电机机座螺栓结合面振动特性研究

2013-06-12夏雪宝万俟昊天

船海工程 2013年2期

夏雪宝，向阳，万俟昊天，刘辉

(武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉430063)

螺栓结合面是非常普遍的机械结构连接形式，它使得机械结构不再具有连续性，因而螺栓结合面对机械结构的振动特性有很大的影响。由于结合面存在着接触刚度和接触阻尼，因此从力学的角度分析结合面问题，认为其与机械结构的静态特性、振动特性存在着十分密切的关系［1-2］。电机机座主要由端盖和圆筒组成，它们之间通过螺栓连接，存在螺栓结合面。因此研究不同螺栓结合面参数(螺栓预紧转矩、表面粗糙度、螺栓个数、表面加工方式)，对电机机座振动特性的影响规律有重要意义。同时，准确的螺栓结合面有限元建模方法，可为电机进行有限元分析奠定基础。

1 电机机座模态试验方案确定

某典型电机机座与底座是用6个橡胶隔振器相连，机座圆筒与端盖之间是通过12个螺栓相连，见图1。由于底座与地基固定，且底座刚性很大，减振器刚度相对较小，可认为底座与地基连为一体，视为刚体，不发生振动。

通过设计不同结合面参数下电机机座模态试验方案，并对比分析试验结果，从而确定电机螺栓结合面参数对电机振动特性的影响。以电机机座为对象确定的试验方案见表1。表中端盖a、b、c与圆筒配合的表面加工方式为车削，表面粗糙度分别为Ra=3.2、6.3、12.5μm，端盖d表面加工方式为磨削，表面粗糙度Ra=1.6μm，端盖e表面加工方式为铣削，表面粗糙度为Ra=3.2μm。机座圆筒表面加工方式为车削，其表面粗糙度为Ra=3.2μm。

图1 机座弹性连接实物示意

表1 电机机座模态试验方案

2 电机机座模态测试系统搭建

通过对电机机座进行模态分析［3］来研究螺栓结合面参数对电机模态的影响规律。模态试验是通过对实际结构的振动测试，识别振动系统的模态参数。实际操作过程中在试件上各点人为的施加激励，同时测量其响应，由此求出试件上各点的传递函数并最终计算出模态参数的方法是为试验模态分析。本试验采用比利时LMS公司的硬件和软件，搭建测试平台，试验系统结构见图2。

图2 测试系统结构

3 电机机座模态试验结果对比分析

通过表1可知，试验编号为1～4的试验可以确定不同端盖螺栓预紧转矩对电机机座模态的影响规律。表中100%螺栓预紧转矩为376 N·m，试验测得不同预紧转矩下机座前10阶固有频率见表2。

表2 机座固有频率随端盖螺栓预紧转扭的变化

对比各阶模态固有频率可以得出:预紧转矩为100%、50%时，机座各阶模态固有频率差别不大;预紧转矩为25%、10%时，固有频率较前2种状态有少许下降，且所能识别的相同的模态变少。

试验编号为1、5、6、7的试验可以确定不同螺栓个数对电机机座模态的影响规律。其中，端盖螺栓数为8、6、4时，是通过对称拆卸端盖螺栓来实现的。试验编号为1、8、9、10的试验可以确定不同端盖表面粗糙度对电机机座模态的影响规律。同样，对比试验编号为1和11的试验结果可以确定相同粗糙度下，车削和铣削这两种加工方式对电机机座模态的影响规律。试验测得试验编号为1和5～11的机座固有频率见表3和表4。

对比试验编号为1、5、6、7的结果可知，随着端盖预紧螺栓数量的减少，机座固有频率呈略微下降的趋势;对比1、8、9、10、11可知，端盖表面粗糙度和加工方式对机座的模态几乎没有影响。

表3 机座固有频率随端盖螺栓个数的变化

表4 机座固有频率随表面粗糙度和加工方式的变化

4 电机机座仿真模态分析

4.1 建模方法介绍

根据德国标准VDI2230可知螺栓连接件在连接件之间会形成一个如图3所示的45°压缩锥。螺栓预紧力在压缩锥以内可认为是均匀分布，压缩锥在结合面处形成圆环区，圆环内结合面的面压相等。

由于预紧力的作用，在压缩锥(如图4阴影部分所示)内会产生强大压力，由试验模态分析结论可知，当预紧转矩较大时，螺栓预紧转矩对机座模态影响甚微。因此对螺栓结合面有限元建模时，可以将压缩锥区域建立成刚性区域，对于螺栓头和螺母的作用区域内的节点(1、2、3、4、5和20、21、22、23、24，等)以中心节点为主节点用RBE2连接。对于结合面处，则分别以中心节点9和16(9和16为同一节点，即上下结合面以中心同一节点为主节点)为主节点，圆环内节点(6～12等和13～19等)为从节点建立RBE2单元，压缩锥以外的结合面建立接触单元。