大型电机端盖式滑动轴承的振动特性研究

谭登洪，彭思思，张国兵

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064）



大型电机端盖式滑动轴承的振动特性研究

谭登洪，彭思思，张国兵

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064）

摘 要：本文针对大型电机端盖式滑动轴承，利用有限元法对其振动特性进行数值仿真分析。通过模态试验，对轴承的模态参数进行识别和提取，并验证了仿真模型和计算方法的合理性与有效性，进而掌握了大型电机轴承的振动特性及建模方法，为大型电机的低噪声设计奠定了基础。

关键词：端盖式轴承 振动特性 数值仿真 模态试验

0 引言

大型电机是电力能源生产部门和工业生产部门的重要设备，属于应用较为广泛的传动机械，我国造船业发展需要低噪声的大型推进电机。但由于大型电机体积和功率较大，它们所引起的振动和噪声，不仅严重污染环境，造成对人体的危害，同时也影响到它所拖动的生产设备的工作质量和寿命，为此深入开展大型电机低噪声设计研究也是满足民用需求的重要研究课题之一。

大型交流电机结构一般分为定子和转子两大部分组成，而轴承是定子与转子连接过渡的关键结构，掌握其振动特性对整个电机的低噪声设计起着重要作用[1]。本文针对一台大型电机的端盖式滑动轴承，通过数值仿真与模态试验相结合，开展端盖式滑动轴承的振动特性研究，形成一种合理有效的电机轴承建模方法，为大型电机的低噪声设计奠定基础。

1 轴承仿真模型的建立

电机轴承模型的建立包括几何模型和有限元模型的建立，其中几何模型包含零件结构模型和总体装配模型，有限元模型包含网格划分和边界条件的处理。利用三维建模软件Pro/E建立电机轴承的三维几何模型，利用具有强大前处理功能的Hypermesh软件进行网格划分，最后在ANSYS软件中进行边界条件的处理，形成电机轴承有限元仿真模型。电机轴承仿真模型建立的具体流程如图1所示。

为保证较高的计算精度，尽量保留轴承的所有几何特征。但为了节省计算资源，对某些不影响轴承整体模态的特征可以作适当简化。经过适当简化处理后的轴承几何模型如图2所示。

对电机轴承几何模型进行网格划分和基本参数的定义，进而得到轴承的有限元网格模型。观察电机轴承几何模型可以发现，轴承沿其轴线方向和垂直轴线方向均关于几何中心对称。为了提高划分网格的效率和保持其原有的对称性，对轴承几何模型进行对称切割，获得1/2模型，对1/2模型进行网格划分，然后再作镜像处理获得整个轴承的有限元网格模型[2]。为提高有限元分析的计算精度和效率，全部采用六面体单元进行网格划分，如图3所示。

图1 电机轴承仿真模型建立流程

图2 轴承几何模型

图3 轴承有限元网格模型

电机轴承整体有限元网格单元尺寸主要为10～15 mm，单元数目共计56904，节点数目共计71419。检查网格质量得知，所有单元翘曲比均小于5，雅克比大于7，单元四边形面最小角度为45°、最大角度为135°，由此说明轴承有限元网格模型具有比较好的网格质量。

2 参数定义与边界处理

对有限元网格模型，需定义的基本参数主要有单元类型、材料属性等。针对六面体网格，可采用一次单元类型Solid185，具有较好的求解性能。不同零件的参数定义如表1所示。

表1 轴承有限元模型参数定义

在电机轴承结构的装配中，上轴承盖和下轴承座是通过螺栓连接的，其连接根据螺栓压缩锥原理将螺栓孔压缩锥区域的节点进行刚性耦合处理[3,4]；轴瓦组件亦是通过螺栓连接的，螺栓连接处理与之类似，与上轴承盖和下轴承座之间处于间隙配合状态,沿圆周方向分别进行全部和部分节点刚性耦合两种处理。气封罩和油封罩是通过螺栓连接固定在上轴承盖和下轴承座两端的，在螺栓孔压缩锥区域进行节点刚性耦合处理，中间隔有垫片。进行边界处理后的模型如图4所示。

图4 边界处理后的模型

3 轴承振动特性仿真结果

通过自由模态分析，可以了解电机轴承固有的振动特性，主要包括固有频率和模态振型。从仿真结果中可以发现，轴承主体结构的振型主要表现为径向和轴向的多阶振动，其固有频率均超过1500 Hz。频率较高的原因在于轴承内部的轴瓦具有较高刚度，与轴承盖和轴承座之间属于紧密配合。提取四阶主要模态，其固有频率和振型如图5所示。

图5 四阶主要模态振型及其固有频率

4 试验与验证

通对电机轴承进行模态测试和分析，进一步掌握电机轴承结构的振动特性，同时对仿真结果进行验证。试验采用比利时LMS公司的数采设备及配套测试软件，搭建电机轴承模态试验平台，如图6所示。

图6 轴承模态试验平台

本试验采用锤激法进行模态测试，考虑到该轴承结构的刚度较大，其固有频率较大，故选用钢材质的硬锤头进行敲击[5]。为了掌握轴承结构的固有振动特性，试验中将轴承用弹性软绳悬吊起来，以模拟自由状态，进行自由模态测试。

对于振型变形方向较为单一的区域可以只布置单轴加速度传感器，而对于振型较为复杂的区域需布置三轴加速度传感器，这样可以在不影响试验效果的情况下提高试验效率。根据仿真计算的初步分析结果得知，轴承盖和气封罩的各阶模态振型主要表现为径向变形，而油封和轴承座的模态振型较为复杂，故布置响应测点时，对于轴承盖和气封罩区域只布置沿径向方向的单轴加速度传感器，而轴承座和油封区域布置三轴加速度传感器。测点布置方案如图7所示，测点总计344个测点。

图7 测点布置方案

通过LMS Test.Lab中的Modal Analysis模块对试验数据进行模态参数识别和提取。在整个频带内（0～4096Hz），轴承频响函数和如图8所示。提取与上述仿真结果振型一致的四阶模态，其振型与固有频率如图9所示。

图8 轴承频响函数和

试验与仿真结果对应的同阶模态固有频率对比情况如表2所示。从两者的对比来看，相对误差都不超过4%，处于工程误差范围内。因此，从工程角度来说，仿真计算的准确度是可以满足要求的，进而验证了仿真模型及其方法的可行性和有效性。

图9 四阶主要模态振型及其固有频率

表2轴承各阶模态固有频率计算值与试验值对比情况

5 结论

本文利用有限元法对大型电机端盖式滑动轴承进行建模与模态分析，发现轴承主体结构的振型主要表现为径向和轴向的多阶振动，其固有频率均超过1500 Hz。通过对轴承进行自由模态试验，验证了仿真模型和计算方法的合理性与有效性，进而掌握了大型电机轴承的振动特性及建模方法，为大型电机的低噪声设计奠定了基础。

参考文献：

[1]陈永校,诸自强,应善成.电机噪声的分析和控制[M].浙江:浙江大学出版社,1987.

[2]张建水.结构参数对轴承振动噪声的影响[D].太原:太原科技大学,2013.

[3]Ghamd A M,Mba D.A comparative experimental study on the use of acoustic emission and vibration analysis for bearing defect identification and estimation of defect size [J].Mechanical systems and signal processing,2006,20(7):1537-1571.

[4]Rafsanjani A,Abbasion S,et al.Nonlinear dynamic modeling of surface defects in rolling element bearing system [J].Journal of Sound and Vibration,2009,319(3):1150-1174.

[5]曹树谦,张文德,萧龙翔.振动结构模态分析:理论、实验与应用[M].天津:天津大学出版社,2002.

Research on the Vibration Behavior of an End Bracket Type Bearing of A Large Electric Machine

Tan Denghong,Peng Sisi,Zhang Guobing
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China)

Abstract：In this paper,the vibration behavior of an end bracket type bearing of a large electric machine is simulated by using finite element method.By modal test,the modal parameters of the bearing are identified and achieved,and the validity and effectiveness of simulation model and calculation method are verified.The vibration behavior and modeling method of an end bracket type bearing of the large electrical machine are successfully achieved,which will lay the foundation for the low noise design of large electric machine.Keywords：end bracket type bearing; vibration behavior; numerical simulation; modal test

作者简介：谭登洪（1964-）男，高级工程师。研究方向：电气工程。

收稿日期：2015-09-16

中图分类号：TM303

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）02-0001-03