转子-定子耦合系统振动特性分析.pdf

收稿日期: 2015 -07 -20 基金项目: 国家自然科学基金(项目编号:11302133);航空科学基金(项目编号:20140454003);辽宁省自然科学基金(项目编号: 2015020113) 作者简介: 李凯华(1983 - ),男,辽宁灯塔人,工程师,主要研究方向:转子动力学及旋转机械故障诊断,kaihua123163 com。 文章编号: 2095 -1248(2016)02 -0017 -05 转子 - 定子耦合系统振动特性分析 李凯华1,太兴宇1,孙 丹1,2 (1 沈阳鼓风机集团股份有限公司 研究院,沈阳 110142; 2 沈阳航空航天大学 辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室,沈阳 110136) 摘要: 建立简化的双质点模型,对定子质量、支承刚度以及阻尼对系统振动响应的影响进行研究。 分析发现,当定子的固有频率接近转子的固有频率时,导致转子的共振响应加剧;若定子的固有频 率小于转子的固有频率,在转子的幅频曲线中定子的固有频率处会出现峰值,但转子的共振峰值 会降低;适当地增加定子的支撑阻尼,可以有效抑制由定子共振导致的转子共振峰值增加的现象。 对一个实际转子 - 定子系统采用有限元法对定子壁厚的影响进行了分析,得到了与简化模型相同 的结论。 关键词: 转子 - 定子耦合系统;共振峰值;固有频率;振动响应 中图分类号: TN820 3 文献标志码: A doi:10. 3969/ j. issn. 2095 -1248. 2016. 02. 004 Vibration characteristics analysis of rotor-stator coupled systems LI Kai-hua1,TAI Xing-yu1,SUN Dan1,2 (1 Institute,Shenyang Blower Works Group Co. Ltd,Shenyang 110142,China; 2 Liaoning Key Lab of Advanced Test Technology for Aerospace Propulsion System,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China) Abstract: By establishing a simplified model of two mass points,the influence of stator quality,the support stiffness and damping on the vibration response of the system are analyzed in this paper. It has been found that when the natural frequency of the stator is close to the natural frequency of the rotor,the resonance re- sponse of the rotor is intensified. If the natural frequency of the stator is less than the natural frequency of the rotor,the peak value appears at the natural frequency of the stator,but the resonance peak of the rotor is re- duced. Under the circumstance,the appropriate increase of the stator support damping effectively restrains the rise in the rotor resonance peak to the stator resonance. The influence of stator wall thickness is analyzed with the finite element method in a real rotor-stator system,and the same conclusion as the simplified model is obtained. Key words: rotor-stator coupled systems;resonance peak;natural frequency;vibration response 旋转机械是工业部门中应用最为广泛的一类 机械,在电力、能源、交通、石油化工以及国防领域 都发挥着无可替代的作用1 -4。 而转子在运行过 程中振动过大,往往会导致转子达不到工作转速, 或者加速部件的损坏,同时也可能使转静件发生 碰摩,有的甚至会引发严重的机毁人亡事故,造成 重大的经济损失。 以往对于转子振动特性的研究 往往是建立转子 - 轴承系统动力学模型5 -9,只 关注转子与支撑部件之间的联系。 后来人们发现 定子也会对转子的振动响应产生影响。 陈果 等10 -13针对航空发动机整机振动分析,建立了转 子 - 滚动轴承 - 机匣耦合动力学模型,并对其振 动特性进行了分析。 袁惠群14、周海仑等15建 立了双转子 - 机匣耦合动力学系统,并对其发生 碰摩时的故障特征进行了分析。 本文针对振动转 子在运行过程中振动过大的现象,将转子 - 定子 简化为双质点数学模型,研究了定子参数对转子 振动响应的影响。 最后针对一个实际电机模型, 采用有限元法对定子壁厚的影响进行了研究,进 一步分析了定子对转子振动特性的影响。 1 理论分析 根据待研究转子系统,将转子 - 定子耦合系 统简化为如图 1 所示的双质点动力学模型。 根据 如图 1 所示模型,建立微分方程 m1x 1+ c1( x1-x2) + k1(x1- x2) = F sint m2x 2+ c1( x1-x2) + c1x2- k1(x1- x2) + K2x2=0 (1) 其中,m1、m2分别为转子和定子质量;c1、c2 分别为转子和定子弹簧阻尼;k1、k2分别为转子和 定子支承刚度;F 为激振力幅值; 为激振频率;t 为时间。 为了分析定子对整体系统动力学响应的 影响,现给系统设定参数列于表 1,其中,工况 1 为定子质量的影响,工况 2 为定子支承刚度的影 响。 采用谐波平衡法对系统的响应进行求解16。 图 2、图 3 为工况 1 时转子的振动响应。 从 图 2 中可以看到,随着 m2的增加,定子的共振频 率(fn2)逐渐减小,而转子的共振频率几乎不发生 变化;在 m2较小时,几乎看不到定子的共振峰 值,而当定子的共振频率接近或小于转子的共振 频率时,定子的共振峰值开始变得比较突出。 从 图 3 中可以看到,当质量比在 50 附近时,即定子 的共振频率接近转子的共振频率,转子的最大峰 值达到最高点,而随着定子质量的继续增加,可以 看到转子的最大峰值急剧降低,说明虽然在转子 的幅频曲线中出现了定子的共振峰值,但也由于 定子的振动吸收了一部分振动能量,使得转子的 共振峰值降低。 图 1 双质点动力学模型 表 1 仿真参数 工况 1 参数数值 工况 2 参数数值 m1100 kgm1100 kg m2500 kg c1 1 103Ns/ m c1 1 103Ns/ m c2 1 104Ns/ m c2 1 104Ns/ m k1 2 106N/ m k1 2 106N/ m k2 1 108N/ m F100 NF100 N 图 2 工况 1 时的幅频曲线 81沈 阳 航 空 航 天 大 学 学 报 第 33 卷 图 3 m1最大幅值随质量比的变化曲线 图 4、图 5 为工况 2 时转子的振动响应。 从 图 2 中可以看到,在定子支承刚度较低时,在转子 的幅频曲线中出现了定子的共振峰值。 但随着定 子支承刚度的增加,谱图中只有转子的共振峰值, 并且共振频率保持不变。 从图 5 中可以看到,在 刚度比较小时,转子的最大幅值出现了峰值,经过 分析发现此处同样为定子频率接近转子频率处。 图 4 工况 2 时 m1的幅频曲线 图 5 m1最大幅值随刚度比的变化曲线 通过上面的分析可知,在定子共振频率接近 转子共振频率时,会倒是转子的共振峰幅值增加, 严重的话可能会导致设备无法超过 1 阶临界转 速,达不到工作转速。 分析其原因是由于定子的 共振加剧了转子的共振幅度,为了阻止这种情况 的发生,就需要抑制定子的共振峰值。 图 6 为 c2=1 105Ns/ m 增加了定子的支撑阻尼 c2后的 工况 1 时的 m1最大幅值变化曲线。 从图中可以 看到,由于增加了定子的支撑阻尼,在图 3 中出现 的峰值已经消失,说明定子的阻尼起到了很好的 抑制作用。 图 6 m1最大幅值随质量比的变化曲线 图 7 为不同定子支承刚度下转子的振动幅值 (非共振状态下的峰值) 随质量比的变化曲线。 从图中可以看到,在质量比为某一定值时,转子的 振动幅值会发生一个突变,定子支承刚度越大,突 变的位置越向后移。 从整体上看,转子的振动位 移是随着质量比的增加而减小,说明定子会吸收 掉转子的一部分振动能量。 图 7 =50 Hz 时不同 k2下 m1随质量比的变化曲线 2 算例 下面对某厂生产的电机出现振动过大的问题 采用有限元法进行分析。 某厂生产的大型电机, 在升速过程中,在某一频率开始产生较大振动,继 91第 2 期李凯华,等: 转子 - 定子耦合系统振动特性分析 续升速,振动达到最大值,并会出现倍频,达不到 工作转速。 经过一系列测试分析,得出定子质量 太小是产生较大振动的主要原因。 所以,我们对 定子质量做了一些分析,考察定子质量对系统动 力学特性的影响。 2 2 1 1 模模型型建建立立 建立转子 - 定子 - 基础耦合有限元模型,如 图 8 所示。 图中,转子采用 Beam188 单元,转子 和定 子 支 撑 采 用 Combi214 弹 簧, 定 子 采 用 Shell183 单元,基础采用 Solid186 单元。 由于在 实际生产过程中,定子与地基是用螺栓连接,方式 比较固定,支承刚度设为 1 108N/ m,根据之前 的分析,将阻尼设为 1 105Ns/ m。 所以本节针 对定子壁厚对振动响应的作用进行分析。 2 2 2 2 定定子子对对系系统统动动力力学学特特性性的的影影响响计计算算结结果果 验验证证 (1)对固有频率的影响 表 2 为不同定子厚度下,系统的前 6 阶固有 频率。 从表中可以看到,随定子厚度的变化,系统 的固有频率几乎不发生变化。 说明定子的质量对 于转子的固有频率影响不大。 (2)对振动响应的影响 在 ANSYS 中,采用谐响应分析对定子的位 移响应进行考察。 在转子的中点施加不平衡力, 然后进行谐响应分析,使用模态叠加法求解,因为 图 8 系统有限元模型 表 2 不同机壳厚度时系统的固有频率 机壳厚度 h/ mm 固有频率 fn/ Hz 1 阶2 阶3 阶4 阶5 阶6 阶 358 442162 61508 27613 241960 43446 5 1558 557163 03512 09613 731960 43446 5 3058 568163 10511 41613 811960 43446 5 要用到模态的参数,所以用谐响应分析之前,必须 进行模态分析。 频率范围选在包括一阶临界转 速。 取定子上的一点(节点 10122)和转子上的一 点(节点 6)进行分析,如图 9 所示。 查看在不同 定子质量情况下,达到 1 阶临界转速时的峰值 (表 3 和表 4)。 图 9 振动测点示意图 02沈 阳 航 空 航 天 大 学 学 报 第 33 卷 表 3 不同定子质量下定子的幅值mm 定子壁厚 h幅值 30. 018 150. 0133 300. 01296 表 4 不同定子质量下转子的幅值mm 定子壁厚 h幅值 31 93 151 9125 301 911 从表 3 和表 4 的结果中可以看到,在达到 1 阶临界转速时,定子的幅值和转子的幅值都随着 定子壁厚的增加而减小,与之前分析的结论一致。 说明在合适的支撑阻尼下,增加定子的壁厚可以 在一定程度上减小系统的振动,吸收一部分振动 能量。 3 结论 通过对解析模型的分析,讨论了定子质量和 定子支承刚度以及阻尼对系统振动响应的影响。 分析了在实际转子 - 定子 - 基础系统中,定子的 质量对系统 1 阶临界处振动幅值的作用。 经过分 析得出以下结论: (1)当定子的固有频率接近转子的固有频率 时,会导致转子的共振响应加剧;若定子的固有频 率小于转子的固有频率,在转子的幅频曲线中,在 定子的固有频率处会出现峰值,但转子的共振峰 值会降低; (2)适当的增加定子的支撑阻尼,可以有效抑 制由定子共振导致的转子共振峰值增加的现象; (3)定子的质量对系统的固有频率影响不 大,主要是通过改变支承刚度来调节系统的固有 频率; (4)在一定的支撑阻尼下,定子和转子的位 移随着定子质量的增加而减小。 参考文献(References): 1 闻邦椿. 故障旋转机械非线性动力学近期研究综述 J. 振动工程学报,2004,17(S):1 -5. 2 缪辉,王克明,翟学,等. 反向旋转双转子系统动力 学特性的有限元分析J. 沈阳航空航天大学学报, 2011,28(4):27 -32. 3 孟宗,王亚超. 基于微分局部均值分解的旋转机械 故障诊断方法J. 机械工程学报,2014,50(11): 101 -107. 4 王军锋,孙康. 基于有限元法的转子临街转速计算 J. 机械设计,2012,29(12):10 -13. 5 焦映厚,陈照波,刘福利,等. 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