渦旋壓縮機電機轉(zhuǎn)子動平衡設計與數(shù)值仿真

蘇亞鋒，張秀華,2，馮治國，吳 臻，吳艷英，路文開

(1.貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025；2.貴州民族大學 機械工程學院，貴陽 550025；3.貴州理工學院 機械工程學院，貴陽 550025)

0 引 言

渦旋壓縮機作為第三代新型壓縮機，以其結(jié)構(gòu)緊湊、高效節(jié)能、微振低噪、可靠性高、長壽命等特點，在小型制冷以及空調(diào)領域得到越來越廣泛應用，已成為壓縮機技術(shù)發(fā)展的主要方向[1-2]。但由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設計、材質(zhì)不均勻、制造安裝誤差等因素，導致電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的中心慣性軸線偏離其旋轉(zhuǎn)軸線，旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心慣性力所組成的力系不是一個平衡力系，造成轉(zhuǎn)子不平衡或失穩(wěn)。不平衡會引起轉(zhuǎn)子的撓曲，進而對支撐處的軸承產(chǎn)生動壓力，使電機產(chǎn)生振動和噪聲，加速軸承、軸封等零件的磨損，導致軸承失效甚至造成嚴重的事故[3-5]。而電動渦旋壓縮機電機的額定運行速度高達12 000 r/min，電機的振動給渦旋壓縮機的正常運行帶來了極大地安全隱患，因此為使電機在高速下平穩(wěn)運行，對渦旋壓縮機電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行動平衡設計與轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算尤為重要[6-7]。

本文以正在研發(fā)的4.5kW、12 000 r/min高速渦旋壓縮機電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為研究對象，采用雙面平衡法對該轉(zhuǎn)子進行動平衡設計，然后利用有限元法數(shù)值模擬該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，分析了平衡后轉(zhuǎn)子的各階臨界轉(zhuǎn)速，同時對電機轉(zhuǎn)子的平衡性能進行分析，最后進行了樣機制作，并成功配套某高速渦旋壓縮機。

1 渦旋壓縮機電機轉(zhuǎn)子動平衡設計

渦旋壓縮機的壓縮機構(gòu)與電機共用一根軸，電機主軸是傳遞動力的關(guān)鍵零件，主軸受力狀況直接影響到渦旋壓縮機的工作性能[1]。由于主軸為偏心機構(gòu)，旋轉(zhuǎn)時引起主軸運動不平衡，由電機轉(zhuǎn)子平衡理論知，該轉(zhuǎn)子軸向尺寸較大，屬于動平衡問題，需采用雙面平衡法對其進行動平衡設計[8]。

如圖1所示渦旋壓縮機電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要存在偏心軸段的偏心質(zhì)量m1和電機轉(zhuǎn)子的偏心質(zhì)量m2，各偏心質(zhì)量位于回轉(zhuǎn)平面1和平面2內(nèi)，轉(zhuǎn)子以角速度ω旋轉(zhuǎn)時它們產(chǎn)生慣性F1、F2將形成一空間力系，故轉(zhuǎn)子動平衡條件是:各偏心質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力的矢量和為0，以及慣性力矩矢量和也為0。

圖1 電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動平衡計算模型

即：

∑F=0,∑M=0

(1)

如圖1(b)所示，根據(jù)力的分解原理，可將力F分解成FA、FB兩個分力，方向與F一致，其大小分別為

FA=FL1/L，F(xiàn)B=F(L-L1)/L

(2)

為使轉(zhuǎn)子達到動平衡，按照圖1(b)可將F1、F2向A、B兩個平衡基面分解，這樣就將空間力系的動平衡問題轉(zhuǎn)化為平面力系的靜平衡問題，只要在基準平面A和B上加相應的平衡質(zhì)量，按照靜平衡方法計算即可。由于平衡基面B平衡量的確定與平衡基面A類似，以平衡基面A為例進行靜平衡計算:在該基面上加一平衡質(zhì)量mbA，使得下式成立：

F1A+F2A+FbA=0

(3)

即:

mbA=F1A+F2A/rbA

(4)

根據(jù)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)選定rbA，即可確定轉(zhuǎn)子的平衡質(zhì)量mbA，方向與F1A、F2A合力的方向相反。

按照上述分析代入相關(guān)數(shù)據(jù)，即可求出兩平衡基面所加平衡塊的質(zhì)量，平衡塊設計成扇形的形狀，然后用鉚釘固定在電機轉(zhuǎn)子的兩端面上。動平衡后的轉(zhuǎn)子模型如圖2所示。

圖2 電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動平衡后的模型

2 電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速計算

臨界轉(zhuǎn)速計算是旋轉(zhuǎn)機械設計中重要的內(nèi)容，準確的計算轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動平衡設計尤為重要[9]。臨界轉(zhuǎn)速的計算主要目的在于確定轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，并按照經(jīng)驗或相關(guān)的技術(shù)規(guī)定，將這些臨界轉(zhuǎn)速調(diào)整，使其適當?shù)倪h離機械的工作轉(zhuǎn)速，以得到可靠的設計。本次模型計算進行以下設置：

(1)忽略倒角、溝槽等對分析結(jié)果影響小的部分，電機轉(zhuǎn)子簡化為等效質(zhì)量的輪盤。

(2)軸承元件采用Bearing約束來模擬。

(3)設置旋轉(zhuǎn)速度0～12 000 r/min，并考慮陀螺效應[10]的影響。

(4)采用遠端位移約束來限制轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸向位移。

設置后的有限元模型如圖3所示：

圖3 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)邊界條件設置

圖4為渦旋壓縮機電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的坎貝爾圖，由于考慮了陀螺效應，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的特征頻率與其旋轉(zhuǎn)速度相關(guān)。計算不同旋轉(zhuǎn)速度時的頻率，可以得到各個模態(tài)頻率隨轉(zhuǎn)動速度的變化曲線，從圖中看出整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)(0～12 000 r/min),未出現(xiàn)臨界轉(zhuǎn)速點，電機轉(zhuǎn)子在高達12 000 r/min轉(zhuǎn)速下平穩(wěn)運行。

圖4 渦旋壓縮機電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)坎貝爾圖

表1列出了前6階不同轉(zhuǎn)速下的渦動頻率，可以看出不同轉(zhuǎn)速下渦動頻率之間表現(xiàn)出了相似性，值得注意的是前5階渦動方向出現(xiàn)了前后交替現(xiàn)象，對于高速電機轉(zhuǎn)子只考慮正向渦動，正向渦動增加了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剛性，更易激起振動，反向渦動沒有實際意義[11]。圖5為該電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)前6階模態(tài)特性。

表1 電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速及其不同轉(zhuǎn)速下的渦動特性

圖5 電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)前6階模態(tài)特性

3 樣機制作

在上述理論分析的基礎上，根據(jù)相關(guān)設計參數(shù)加工出高速電機轉(zhuǎn)子物理樣機如圖6所示。

圖6 電機轉(zhuǎn)子實物圖

該電機轉(zhuǎn)子已成功配套在某高速渦旋壓縮機上，并在實際高速運轉(zhuǎn)過程中渦旋壓縮機制冷效果較好，整機噪聲低，振感不明顯，說明該轉(zhuǎn)子動平衡設計合理，同時也間接的表明該方法可行性，為同類型電機轉(zhuǎn)子的設計和優(yōu)化提供借鑒。

4 結(jié) 語

根據(jù)渦旋壓縮機電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，采用雙面平衡法對高達12 000 r/min電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行動平衡設計，基于有限元法對該轉(zhuǎn)子進行模態(tài)分析和臨界轉(zhuǎn)速計算，由坎貝爾圖和模態(tài)振型可知該轉(zhuǎn)子在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)未出現(xiàn)臨界轉(zhuǎn)速點，解決了高速渦旋壓縮機的大寬徑比電機轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速內(nèi)易出現(xiàn)臨界轉(zhuǎn)速點而導致共振的問用題；最后根據(jù)相關(guān)設計參數(shù)制作出該轉(zhuǎn)子樣機，并成功配套某高速渦旋壓縮機，整機運作時微振低噪，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，表明該電機轉(zhuǎn)子動平衡設計合理，采雙面平衡法對此類電機轉(zhuǎn)子平衡切實可行。相關(guān)研究工作為渦旋壓縮機電機轉(zhuǎn)子設計提供一定的參考價值。