某型艇用幅壓直流電動機振動分析及改進措施

宋義超，高立夫，孫良友

（海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭410111）

0 引言

目前，直流電機廣泛應用在海軍各類艦船上，隨著科技的發(fā)展，對艦船的隱身性能提出了更高的要求，因此對直流電機的振動性能提出了更高的要求。某型艇用直流電動機不僅要求振動烈度，振動加速度總振級滿足要求，還對10～6 kHz等多個頻率點的振動加速度提出了較高要求。

本文采用 LMS Test.Lab測量該直流電動機各頻率點的振動加速度，根據(jù)測量數(shù)據(jù)對振動情況進行分析并提出改進措施。

1 直流電機振動影響因素

根據(jù)轉(zhuǎn)子動力學，直流電機在額定轉(zhuǎn)速運行時，導致其振動異常的因素主要有[1]：轉(zhuǎn)子不平衡量過大，軸線失準或轉(zhuǎn)軸彎曲，軸承故障以及換向器與電刷接觸不良導致的振動。假設電機轉(zhuǎn)速為n，則其振動基頻值為f0=n/60。

1.1 轉(zhuǎn)子不平衡量過大

轉(zhuǎn)子不平衡量過大屬于常見的現(xiàn)象，導致該現(xiàn)象的原因主要有加工誤差、裝配誤差、材料不均勻以及平衡機精度不足等。

由該因素引起的振動的特性為[2]：

1）以基頻值f為頻率的正弦振動曲線；

2）轉(zhuǎn)速升高時振動幅值變大。

1.2 軸線失準

電機軸線失準，是指電機前后端蓋不同心，或由于裝配導致的軸偏斜、彎曲等。

當出現(xiàn)該現(xiàn)象時振動頻譜上可以看到明顯的2倍頻升高的現(xiàn)象。

1.3 軸承故障

以滾動軸承為例，如圖1所示，其中D為節(jié)圓直徑，d為滾珠直徑，β為接觸角，Z為滾珠數(shù)。

當軸承出現(xiàn)外環(huán)故障時，其特征頻率為[3]：

內(nèi)環(huán)故障時特征頻率為：

圖1 滾動軸承尺寸圖

滾珠故障特征頻率為：

保持架碰外環(huán)故障特征頻率為：

保持架碰內(nèi)環(huán)故障特征頻率為：

1.4 換向器與電刷接觸不良

對于直流電機而言，換向器與電刷接觸不良導致的振動超標是較為常見的現(xiàn)象，電刷劃過換向片時會產(chǎn)生跳動，其跳動量的大小與換向器表面粗糙度、圓度、換向器溝槽倒角、電刷與換向器接觸面情況以及電刷彈簧壓力等決定[4]。

經(jīng)分析后可知，電刷與換向器接觸產(chǎn)生的振動特征頻率為：

其中N為換向器片數(shù)。

2 艇用幅壓直流電機振動情況及改進措施

艇用直流幅壓電動機振動噪聲要求較高，采用LMS Test.Lab測量電機機座4個腳的振動加速度頻譜，同時用其他測量系統(tǒng)輔助測量電機轉(zhuǎn)速、動平衡量、振動幅值、振動烈度等指標。

該電機額定轉(zhuǎn)速n=1050 r/min，故其振動基頻值為f0=n/60=17.5 Hz，該電機在實測1/3倍頻程頻振動加速度級超標概率較高的幾個頻率值及限值如表1所示。

表1 電機在實測1/3倍頻程頻振動加速度級超標概率較高的幾個頻率值及限值

經(jīng)分析，上述4個頻率值分別對應不平衡量過大、軸線失準、軸承故障及電刷與換向器接觸導致的振動。

2.1 16 Hz振動加速度級超標及其改進措施

經(jīng)測試，當幅壓直流電機現(xiàn)場動平衡值為1.1 g時，其振動加速度頻譜如圖2所示，16 Hz處振動加速度82 dB＞77 dB，超過限值。

顯然16 Hz接近電機轉(zhuǎn)速頻率17.5 Hz，故可斷定超標原因為不平衡量過大。經(jīng)過反復測試，最終確定當電機現(xiàn)場不平衡量小于0.8 g時其基頻振動可滿足要求，而為了使電機能達到這個要求，改進了轉(zhuǎn)子浸漆、加工等工藝，增加轉(zhuǎn)子同軸風扇單獨校靜平衡工序，并規(guī)定在轉(zhuǎn)子校動平衡時不平衡量小于0.5 g。通過以上措施，可保證電機基頻振動合格，改進后的測試曲線如圖3所示，16 Hz處振動加速度級為74.47 dB＜77dB。

2.2 31.5 Hz振動加速度級超標及其改進措施

在幅壓直流電動機的測振試驗中，曾出現(xiàn)過16.5 Hz合格但31.5 Hz不合格的情況，如圖4所示，反復校動平衡后該現(xiàn)象無改善且有加劇現(xiàn)象。31.5 Hz接近2倍轉(zhuǎn)頻，故可斷定該現(xiàn)象是由于軸線失準導致。

為驗證上述判斷，將電機放置在機床上重新測試前后軸承、端蓋的同心度等尺寸，發(fā)現(xiàn)由于裝配時受力變形，電機機座后端蓋止口處偏心0.09 mm，嚴重超差，從而導致2倍頻振動超標。針對此情況，改進電機裝配工藝、盡可能減小拆裝電機時關(guān)鍵部件的受力，從而減小其變形，保證軸線準度。改進后測試曲線如圖5所示，31.5 Hz處振動加速度級為77.47 dB ＜ 81dB。

圖3 改進后振動加速度頻譜

圖4 2倍頻振動超標時時振動加速度頻譜

圖5 改進后振動加速度頻譜

2.3 80 Hz振動加速度級超標及其改進措施

在幅壓直流電動機的測振試驗中，出現(xiàn)80Hz振動加速度不合格的現(xiàn)象，如圖6所示，從圖中可看出電機基頻、2倍頻處振動均在合格范圍內(nèi)。該電機使用的軸承型號為SKF6210，對應圖1中的尺寸參數(shù)分別為：D=90 mm，d=50 mm，z=11，β=15°。由公式（2）可知當軸承內(nèi)環(huán)故障時，引起的振動特征頻率為73.95 Hz，接近80 Hz。

基于以上判斷，對電機的軸承進行了更換，更換后測試曲線如圖7所示，80 Hz處振動指標74.54 dB ＜ 88 dB。

圖6 80 Hz振動超標時時振動加速度頻譜

圖7 改進后振動加速度頻譜

圖8 高頻振動超標時時振動加速度頻譜

2.4 高頻振動加速度級超標及其改進措施

在電機振動測試時，有較大概率出現(xiàn)高頻振動超標，主要是3.15 kHz振動加速度超標的現(xiàn)象，如圖7所示。該電機換向片數(shù)量為185，按公式（6）可知由于換向器與電刷接觸不良導致的振動特征頻率為：

與3.15 kHz非常接近，故可斷定該頻段振動超標是由電機換向器與電刷接觸不良導致。

圖9 改進后振動加速度頻譜

為解決上述問題，對換向器制造工藝，包括烘壓、加工、溝槽等行了優(yōu)化，對電刷硬度選擇提出了明確要求，對彈簧壓力等也進行了適當調(diào)整，進行上述工作后，電機高頻振動加速度頻譜如圖8所示，3.15 kHz處振動加速度級為101.68 dB ＜ 104 dB。

3 結(jié)論

通過對幅壓直流電動機的振動影響因素的分析以及實驗，驗證了電機振動容易超標的頻率點對應的原因以及相應的改進措施，保證了電機的振動指標合格，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

[1]崔劍,崔國勛,王宇.電機振動故障的頻譜分析與診斷[J].防爆電機,1994,1(1): 11-16.

[2]易良榘.簡易振動診斷現(xiàn)場實用技術(shù)[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2003.

[3]高耀智.基于 1(1/2)維波與小波包相結(jié)合的滾動軸承的故障診斷[D].2009: 10-11.

[4]李晞.直流電機噪聲分析及降噪的工藝措施[J].船電技術(shù),2012,32（7）: 43-46.