浅析附着式振动器的技术特点

蒋章方 邓堪谊

摘 要：附着式振动器由于偏心块、附着重量、物料属性等的存在，将其电机设计问题复杂化。笔者结合多年的工作体会，就激振力与电机额定功率的关系、附着式振动器总体设计特点、温升计算要点、滚动轴承可靠性计算等问题进行了介绍。

关键词：附着式振动器；振动电机；电机设计；技术特点

1 引言

当三相交流异步电动机的轴承两端配置上偏心质量（俗称偏心块）时，它将成为工业应用中一种最重要的振动源——振动电机。在混凝土施工工艺中，当将底板或梁加在振动电机底脚部位时，称之为平板振动器；当附着在模板或输送带、振动筛分等设备上做振动时，称为附着式振动器。附着式振动器结构简单、应用广泛、品种繁多。附着式振动器需要在振动加速度几倍甚至十几倍重力加速度的条件下工作，因此，其设计不同于普通电动机。关于附着式振动器的设计特点，有关文献在电磁设计、结构设计、偏心块设计方面有专门的论述。笔者根据近年来的工作体会，就以下几个方面的问题做初步探讨：

（1） 激振力与电机额定功率的关系；

（2） 附着式振动器总体设计特点；

（3） 温升计算要点；

（4） 滚动轴承可靠性计算。

2 激振力与电机额定功率的关系

激振力与电机额定功率之间的关系是长期困扰混凝土振动器行业的问题。我们知道，有了激振力和振动频率等基本参数，就可算出偏心体质量与偏心距的乘积，但偏心体质量未知，它与电机直径密不可分，因此与电机额定功率有关，即首先需确定电机的功率。电机额定功率取决于激振力大小，既然难以确立定量关系，比较实际的办法是根据现有成熟产品参数分段给出合适参量，然后算出与激振力对应的电机额定功率值。

比如，国内某厂家附着式振动器的激振力与对应的电机额定功率见表1。

建立如下数学关系：

PN=0.102·Cs·Fmax（1）

其中：PN—电机额定功率，kW；

Fmax—空载最大激振力，kN；

Cs—参量系数。

Cs与Fmax之间的关系如下：

（1） Fmax≤7，Cs=1.3；

（2） 7＜Fmax≤11，Cs=1.1；

（3） 11＜Fmax≤40，Cs=1.0；

（4） 40＜Fmax≤60；Cs=0.9；

（5） Fmax＞60；Cs=0.85。

上述采用简单对照法，用曲线拟合法构造 PN=f（Fmax）的函数曲线，再用拉格朗日一次插值法就可以根据激振力的大小估算电机的额定功率。如此计算的结果，可作为给定激振力粗略确定出电机的额定功率，但精确的计算有待电磁计算后确认。

3 附着式振动器总体设计特点

3.1振动器轴承配合的特点

普通电机轴承内圈与转轴是过盈配合（相对静止），而轴承外圈与端盖是间隙配合（相对运动）。振动电机却恰恰相反，轴承外圈与端盖是过盈配合，而轴承内圈与转轴是间隙配合。

这是因为普通电机轴承端受径向（如皮带轮负荷）拉力，其位置、角度不随时间而变化。轴承外圈受力点位置相对固定，只有较松配合才能分散外圈受力点，轴承内圈不存在这个问题因而配合较紧。而振动电机，轴承动负荷来自偏心块旋转产生的激振力，其位置、角度与轴承内圈相对固定，而轴承外圈受力点是散开的。所以轴承外圈与端盖应该是过盈配合，轴承内圈与转轴之间与一般电机相比配合较松。“内松外紧”是附着式振动器轴承配合的特点。

3.2电磁参数特点

振动电机最大特点是机械损耗大，又没有风扇，仅靠自然散热冷却。由此引发的一系列问题，应尽可能降低损耗、增强电机内部导热能力、加大表面散热面积，以利控制产品温升。

附着式振动器电机与普通电机相比，具有如下特点：

（1） 电机气隙长度δ增大20%～30%；

（2） 减小电磁负荷A、B，线负荷A降低10%，磁负荷B降低12%；

（3） 定子电流密度控制在3～4A/mm2；

（4） 定子绕组并联支路数a=1，以消除磁路不对称的影响；

（5） 采用转子直槽，以改善起动性能，必要时可采用闭口槽，以降低附加损耗，前提是起动转矩要有余量；

（6） 铸铝转子可做脱壳处理，即铸造后工件迅速放入冷水中，以使铸铝导条与转子槽壁产生轻微裂缝，降低横向电流引起的损耗。

3.3其他注意事项

（1） 精心设计机壳表面散热筋的形状，并尽可能增加数量，如强度允许机壳和端盖可用传热更好的铝合金材料；

（2） 7.5kW以上振动电机可采用端罩开孔的办法，利用偏心体旋转（似风扇）作用加强散热；

（3） 底脚平面粗糙度6.3级以上，平面度9级以上，底脚安装螺栓8.8级以上，以保证安装牢固可靠。

4温升计算要点

电机温升计算误差较大，其原因为计算前的假定和计算公式、计算方法与实际热场分布存在较大差异，即使采用热场法计算也必定是有限元的，仍与实际有一定差别。

温升计算方法很多，有简易热路法、网格热路法、有限元法以及利用相似原理计算温升的所谓回归法等等。热路法、有限元法涉及的边界条件较多，方法繁杂，且往往与实际情况存在较大差别。在系列电机的设计中，基于相似性原理，利用回归法计算温升是一种简便而又实用的方法。

附着式振动器电机是密闭自冷式电机，其热量从电机内部散发到周围介质中去，主要通过两种方式：一是辐射；二是对流。但当振动电机工作时，由于激振力的作用产生振幅，电机表面与周围介质热交换主要依靠强制对流，辐射散热严重弱化。依据牛顿散热定律：

q=a·(θ1－θ2)（2）

其中：q—热流密度，w/mm2；

a—散热系数，w/mm2·K，即当表面与周围介质的温差为1K时，在单位时间内由单位表面散发到周围介质的热量；

θ1—电机（机座）的温度；

θ2—空气（周围介质）的温度。

首先，选取与拟设计计算电机机座相近、材料和极数相同的现有振动电机，计算出其散热表面积S1，提取试验的损耗和P1、绕组温升K1、热负荷Δ1；其次，依据拟设计计算的振动电机尺寸计算出散热表面积S2，提取电磁计算的损耗和P2，假设绕组温升K2、热负荷Δ2；最后，依据上述条件做收敛计算，当P2/S2≤P1/S1时，则K2≈K1，最终确定Δ2。回归法计算温升比较简单，特别适用于相似系列电机的设计估算。

此外，在附着式振动器电机温升计算中，由于轴承损耗可达电机总损耗1/3以上，而轴承损耗又难以准确计算，由此大大增加了附着式振动器电机温升计算的复杂性及不确定性。尽管如此，在新品开发设计中温升计算仍不失其指导意义。在普通电机设计阶段，主要是绕组温升的计算，对附着式振动器电机还有轴承的损耗计算。

Pf = 1.05·μ·F·D·N·10－6（3）

其中：Pf —轴承摩擦损耗，W；

μ—轴承滚动摩擦系数，可保持架的向心滚子轴承μ= 0.0011；

F—激振力，N；

D—轴承内径，mm；

N—电机转速， r/min。

式（3）为轴承受力等同激振力的普通电机的轴承摩擦损耗计算公式，附着式振动器电机的相应计算应乘以大于1的系数。

5 滚动轴承可靠性计算

滚动轴承可靠性寿命分为基本额定寿命和实际额定寿命。基本额定寿命用公式（4）计算，实际额定寿命用公式（6）计算，后者在前者基础上连乘三个系数，分别为可靠性系数、轴承制造材料及制造工艺系数、使用状况系数。工程设计时一般是先初选轴承型号然后进行核算。有时也可按安装部位、负荷、使用性质及可靠性寿命指标预先计算轴承尺寸，然后在系列规格中选取。

国标GB6391-86（等同国际标准）规定，滚动轴承或轴承组的基本额定寿命为可靠性90%时的寿命，它以轴承工作表面出现疲劳剥落之前所完成的转速，或一定转速下的工作时间数来计算。这时（对向心滚子轴承），

L10=（C/P）10/3·106r（4）

C=fc(iLwecosα)7/9Z3/4Dwe29/27（5）

式中：L10—轴承的基本额定寿命；

C—轴承的额定动负荷，N；

P—轴承的当量动负荷，N； 对于向心滚子轴承P= Fmax/Nz， Fmax——最大激振力，N；Nz——单台电机安装轴承数；

fc—查表2；

i—滚动体列数；

Lwe—滚子长度，mm；

α—公称接触角（向心滚子轴承α=0）；

Z—单列轴承滚动体数或多列轴承中每列滚动体数；

Dwe—滚子直径，mm。

实际轴承规定可靠性90%时的额定寿命为：

Lna=α1·α2·α3·L10（6）

其中：α1—为（100－n）%可靠性系数，n=1～5时；

α1=4.48[Lna(100/R)]2/3（7）

R—可靠度值R=（100–n）或查表3。

α2反映制造轴承原材料和制造工艺的系数，α2可以大于1、小于1 或等于1，对向心滚子轴承推荐值 α2=1。α3与轴承润滑、轴承工作温度和轴承工作转速有关，如果轴承运转时或瞬间滚动体与滚道直接接触、工作温度过高时，α3＜1； 当轴承工作条件极为有利时，可取α3＞1，一般取α3=1； 对于使用向心滚子轴承的振动器电机，最大取α3=1，一般取α3＜1。

国内建筑用振动器轴承L10=8000h，国外报道无振幅运行（即置于足够大刚性基础上）时，轴承寿命不低于10000h。

例如，NJ416轴承：额定动负荷C=285kN，当量动负荷 P=Fmax/Nz=63kN/2=31500N，n=3000r/min，则该轴承基本额定寿命L10=（C/P）10/3·106r=（285000/31500）10/3×106r=1543.3×106r=8573.8h＞8000h。

请注意，该轴承工作转速已等于允许极限转速3000 r/min。

可见，NJ416轴承正常情况下能满足可靠性90%的寿命要求。换句话说，轴承过早损坏，说明它的工作环境、工作状况很不正常，故需对包括轴承在内进行全面考察分析研究。

6 结语

附着式振动器由于偏心块、附着重量、工作物料属性等的存在，极大地改变了电机的负载特性，将其设计复杂化。当前，100Hz的附着式振动器由于效率高，振捣表面质量好而备受市场关注。但由于高频损耗的存在，轴承转速的限制，其设计将比工频以下的电机具有更大的挑战性。

参考文献

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[2] 吴宗泽主编.机械设计使用手册（第2版）[M].北京:化学工业出

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[3] 刘宇琼. 电机稳态温升的简易计算法[J]. 电机技术,2004（3）.

[4] 徐春政,王峥. 关于耐振动电机的设计问题浅谈[N].天津市电机

工程学会2009年学术年会.