zhuǎn)子氣隙不均勻產(chǎn)生的單邊磁拉力對(duì)機(jī)座作用的干擾力所引起的，屬于強(qiáng)迫振動(dòng)的性質(zhì)，其振動(dòng)頻率為轉(zhuǎn)速頻率，當(dāng)機(jī)座簧片振動(dòng)的固有頻率低于轉(zhuǎn)速頻率時(shí)，共振引起振動(dòng)擴(kuò)大的因素占主導(dǎo)，因此不易調(diào)整是電機(jī)振動(dòng)合格；如果固有頻率高于轉(zhuǎn)速頻率，則振動(dòng)擴(kuò)大因素降低，干擾力對(duì)電機(jī)的振動(dòng)影響減弱。

4.2 制造了幾十臺(tái)立式電機(jī)，采用此計(jì)算方法判斷機(jī)座剛度是否滿足要求均很成功，在積累一定經(jīng)驗(yàn)后(統(tǒng)計(jì)出一個(gè)相關(guān)系數(shù)ξ)可以進(jìn)一步得到較準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

4.3 對(duì)立式電機(jī)機(jī)座設(shè)計(jì)必須注意箱形機(jī)座四角盒形支臂的剛度，任何其它局部支撐方式對(duì)提高機(jī)座剛度都是徒勞的。

4.4 對(duì)于Y系列派生的立式電機(jī)系列的機(jī)座設(shè)計(jì)，機(jī)座寬度和高度可以沿用臥式電機(jī)的系列設(shè)計(jì)尺寸，但必須通過計(jì)算確定支臂的尺寸。同時(shí)鐵芯長(zhǎng)盡量短些，以減小電機(jī)底部至重心的距離(可增大機(jī)座簧片頻率)。

4.5 對(duì)于高轉(zhuǎn)速電機(jī)，特別是2極、4極電機(jī)，因?yàn)檗D(zhuǎn)速頻率達(dá)到50Hz、25Hz，尤其要注意機(jī)座剛度的設(shè)計(jì)。

4.6 不排除采用圓形機(jī)座設(shè)計(jì)，但計(jì)算時(shí)由于局部有通風(fēng)窗口，計(jì)算將變得復(fù)雜。

[1] 李文美著.機(jī)械振動(dòng)[M].北京：科學(xué)出版社，1985版.

[2] 電指(DZ)21～24-63大型電機(jī)機(jī)械計(jì)算公式.大電機(jī)研究所編(1965).

[3] 美國西屋公司資料，培訓(xùn)講義(三)，1987.

[4] 美國NEMA標(biāo)準(zhǔn)MG1—1998 20.23—“大型電機(jī)—感應(yīng)電機(jī)”.