磁浮車(chē)輛輔助變流器的風(fēng)機(jī)軸承振動(dòng)失效分析

丁 杰，尹 亮，楊小高

（湖南文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 常德 415000）

磁浮列車(chē)作為一種新型軌道交通工具，利用同性相斥、異性相吸的原理，使車(chē)體完全脫離軌道而懸空行駛，具有乘坐舒適、安全性高、占地少、選線靈活等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的發(fā)展前景[1–3]。為了有效降低能耗，磁浮列車(chē)的車(chē)體和安裝設(shè)備采用結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，盡可能選用效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和重量輕的零部件，并須確保車(chē)底設(shè)備的質(zhì)量均勻分配。

外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，作為散熱風(fēng)機(jī)已較為廣泛地應(yīng)用在軌道交通裝備領(lǐng)域。然而由于外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子之間采用間隙配合方式，振動(dòng)激勵(lì)下容易出現(xiàn)軸承故障，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的可靠性。根據(jù)故障的形成機(jī)理，外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)的軸承故障可分為電腐蝕故障和機(jī)械激勵(lì)故障，前者因軸承軸電流導(dǎo)致軸承局部熔融，可以借鑒仿真分析方法和已有的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)[4–6]，后者因風(fēng)機(jī)本身或外部環(huán)境的振動(dòng)載荷導(dǎo)致軸承磨損。由于風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)、安裝環(huán)境和載荷條件的復(fù)雜性，風(fēng)機(jī)軸承故障的分析與解決值得引起人們的關(guān)注。

由于外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)特殊的定轉(zhuǎn)子配合方式，相關(guān)研究較少。風(fēng)機(jī)軸承故障分析中，主要針對(duì)故障信號(hào)的非平穩(wěn)、非線性等特點(diǎn)，應(yīng)用不同的方法進(jìn)行故障信號(hào)的特征提取。潘作為等[7]針對(duì)包絡(luò)分析中的濾波頻帶參數(shù)對(duì)軸承故障診斷分析結(jié)果影響大的問(wèn)題，提出復(fù)數(shù)小波分解與快速包絡(luò)相結(jié)合的分析方法。齊詠生等[8]考慮到風(fēng)機(jī)軸承振動(dòng)信號(hào)的非線性和非穩(wěn)定性，提出聚合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和能量算子解調(diào)的算法，為風(fēng)機(jī)軸承故障的監(jiān)測(cè)診斷提供支持。張俊等[9]針對(duì)風(fēng)機(jī)滾動(dòng)軸承的微弱故障信號(hào)易被強(qiáng)背景噪聲掩蓋的特點(diǎn)，提出結(jié)合變分模態(tài)分解和最大相關(guān)翹度解卷積的故障診斷方法。為了探究外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)的故障機(jī)理，需要掌握風(fēng)機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下的激勵(lì)和振動(dòng)特性。劉鋒等[10]根據(jù)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剛度特性，分析了復(fù)雜工況導(dǎo)致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)徑向擾動(dòng)時(shí)的振動(dòng)特性。謝穎等[11]基于有限元法計(jì)算電機(jī)瞬態(tài)電磁場(chǎng)，計(jì)算電磁力波并分析其時(shí)域和頻域特性，還開(kāi)展了端環(huán)斷裂這一類(lèi)異常情況對(duì)電機(jī)電磁性能與電磁振動(dòng)的影響研究[12]。王曉遠(yuǎn)等[13]通過(guò)建立電機(jī)的電磁、結(jié)構(gòu)和噪聲有限元模型，計(jì)算并得到永磁同步電機(jī)的電磁激振力與振動(dòng)噪聲特性。

本文以某磁浮列車(chē)輔助變流器的外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)風(fēng)機(jī)軸承故障問(wèn)題進(jìn)行風(fēng)機(jī)裝車(chē)線路運(yùn)行和試驗(yàn)臺(tái)架安裝運(yùn)行的振動(dòng)測(cè)試和頻響測(cè)試，揭示風(fēng)機(jī)軸承快速失效的原因，并提出實(shí)驗(yàn)室復(fù)現(xiàn)故障以及整改的方案，為解決外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)彈性安裝的這一類(lèi)雙質(zhì)量振子系統(tǒng)振動(dòng)故障問(wèn)題提供指導(dǎo)。

1 風(fēng)機(jī)裝車(chē)線路運(yùn)行的測(cè)試及分析

1.1 風(fēng)機(jī)故障及測(cè)試方案

某磁浮列車(chē)采用3節(jié)編組，兩端為MC1車(chē)，中間為M車(chē)，每車(chē)下方均安裝了一臺(tái)輔助變流器。輔助變流器底部安裝了4 臺(tái)用于冷卻的外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)，依次編號(hào)為風(fēng)機(jī)1至風(fēng)機(jī)4，如圖1所示。磁浮列車(chē)上線運(yùn)行幾個(gè)月后發(fā)現(xiàn)輔助變流器的風(fēng)機(jī)出現(xiàn)較大規(guī)模的軸承快速失效問(wèn)題，故障主要表現(xiàn)為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸與軸承內(nèi)圈、軸承碟形彈簧、軸承端面的快速磨損，其使用壽命遠(yuǎn)低于本身的設(shè)計(jì)壽命，嚴(yán)重影響到輔助變流器的可靠運(yùn)行和磁浮列車(chē)的行車(chē)安全。

圖1 輔助變流器的結(jié)構(gòu)示意圖

為了分析風(fēng)機(jī)軸承短期內(nèi)快速失效的原因，采用B&K 3053B 振動(dòng)噪聲測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)展了實(shí)際線路運(yùn)行的振動(dòng)測(cè)試。根據(jù)風(fēng)機(jī)在輔助變流器中的位置及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在頭車(chē)（MC1車(chē)）和中間車(chē)（M車(chē)）的輔助變流器風(fēng)機(jī)軸承底座中部均布置了B&K 4535B三向加速度傳感器。由于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在車(chē)輛運(yùn)行時(shí)是相對(duì)穩(wěn)定的，測(cè)試最大頻率取6.4 kHz，該頻率值可以滿足大多數(shù)工程應(yīng)用的需要。測(cè)試工況分為起浮、線路運(yùn)行和停車(chē)運(yùn)行3種。

1.2 振動(dòng)特性分析

圖2為起浮過(guò)程的垂向加速度曲線和M車(chē)風(fēng)機(jī)4的振動(dòng)加速度頻率-時(shí)間-幅值色譜圖，其余工況的結(jié)果未列出。通過(guò)三種測(cè)試工況的振動(dòng)加速度時(shí)間歷程曲線對(duì)比，可知：

圖2 起浮工況的垂向加速度曲線和色譜圖

(1)M車(chē)的振動(dòng)加速度有效值大于MC1車(chē)；

(2)3個(gè)方向的振動(dòng)中，垂向的振動(dòng)最大；

(3)3 種工況下，風(fēng)機(jī)的振動(dòng)加速度不存在明顯的幅值及頻率的改變，風(fēng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，沒(méi)有因線路工況突變產(chǎn)生的振動(dòng)突變或放大現(xiàn)象，振動(dòng)加速度有效值基本相等，線路激勵(lì)對(duì)風(fēng)機(jī)振動(dòng)的影響非常有限；

(4)M車(chē)中，振動(dòng)有效值從大到小的順序?yàn)轱L(fēng)機(jī)4、風(fēng)機(jī)2、風(fēng)機(jī)3和風(fēng)機(jī)1，而MC1車(chē)中，振動(dòng)有效值從大到小的順序?yàn)轱L(fēng)機(jī)1、風(fēng)機(jī)3、風(fēng)機(jī)4和風(fēng)機(jī)2。

為了分析各風(fēng)機(jī)的振動(dòng)特性及振動(dòng)激勵(lì)的源頭，對(duì)風(fēng)機(jī)的加速度頻譜曲線進(jìn)行分析。圖3為M車(chē)風(fēng)機(jī)2 和風(fēng)機(jī)4 的振動(dòng)加速度頻譜曲線。為便于觀察0～1 200 Hz 中低頻段的加速度頻譜曲線的特征，采用子圖方式且縱坐標(biāo)軸取對(duì)數(shù)刻度。由圖3可知：

圖3 不同工況下M車(chē)風(fēng)機(jī)2和風(fēng)機(jī)4的加速度頻譜曲線

(1)輔助變流器風(fēng)機(jī)振動(dòng)主要為0～800 Hz的低頻振動(dòng)及5 600 Hz～6 400 Hz 的高階電流諧波激勵(lì)所產(chǎn)生的振動(dòng)；

(2)風(fēng)機(jī)2至風(fēng)機(jī)4在200 Hz左右存在較為密集且幅值較大的峰值；

(3)風(fēng)機(jī)的振動(dòng)在整個(gè)頻域內(nèi)皆存在較為明顯對(duì)應(yīng)于電流諧波激勵(lì)的頻率成分（50 Hz的倍頻），且高頻段尤為顯著；

(4)諸多存在明顯的對(duì)應(yīng)于內(nèi)圈、外圈、滾珠和保持架故障的振動(dòng)信號(hào)中，以MC1 車(chē)風(fēng)機(jī)2 和風(fēng)機(jī)3的內(nèi)圈故障特征最為明顯，對(duì)M車(chē)而言，則以風(fēng)機(jī)2的滾珠故障特征最為明顯；

(5)各風(fēng)機(jī)基頻及與其扇葉通過(guò)頻率對(duì)應(yīng)的頻率成分振動(dòng)量級(jí)相對(duì)較小。

1.3 頻響函數(shù)分析

在裝車(chē)的情況下，進(jìn)行了風(fēng)機(jī)的力錘敲擊試驗(yàn)。圖4為M 車(chē)風(fēng)機(jī)2 至風(fēng)機(jī)4 的頻響函數(shù)曲線，可以看出：

(1)風(fēng)機(jī)2的安裝頻率為228 Hz；

(2)風(fēng)機(jī)3 的安裝頻率為184 Hz，在770 Hz 處也出現(xiàn)一個(gè)峰值；

(3)風(fēng)機(jī)4 的安裝頻率為204 Hz，其與4 階電流諧波（200 Hz）及電磁力波（194 Hz）非常接近，有發(fā)生耦合共振的風(fēng)險(xiǎn)；

(4)風(fēng)機(jī)2至風(fēng)機(jī)4的頻響函數(shù)曲線表現(xiàn)出不同的峰值頻率，這與輔助變流器柜體的輕量化設(shè)計(jì)有關(guān)，由于柜體的板材較薄，整體的剛度較小，且不同部位的剛度有差異，例如風(fēng)機(jī)2和風(fēng)機(jī)4的一側(cè)靠近柜體側(cè)板，而風(fēng)機(jī)3的兩側(cè)距柜體側(cè)板的距離較遠(yuǎn)，風(fēng)機(jī)3 安裝結(jié)構(gòu)的剛度低于風(fēng)機(jī)2 和風(fēng)機(jī)4 的安裝結(jié)構(gòu)剛度，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)3 的安裝頻率偏低，圖4中的峰值頻率將在后面進(jìn)行分析討論。

圖4 M車(chē)風(fēng)機(jī)2至風(fēng)機(jī)4的頻響函數(shù)曲線

2 風(fēng)機(jī)臺(tái)架安裝的測(cè)試及分析

2.1 振動(dòng)頻譜特性分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證風(fēng)機(jī)與前面分析出的4階電流諧波及電磁力波存在耦合共振的可能性，在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)展了臺(tái)架安裝條件下的振動(dòng)測(cè)試。將風(fēng)機(jī)固定于鋁合金支架上，軸承底座中部、支架中部、風(fēng)機(jī)安裝座布置三向加速度傳感器，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行通電變頻試驗(yàn)，如圖5所示。為了準(zhǔn)確獲得風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)信息，設(shè)置最大測(cè)試頻率為25.6 kHz。為考慮彈片安裝方式的影響，測(cè)試方案分為原始彈片、拆除彈片和增加彈片3 種。在臺(tái)架上，還進(jìn)行了頻響函數(shù)的測(cè)試，在已布置的加速度傳感器基礎(chǔ)上，風(fēng)機(jī)軸端增加了一個(gè)加速度傳感器。

圖5 臺(tái)架安裝條件下的振動(dòng)測(cè)試

圖6為外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在不同彈片安裝方案下的振動(dòng)加速度有效值隨電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線。由圖6可知，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，風(fēng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)數(shù)個(gè)共振轉(zhuǎn)速工況，此時(shí)風(fēng)機(jī)振動(dòng)將被放大，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)軸、軸承內(nèi)圈、滾珠和外圈四個(gè)部位的碰磨劇增。在不同彈片安裝方案下，風(fēng)機(jī)振動(dòng)加速度有效值存在較大的差異?？傮w而言，剛度越小振動(dòng)加速度就越小，其最大的差異性體現(xiàn)主要為隨著彈片數(shù)目的增加風(fēng)機(jī)共振工況數(shù)、共振峰值和頻率皆隨之增加?？梢?jiàn)對(duì)于特定轉(zhuǎn)速的風(fēng)機(jī)，可通過(guò)優(yōu)化彈片將風(fēng)機(jī)的共振轉(zhuǎn)速移出該轉(zhuǎn)速范圍來(lái)抑制風(fēng)機(jī)的振動(dòng)。

圖6 不同彈片方案下風(fēng)機(jī)振動(dòng)加速度隨轉(zhuǎn)速工況的變化

2.2 振動(dòng)階次分析

為進(jìn)一步闡明電機(jī)共振轉(zhuǎn)速的激勵(lì)源和主要共振模態(tài)，對(duì)電機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行階次分析。圖7為原始方案風(fēng)機(jī)振動(dòng)加速度頻率-轉(zhuǎn)速-幅值色譜圖。

圖7 原始方案的風(fēng)機(jī)振動(dòng)加速度頻率-轉(zhuǎn)速-幅值色譜圖

圖8為4 階次的轉(zhuǎn)速-加速度曲線，其余方案的色譜圖和主要階次的轉(zhuǎn)速-加速度曲線未列出。

圖8 不同彈片方案下4階次振動(dòng)加速度隨轉(zhuǎn)速工況的變化

圖9為臺(tái)架安裝情況下風(fēng)機(jī)各測(cè)點(diǎn)垂向加速度頻響曲線。由這些圖可以看出：

圖9 臺(tái)架安裝情況下風(fēng)機(jī)各測(cè)點(diǎn)垂向加速度頻響曲線

(1)3.0、4.0、4.39、5.0為風(fēng)機(jī)振動(dòng)的主要階次，分別對(duì)應(yīng)于電機(jī)的3.0階電磁力波、4.0階電磁力波、軸承內(nèi)圈故障激勵(lì)（機(jī)械加電磁）、5.0階電磁力波加風(fēng)扇激勵(lì)（葉片通過(guò)激勵(lì)）；

(2)在風(fēng)機(jī)模態(tài)頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速工況，風(fēng)機(jī)存在明顯的共振現(xiàn)象，例如：風(fēng)機(jī)3.0 階次電磁激振力波共振轉(zhuǎn)速工況為2 910 r/min（145 Hz）和3 325 r/min（166 Hz），風(fēng)機(jī)4.0階次電磁激振力波共振轉(zhuǎn)速工況為2 475 r/min（166 Hz）和2 760 r/min（188 Hz），風(fēng)機(jī)4.39 階對(duì)應(yīng)內(nèi)圈故障激勵(lì)的共振轉(zhuǎn)速工況為2 275

r/min（166 Hz）和2 500 r/min（188 Hz）；

(3)風(fēng)機(jī)5.0 階電磁激振力波共振轉(zhuǎn)速工況為2 455 r/min（204 Hz）和2 750 r/min（228 Hz），風(fēng)機(jī)垂向加速度頻響曲線不存在對(duì)應(yīng)峰值的原因可能為錘擊時(shí)未激勵(lì)起該模態(tài)，結(jié)合風(fēng)機(jī)在裝車(chē)線路運(yùn)行時(shí)垂向加速度的5 階成分小于臺(tái)架試驗(yàn)的情況，其原因可能與風(fēng)機(jī)控制電流有較大關(guān)系；

(4)彈片安裝情況對(duì)風(fēng)機(jī)各階次的振動(dòng)存在較大的影響，尤其共振轉(zhuǎn)速工況的轉(zhuǎn)速和幅值的影響特別明顯，需重點(diǎn)關(guān)注。

3 風(fēng)機(jī)故障的原因分析

通過(guò)前面分析得出風(fēng)機(jī)在裝車(chē)條件下200 Hz附近存在風(fēng)機(jī)本體與激勵(lì)的多重耦合共振，從而導(dǎo)致軸承快速磨損的結(jié)論。下面將從風(fēng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型角度進(jìn)行分析。

圖10 為外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖，基于此，可以建立外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)垂向動(dòng)力學(xué)模型，并將其進(jìn)一步簡(jiǎn)化為安裝于彈性基礎(chǔ)上的雙振子動(dòng)力學(xué)模型，如圖11所示。圖11（b）中，m1為第一級(jí)振子，其質(zhì)量為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量，剛度k1主要由1 號(hào)軸承及波形彈片提供；m2為第二級(jí)振子，其質(zhì)量為風(fēng)機(jī)定子質(zhì)量，剛度k2主要由風(fēng)機(jī)支撐架提供。

圖10 外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

圖11 外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)的雙質(zhì)量振子系統(tǒng)

根據(jù)振動(dòng)基本理論[14]可知，外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)振子系統(tǒng)最為主要的模態(tài)為兩振子的同向共振模態(tài)及反向共振模態(tài)，其正好與風(fēng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)頻響函數(shù)曲線中的166 Hz（相位相同）及188 Hz（相位相反）頻響峰值所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)模態(tài)，而在裝車(chē)情況下，風(fēng)機(jī)振子系統(tǒng)則與184 Hz和204 Hz頻響峰值相應(yīng)的模態(tài)（安裝條件有差異）對(duì)應(yīng)。通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)可以很明顯地發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的電機(jī)在166 Hz 和188 Hz 處存在強(qiáng)烈的電磁力波-電機(jī)振子系統(tǒng)的耦合共振，根據(jù)動(dòng)力學(xué)類(lèi)比關(guān)系、模態(tài)頻率耦合及大振動(dòng)峰值存在的事實(shí)，可以基本確定裝車(chē)情況下，風(fēng)機(jī)振子系統(tǒng)兩振子反向振動(dòng)模態(tài)（204 Hz）在額定轉(zhuǎn)速工況（2 900 r/min）下，與風(fēng)機(jī)4 階電磁力波激勵(lì)（194 Hz）、4 階電流諧波激勵(lì)（200 Hz）以及內(nèi)圈故障激勵(lì)加對(duì)應(yīng)的電磁力波激勵(lì)（214 Hz）之間存在多重耦合的共振行為，并且這種耦合共振行為會(huì)隨著時(shí)間的推移逐步惡化。

總體而言，磁浮輔助變流器風(fēng)機(jī)振子系統(tǒng)的軸承故障衍化的歷程可描述為：

(1)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子-定子反相振動(dòng)模態(tài)耦合共振，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸與內(nèi)圈、波形彈片的碰磨；

(2)磨損程度加大，振動(dòng)進(jìn)一步放大，導(dǎo)致軸-內(nèi)圈-波形彈片-滾珠-外圈碰磨；

(3)軸-內(nèi)圈-波形彈片-滾珠-外圈碰磨進(jìn)一步加劇軸承內(nèi)部故障（滾珠和內(nèi)圈故障的可能性極大，可由現(xiàn)場(chǎng)反饋的軸承內(nèi)圈出現(xiàn)大量掉粉的情況佐證，見(jiàn)圖12）和異響產(chǎn)生。

圖12 外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)的軸承掉粉

4 實(shí)驗(yàn)室條件下的故障復(fù)現(xiàn)

根據(jù)軌道交通行業(yè)的強(qiáng)制性要求，軌道車(chē)輛的安裝部件必須經(jīng)過(guò)GB/T 21563－2018《軌道交通機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)備 沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》（等同采用IEC 61373）中規(guī)定的長(zhǎng)壽命隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的驗(yàn)證。外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)在產(chǎn)品的型式試驗(yàn)中表現(xiàn)正常，然而由于外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)的振動(dòng)特性與輔助變流器柜體風(fēng)機(jī)安裝支座的彈性及模態(tài)特性有關(guān)，在實(shí)驗(yàn)室條件下按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的長(zhǎng)壽命隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，很難使外轉(zhuǎn)子風(fēng)機(jī)在其故障的特定振動(dòng)形態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此往往無(wú)法復(fù)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的故障。

為此，提出了結(jié)合磁浮列車(chē)線路運(yùn)行的實(shí)測(cè)載荷譜與產(chǎn)品幾何結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)方案。具體如下：首先通過(guò)列車(chē)線路運(yùn)行的風(fēng)機(jī)振動(dòng)特性測(cè)試，獲得風(fēng)機(jī)振動(dòng)頻譜特性與振動(dòng)響應(yīng)量級(jí)，識(shí)別出風(fēng)機(jī)振動(dòng)過(guò)大或異常的情況；然后開(kāi)展故障風(fēng)機(jī)的頻響及模態(tài)特性測(cè)試，獲得風(fēng)機(jī)在裝車(chē)情況下的軸向振動(dòng)模態(tài)；再開(kāi)展臺(tái)架安裝下的風(fēng)機(jī)掃頻及模態(tài)特性測(cè)試，獲得風(fēng)機(jī)的共振轉(zhuǎn)速、頻響函數(shù)和模態(tài)特性等，對(duì)比裝車(chē)條件下的測(cè)試結(jié)果，定位故障原因，并確定風(fēng)機(jī)故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)的加載方式；最后參照IEC 61373標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的功率譜密度譜型，按照實(shí)測(cè)載荷譜歸納整理方法[15]確定振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)試驗(yàn)的功率譜密度幅值，開(kāi)展振動(dòng)試驗(yàn)并做好監(jiān)測(cè)工作。

針對(duì)該風(fēng)機(jī)的故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)，采用窄帶隨機(jī)譜，上下限頻率分別為192 Hz和176 Hz，垂向振動(dòng)加速度為1 g。經(jīng)過(guò)5 h 的試驗(yàn)，成功復(fù)現(xiàn)風(fēng)機(jī)軸承過(guò)度磨損的故障，風(fēng)機(jī)軸承和碟形彈簧的故障表現(xiàn)形式與現(xiàn)場(chǎng)完全一致。

5 風(fēng)機(jī)故障的整改方案

為了解決風(fēng)機(jī)短期內(nèi)快速出現(xiàn)故障的問(wèn)題，需要避免系統(tǒng)的共振發(fā)生。一般而言，避免系統(tǒng)產(chǎn)生共振主要有調(diào)整激勵(lì)規(guī)避結(jié)構(gòu)的共振模態(tài)及調(diào)整結(jié)構(gòu)使其固有頻率與激勵(lì)頻率不產(chǎn)生耦合兩個(gè)途徑。對(duì)于該風(fēng)機(jī)，在不改變?cè)酗L(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及輔助變流器的情況下，可從以下方面開(kāi)展整改工作：

(1)調(diào)整波形彈片的剛度。根據(jù)前面的分析可知，改變波形彈片剛度能有效地改變風(fēng)機(jī)第一級(jí)振子系統(tǒng)的剛度k1，進(jìn)而改變風(fēng)機(jī)振子系統(tǒng)的固有頻率，從理論分析和測(cè)試效果來(lái)看，較小的波形彈片剛度更有利于抑制風(fēng)機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)振動(dòng)。具體操作時(shí)，需要結(jié)合裝車(chē)情況下的變頻試驗(yàn)來(lái)分析，調(diào)節(jié)剛度后的預(yù)緊力大小通過(guò)調(diào)節(jié)卡環(huán)高度來(lái)實(shí)現(xiàn)其預(yù)壓縮量，該方案的整體實(shí)現(xiàn)難度較小，可行性大；

(2)優(yōu)化輔助變流器的電源，減小輸入給風(fēng)機(jī)的200 Hz 電流諧波。從前面的分析可知，風(fēng)機(jī)振子系統(tǒng)兩振子反向振動(dòng)模態(tài)與200 Hz 電流諧波幾乎完全耦合，該方案能極大減小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸與內(nèi)圈之間的相對(duì)滑移；

(3)改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。從前面的分析可知，風(fēng)機(jī)振子系統(tǒng)的共振主要出現(xiàn)在與其固有模態(tài)耦合的轉(zhuǎn)速工況，而該型號(hào)輔助變流器的風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速工況（2 900 r/min）恰巧與振子系統(tǒng)的模態(tài)發(fā)生耦合，考慮到對(duì)散熱的要求，結(jié)合前面的分析結(jié)果適當(dāng)提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而避免風(fēng)機(jī)產(chǎn)生耦合共振，該方案需要結(jié)合裝車(chē)情況下的變頻試驗(yàn)來(lái)分析，且需要改變輔助變流器的電流頻率。

經(jīng)過(guò)整改方案的綜合評(píng)估后，采用了優(yōu)化輔助變流器的電源方案，增加濾波器，調(diào)整輔助變流器的控制參數(shù)，使得200 Hz 電流諧波減小，該風(fēng)機(jī)的振動(dòng)故障最終得以解決。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)風(fēng)機(jī)定子反相振動(dòng)模態(tài)與風(fēng)機(jī)4 階電磁力波、4階電流諧波及軸承內(nèi)圈故障激勵(lì)相互耦合產(chǎn)生共振，是導(dǎo)致軸承快速磨損和故障的主要原因；

(2)適當(dāng)減小波形彈片的剛度、優(yōu)化輔助變流器電源的特定階次諧波電流和適當(dāng)提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可以規(guī)避風(fēng)機(jī)耦合共振的風(fēng)險(xiǎn)；

(3)進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮風(fēng)機(jī)振動(dòng)特性與安裝結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，減小風(fēng)機(jī)定轉(zhuǎn)子間的相對(duì)振動(dòng)及風(fēng)機(jī)傳遞給安裝基礎(chǔ)的激勵(lì)，從而延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。