采用DyRoBeS轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析軟件對(duì)長(zhǎng)輸管線壓縮機(jī)20MW級(jí)高速變頻防爆電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目軸系進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算和不平衡響應(yīng)分析，使其避免軸系在正常運(yùn)行過程中發(fā)生共振，從而為超高速大功率電動(dòng)機(jī)進(jìn)行軸系的穩(wěn)定性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

0.引言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運(yùn)行過程中，由于各種干擾力作用而產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子發(fā)生故障的主要問題之一。對(duì)于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)本身，因?yàn)橘|(zhì)量偏心而引起的橫向彎曲振動(dòng)是最普遍的，特別是在某個(gè)或某幾個(gè)特定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，振幅會(huì)顯著增大，甚至?xí)?dǎo)致轉(zhuǎn)軸和軸承的破壞，這種現(xiàn)象通常是由共振引起的。為了避免軸系在正常運(yùn)行過程中發(fā)生共振，軸系的設(shè)計(jì)都要求其臨界轉(zhuǎn)速要避開機(jī)組正常運(yùn)行的轉(zhuǎn)頻和外界激勵(lì)頻率一定的范圍。

本文主要依托長(zhǎng)輸管線壓縮機(jī)20MW級(jí)高速變頻防爆電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目，采用DyRoBeS轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析軟件對(duì)電機(jī)的整個(gè)軸系(主機(jī)和勵(lì)磁機(jī))進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算和不平衡響應(yīng)分析。此機(jī)組是三軸承結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速為3120～5040rpm，為了保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，勵(lì)磁機(jī)端軸瓦需下端承載300kg，安裝時(shí)需將軸承座抬高一定量，需要通過理論計(jì)算得出。

1.計(jì)算模型

1.1轉(zhuǎn)子建模

此計(jì)算采用的是DyRoBeS軟件，將電機(jī)轉(zhuǎn)軸簡(jiǎn)化成48個(gè)單元(49個(gè)節(jié)點(diǎn))，將風(fēng)扇、護(hù)環(huán)、轉(zhuǎn)子繞組、整流盤等以附加質(zhì)量的形式加載在相應(yīng)位置的節(jié)點(diǎn)上并輸入轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;此電機(jī)為2級(jí)電機(jī)，在主機(jī)本體的軸段上開了24個(gè)下線槽，這對(duì)軸水平和垂直方向的彎曲慣性矩有很大影響，易產(chǎn)生振動(dòng)，為了保證軸水平和垂直方向的彎曲慣性矩一致，需要在大齒上開月牙槽，以降低軸此方向的彎曲剛度。轉(zhuǎn)子有限元模型如圖1所示。

1.2軸承參數(shù)

1#軸承(可傾瓦，直徑200mm)安裝在節(jié)點(diǎn)5上，2#軸承(可傾瓦，直徑200mm)安裝在節(jié)點(diǎn)22上，3#軸承(普通滑動(dòng)軸承，直徑100mm)安裝在節(jié)點(diǎn)47上，根據(jù)軸承載荷和基本參數(shù)計(jì)算出1#、2#、3#軸承的油膜剛度和油膜阻尼，計(jì)算結(jié)果見表1和表2。

2.軸系臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算

軸系的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算是轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析的一項(xiàng)基本的內(nèi)容，合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速是機(jī)組安全可靠運(yùn)行的重要前提。

2.1臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果

根據(jù)軸系的簡(jiǎn)化模型和軸承的油膜支撐剛度和阻尼，可計(jì)算出軸系的前三階臨界轉(zhuǎn)速，計(jì)算結(jié)果見表3。由計(jì)算結(jié)果可知，前三階臨界轉(zhuǎn)速均避開了電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速3120～5040rpm，并有一定的安全余量。

2.2軸承安裝位置計(jì)算

此機(jī)組為三軸承結(jié)構(gòu)，為了保證勵(lì)磁機(jī)端3#軸承能夠穩(wěn)定運(yùn)行，需要下軸瓦承載300kg的支撐載荷，因此3#軸承在安裝時(shí)需要抬高，根據(jù)軸系的靜撓度和承載載荷可計(jì)算出3#軸承的抬高量為1.9mm。

3.軸系不平衡響應(yīng)分析

由于制造安裝轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量偏心總是存在的，所以設(shè)計(jì)階段軸系不平衡響應(yīng)計(jì)算也是非常重要的，通過預(yù)估不平衡響應(yīng)，調(diào)整轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)以保證機(jī)組運(yùn)行時(shí)振動(dòng)達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

3.1轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)不平衡響應(yīng)計(jì)算模型

轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為:

式中，ω—旋轉(zhuǎn)頻率;M1，K1，G1—整體質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和回轉(zhuǎn)矩陣;cij，kij(i，j=1，2)—整體油膜等效阻尼和剛度矩陣;U1，2—系統(tǒng)位移向量，即

文中其余繁復(fù)的公式就不寫了。我們主要看貼近工程應(yīng)用的部分。

3.2不平衡量計(jì)算

加不平衡質(zhì)量時(shí)，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《旋轉(zhuǎn)剛體的平衡質(zhì)量》，取平衡等級(jí)G3.2。

e×ω=3.2

式中，e—旋轉(zhuǎn)部件的偏心距;ω—旋轉(zhuǎn)部件的角速度。在主機(jī)本體和勵(lì)磁機(jī)鐵心位置加載相應(yīng)的不平衡量，計(jì)算了三個(gè)軸承位置的最大振動(dòng)響應(yīng)，計(jì)算結(jié)果見表4。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文采用DyRoBeS轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析軟件對(duì)長(zhǎng)輸管線壓縮機(jī)20MW級(jí)高速變頻防爆電動(dòng)機(jī)項(xiàng)目軸系進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算和不平衡響應(yīng)分析，得到以下結(jié)論:

(1)為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需對(duì)電機(jī)軸系進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化過程中需考慮軸本體月牙槽和3#軸承抬高量的影響。

(2)采用DyRoBeS轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析軟件對(duì)軸系的臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果分別為:一階臨界轉(zhuǎn)速1756rpm，二階臨界轉(zhuǎn)速2232rpm和三階臨界轉(zhuǎn)速5952rpm，有效的避開了電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速3120~5040rpm，因此軸系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。

(3)根據(jù)軸系的平衡等級(jí)計(jì)算了軸系在過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)軸承位置的最大響應(yīng)值為0.048mm，位于3#軸承位置，此結(jié)果滿足旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)的要求。