裝配式電機(jī)底腳的有限元模態(tài)分析

王國龍,孫軍建,李亞麗

(臥龍電氣驅(qū)動集團(tuán)股份有限公司，浙江 紹興 312300)

0 引 言

隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)運行的噪音和振動已經(jīng)成為電機(jī)重要的評價指標(biāo)，客戶對電機(jī)的噪聲和振動要求越來越高。而電機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計直接決定了電機(jī)的模態(tài)振型，并對電機(jī)最終的噪音振動狀態(tài)起著決定性作用。這就要求在電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中需要進(jìn)行必要的模態(tài)分析對比，確定最佳的電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案[1-3]。

隨著模態(tài)分析理論的完善以及計算機(jī)輔助分析技術(shù)的發(fā)展，利用有限元分析軟件可以對電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行模態(tài)分析，從而有效提高電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的效率和質(zhì)量[4-5]。

1 設(shè)計案例

1.1 案例描述

現(xiàn)需開發(fā)一款315機(jī)座號三相異步電動機(jī)裝配式底腳結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min。為了在電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的選擇過程中，能夠選擇出最佳方案，現(xiàn)對3種底腳設(shè)計方案進(jìn)行模態(tài)有限元分析，通過分析各階激振頻率，確定電機(jī)的激振頻率是否滿足要求，從而對比選出最佳設(shè)計方案[8-9]。

1.2 結(jié)果判定依據(jù)

機(jī)械設(shè)備的固有頻率與主要激勵頻率應(yīng)有至少15%的隔離裕度。

在相同的約束，負(fù)載條件下，通過不同裝配式底腳設(shè)計方案的模態(tài)分析結(jié)果對比，優(yōu)選出最佳方案。

2 模態(tài)分析

2.1 實體建模

對3種電機(jī)裝配式底腳結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行實體建模，形成的電機(jī)三維模型如圖1，圖2，圖3所示。3種裝配式底腳的設(shè)計方案的不同點主要有：方案一電機(jī)底腳傾斜45°角安裝固定，方案二和方案三底腳豎直安裝固定，方案三兩個固定孔之間的距離比方案二長102 mm。

圖1 結(jié)構(gòu)方案一

圖2 結(jié)構(gòu)方案二

圖3 結(jié)構(gòu)方案三

2.2 前處理及網(wǎng)格劃分

3種方案的模態(tài)分析過程中的約束，接觸，負(fù)載，材料特性，附加質(zhì)量等設(shè)置保持一致，以下說明過程以方案一為例[10-11]。

(1)約束

設(shè)定底面螺栓孔約束，4個底腳螺栓孔設(shè)置為固定約束，將底腳平面設(shè)置為僅有壓縮的約束，如圖4所示。

圖4 約束設(shè)置

(2)接觸

商業(yè)銀行是金融企業(yè)，其破產(chǎn)退出是一種正常的市場現(xiàn)象，允許經(jīng)營困難的商業(yè)銀行破產(chǎn)也是世界各國的普遍做法。與一般的企業(yè)不同，商業(yè)銀行在市場體系中居于重要地位，其倒閉或破產(chǎn)有可能影響公眾信心，引發(fā)金融風(fēng)險，因此，針對出現(xiàn)經(jīng)營困難的商業(yè)銀行，有必要制定一套從發(fā)現(xiàn)、判斷風(fēng)險到分類處置的市場化、法治化制度體系，以防范和化解系統(tǒng)性金融風(fēng)險，維護(hù)金融穩(wěn)定。

①軸承位置處定、轉(zhuǎn)子之間采用平面的X和Y方向各用2個彈簧進(jìn)行連接，彈簧的剛度系數(shù)為2.5×108N/m，設(shè)定其阻尼系數(shù)為0，如圖5所示。

圖5 定轉(zhuǎn)子之間接觸設(shè)置

②過盈配合均采用綁定接觸。

(3)材料特性

分析過程中用到的材料屬性，如表1所示。

表1 主要材料及特性

在模態(tài)分析過程中，定子鐵心等效為一個實體，其密度由線定子總質(zhì)量和定子鐵心實體體積等效得出。

(4)附加質(zhì)量

在模態(tài)分析中，部分零部件以等效質(zhì)量的形式參與計算，如圖6所示，附加質(zhì)量如表2所示。

圖6 附加質(zhì)量

表2 附件質(zhì)量及位置

(5)網(wǎng)格劃分

結(jié)構(gòu)方案一網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7所示。方案一網(wǎng)格劃分節(jié)點數(shù)2207450，網(wǎng)格數(shù)1259291；方案二網(wǎng)格劃分節(jié)點數(shù)1907560，網(wǎng)格數(shù)102859；方案三網(wǎng)格劃分節(jié)點數(shù)2090702，網(wǎng)格數(shù)1990201。

圖7 網(wǎng)格劃分

2.3 計算結(jié)果

由于電機(jī)結(jié)構(gòu)的前三階模態(tài)振型為具備最大振動能量的模態(tài)，所以在計算時，直接計算電機(jī)的前4階固有頻率。結(jié)構(gòu)方案一計算結(jié)果如圖8～圖11所示，3種結(jié)構(gòu)方案計算結(jié)果匯總數(shù)據(jù)如表3所示。

圖8 結(jié)構(gòu)方案一的一階模態(tài)

圖9 結(jié)構(gòu)方案一的二階模態(tài)

圖10 結(jié)構(gòu)方案一的三階模態(tài)

圖11 結(jié)構(gòu)方案一的四階模態(tài)

表3 三種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案計算結(jié)果匯總

模態(tài)頻率結(jié)構(gòu)方案一結(jié)構(gòu)方案二結(jié)構(gòu)方案三一階模態(tài)頻率/Hz74.5691.12102.42二階模態(tài)頻率/Hz84.1297.58105.73三階模態(tài)頻率/Hz170.58135.65158.85四階模態(tài)頻率/Hz199.74195.49202.31

2.4 結(jié)果分析

電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速頻率為50 Hz，與結(jié)構(gòu)方案一的第一階固有頻率隔離裕度為49.12%，與結(jié)構(gòu)方案二的第一階固有頻率隔離裕度為82.24%，與結(jié)構(gòu)方案三的第一階固有頻率隔離裕度為104.84%，3種方案均滿足15%的隔離裕度。

由3種方案的計算結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)方案三的一到四階模態(tài)頻率均高于方案一和方案二，結(jié)構(gòu)方案三為優(yōu)選方案。

3 總 結(jié)

通過對3種電機(jī)裝配式底腳方案的設(shè)計和計算，利用有限元分析軟件分別進(jìn)行了分析對比，最終得出了優(yōu)選方案。通過本文的分析，今后在進(jìn)行電機(jī)裝配式底腳的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，優(yōu)先采用方案三的結(jié)構(gòu)形式。再次證明利用有限元分析軟件進(jìn)行設(shè)計分析，能夠有效評估結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。