挠性转子高速平衡的工艺研究

滕文江

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海　200240)

挠性转子高速平衡的工艺研究

滕文江

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海200240)

摘要：分析了影响挠性转子高速平衡的主要因素，针对高速平衡挠性转子的结构特点，重点介绍挠性转子高速平衡装置和具体实施方案，总结了在高速平衡过程中碰到问题和解决方法。实践证明：制定挠性转子高速平衡的工艺措施是可行的，完成了挠性转子的超速。

关键词：挠性转子；高速平衡；工艺研究

0引言

公司承担西气东输20 MW级电驱压缩机组电机的国产化研制任务。 20 MW超高速防爆变频调速同步电动机的转子设计为同步电动机转子与励磁发电机转子硬连接的三轴承结构。挠性转子高速平衡是大容量高转速电机制造关键工序之一。 针对20 MW超高速防爆变频调速同步电动机挠性转子结构特点，从制造工艺角度进行一些研究。

1影响挠性转子高速平衡的主要因素

转子系统的振动比较复杂，引起的原因也很多，利用“鱼刺图”分析，主要归纳为：同步机转子本体刚度不均匀；转子质量不平衡；转子高速运行以及电机内部循环风产生温度变化而引起的转子不平衡状态的改变；高速驱动装置对转子高速平衡影响；三轴承结构的轴承及基础的刚度；同步机转子与励磁机转子硬连接动态对中精度等。

2零部件加工设计、工艺主要保证措施

实践表明，零部件平衡精度高的转子运行时，比零部件平衡精度低的同类转子，其振动要小得多。为了获得较高平衡精度，必须采取相应改进措施。

1) 隐极同步机转子本体开有大小齿，使转子在两个互相垂直的轴线上刚度不等，为此设计改进转子本体月牙齿的设计尺寸，使二轴线截面主惯性矩或挠度相近以减小倍振振动[1]。 其次在转子轴系上设置多个平衡平面，特别在励磁机转子小轴端增加平衡盘。

2) 转子为大小齿铣槽结构，铣槽等分精度直接影响转子平衡，采用数控铣槽机或者数显分度装置来校正槽等分，槽形用专用成形铣刀铣槽工艺。

3) 同步机与励磁机轴配合面端面跳动必须金加工保证小于0.012 mm。

4) 每一组转子线圈称重配对，确保槽内线圈重量比较接近。

5) 护环、中心环装配过盈量达到3 mm， 采用护环加热，中心环干冰冷缩的工艺，确保护环、中心环套装间隙。由于护环与中心环配合过盈量比较大，易造成冷态收缩时内径变形，工艺调整为中心环内径放余量，装配后以护环外圆为基准，加工中心环内径。

6) 转子套装护环(包含中心环)过去经常发生偏心现象，为此工艺要求护环(包含中心环)在冷却过程中采取措施，即护环底部用千斤顶顶紧，并且用钢丝绳围包护环幷吊紧，要求冷却过程中，不断调整千斤顶顶紧力和钢丝绳围包护环吊紧力。要求常温后，测量护环外圆跳动小于0.08 mm，平面小于0.13 mm。

7) 联轴器单独校动平衡，采用液压套装联轴器，减少联轴器套装后变形。

8) 为了减少高速旋转时，工件相互之间产生影响，增速机构与拖动电机、电机转子均采用弹性膜片联轴器连接。膜片组由6个螺栓固定，束腰式优化设计，使扭矩压力分布均匀，转动惯量更低。在最大偏移量时，亦可传递最大扭矩。要求对中时，增速机构与拖动电机、电机转子连接外圆、端面跳动均需小于0.05 mm。

9) 轴承采用可倾瓦和多油叶滑动轴承，为轴系的稳定运行提供了良好的基础。

3柔性转子高速平衡总体思路

工作转速高于第一阶临界转速的转子称为挠性转子。经验表明，在高速平衡前进行低速下初始平衡可能是有利的，这对于仅受第一阶挠曲临界转速明显影响的转子特别有利[2]。

挠性转子高速平衡是模仿现场工况，在超速试验间平台上进行的。大多数情况下，每个转子分别做平衡，这种做法一般能保证藕合转子满意地运行[2]，因此转子高速平衡总体方案分为以下三个步骤：

同步机转子低速动平衡→高速动平衡→超速；

励磁机转子低速动平衡(由于励磁机转子为单轴承结构，需要配连接工具轴才能进行高速动平衡，平衡偏差比较大，故考虑与同步机转子连接后一起进行高速动平衡)；

同步机转子与励磁机转子硬连接后进行高速动平衡→超速。

4柔性转子高速平衡研究及具体实施方案

低速动平衡根据转子质量安排在相应动平衡机上进行，用允许的剩余不平衡量考核。高速平衡安排在试验台，利用增速装置和工装轴承进行高速动平衡。为了减少由于安装造成影响，要求转子安装在工装底架上。高速平衡考核转子三轴承振幅(轴振、座振)是否符合标准。

4.1同步机转子和励磁机转子低速动平衡

低速平衡一般用于刚性转子；高速平衡一般用于挠性转子。在有些情况下，某个部件可能会产生大的不平衡量。装配之前，先单独平衡该部件，装配后再做平衡可能是有利的[2]。低速平衡校正量一般放置在中央对称校正二平面。

同步机转子、励磁机转子低速动平衡的平衡转速和允许的剩余不平量确定。

4.2高速动平衡装置

根据同步机转子和励磁机转子质量、增速机构损耗、工装轴承阻尼和转子超速要求，确定拖动电机容量、转速和增速机构。

为了减少拖动电机、增速机构在超高速状态下对转子影响，必须事先对它们进行动平衡考核，满足要求后才能进行试验。

a) 拖动电机

使用1 000 kW-4P，转速1 500 r/min， 拖动电机电源调频范围50～70 Hz。

b) 增速机构

当输入端0～1 860 r/min， 输出端0～5 580 r/min，并满足输出端转速在0～4 800 r/min范围为恒转矩运行，在4 800～5 580 r/min范围为恒功率运行。

增速机构传动比：4 800 /1 600=3，使用系数KA=1.4。

增速机构动平衡精度按G1.0级考核，可以减少对被试电机转子平衡的影响。增速机构采用弹性膜片联轴器直接连接。

4.3拖动电机、增速机构、被试电机转子连接(如图1所示)

图1　高速动平衡装置示意图

拖动电机与增速机构连接后，要事先进行单独动平衡试验，要求在当输入端0～1 860 r/min， 输出端0～5 580 r/min时，增速机构轴向、垂直和水平振动振速均应小于1 mm/s，如果振动超过，必须进行现场动平衡，使振动值在允许范围内，确保拖动电机与增速机构连接是符合要求的。

5高速动平衡

高速动平衡目的是使由不平衡量引起的振动、轴挠度和作用于轴承的力低于允许值[2]。

高速动平衡需要完成平衡、超速和热态工况模拟试验，安置在超速试验台进行。

为了模拟电机使用工况，高速动平衡时采用模拟工装轴承，它采用适合高速运行浮动支撑瓦轴承，轴承本身具有测振、测温和油压控制系统。滑动轴承具体操作程序：高压油泵启动，各低压油路启动——拖动机启动——升速至低速动平衡转速，运行10 min，观察振动、瓦温、系统管路有无异常，无异常后按动平衡的要求升速并采集振动信号。

5.1同步机转子高速平衡和超速

一般情况下，同步机转子在低速动平衡后应能轻松越过一阶临界转速；对同步机转子进行高速平衡，先低速运行，稳定2 h后逐步升速，如果振动超差，应及时平衡。由于前期对转子不平衡量有效控制，因此同步机转子无需高速平衡，一次通过转子超速。为了确保同步机转子在减速运行时是否也符合振动标准，我们对同步机转子减速运行时若干转速进行观察，也符合振动标准，说明同步机转子运行状态是稳定的，能满足运行要求。

5.2三轴承连接方案

方案1按照一般常规，三轴承连接在同一水平。经过试验，当转子转速达到2 000 r/min左右时轴承振动非常大，检查励磁机转子轴承座轴瓦，发现轴瓦单边有明显刮伤，说明轴瓦没有均匀受力。很明显，这种连接方式是不能满足高速运转。

方案2根据方案1发生现象，当两台电机耦合时，机组轴线的调整是关键，结合汽轮发电机组三轴承连接理论分析认为：同步机转子运转时采用高压顶油、轴承座热膨胀以及其本身动挠度，其外侧与同步机转子耦合的励磁机轴承座应当比同步机轴承座垫高一些，保持连接两联轴器的端面是平行。但是应该垫高多少，是解决转子高速平衡关键， 转子轴承座垫高度可以根据同步机转子两轴承档距离、转子挠度、励磁机转子轴承档与连接处距离等有关。

5.3同步机转子与励磁机转子硬连接

同步机转子与励磁机转子硬连接好坏直接反映在高速动平衡上，一般拧紧连接螺栓为最大扭矩值0.7～0.8倍且要求有锁紧装置，硬连接后必须对励磁机转子尾端晃动进行考核，确保同步机转子与励磁机转子硬连接后三轴承档同心。

5.3.1先校正同步机转子水平和二轴承档间隙

可以利用高度游标卡尺测量同步机两轴承座高度，确保一致。再用框式水平仪复验同步机转子水平度。将框式水平仪分别放置在轴伸、励端轴承档上幷记下读数，然后将框式水平仪反方向摆在励端轴承档上幷记下读数，要求其两读数相当，方向相反。因为同步机转子有静挠度，测量得到的转子水平度为相对值。如果有偏差，可以调节两轴承座高度。其次调节同步机转子两轴承档与两轴瓦间隙，要求相等。符合要求后紧固两轴承座固定螺栓。

5.3.2同步机转子与励磁机转子硬连接

先将励磁机转子轴承座按照计算值垫高，将同步机转子与励磁机转子硬连接。用螺栓扭矩值对称均匀扳紧连接螺栓，用塞尺检查励磁机转子轴承档与轴瓦间隙要求均匀。

同步机转子与励磁机转子硬连接好坏，直接反映高速平衡精度，我们可以采用校励磁机转子晃动方法进行检查。所谓晃动，就是盘动同步机转子，励磁机转子在半自由状态下，测量励磁机转子尾端外圆跳动值，一般要求其尾端外圆跳动值小于0.05 mm。

为了比较正确反映励磁机转子尾端外圆跳动值，用手动葫芦将工装轴瓦(适当加一些润滑油)托在励磁机转子轴承档内侧，在励磁机转子轴承档外侧水平、垂直方向各放置一个百分表，用于监测励磁机转子原始状况，如图2所示。记下百分表原始状况读数。用手动葫芦慢慢吊起工装轴瓦，使励磁机转子垂直抬高0.5 mm，小心地翻出励磁机转子下轴瓦，再用手动葫芦慢慢放下工装轴瓦，直到恢复励磁机转子原始状况(百分表原始状况读数)。

图2　励磁机转子晃动测量位置

手工盘动同步机转子，查看励磁机转子尾端水平、垂直方向百分表读数，标出晃动最大值方向。如果励磁机转子尾端晃动在某一方向超出0.05 mm，一般采用两个办法，一在其相反方向适当增加连接螺栓扭矩值(决不允许减少螺栓扭矩值)，查看尾端晃动变化；如果变化不大，则采用第二个方法，拆开硬连接连接部位，查看连接平面和配合止口涂二硫化钼接触情况，结合晃动方向，用油石修正连接平面或者配合止口。

6同步机转子与励磁机转子硬连接平衡调整

1) 根据理论计算，要求1、2阶临界转速应避开工作转速10%～15%，使工作转速不在共振影响区。平衡调整一般取1阶临界转速1/3开始，过临界区域允许有稍许波动，主要考核工作转速区域是否符合振动国家标准。参照国标GB/T 7064—2008隐极同步发电机技术要求和用户提供要求，轴振和轴承座振动的限值为0.04 mm(峰峰值)。最大额定转速通过后，需要稳定一会儿，然后逐渐超速。超速通过后，再逐渐降速，同步观察振动是否超标，如超标也应及时平衡，尽可能消除转子系统不平衡量。

2) 平衡调整既要考核轴承振动值，又要考核轴承瓦温。如果励磁机转子轴振比较大，而轴承座座振比较小(瓦温也比较低)，有可能励磁机转子轴承座下面垫片高度不够，可以适当垫高。励磁机转子滑动轴承瓦隙比常规瓦隙可以略微小一点。

3) 高速平衡时，励磁机转子轴承座对平衡块反映比较敏感，因此需要在励磁机转子小端面增加一个平衡盘，采用不同质量、大小的平衡块予以调节，以满足现场动平衡要求。

4) 由于同步机转子事先已经通过高速平衡，轴系平衡时应该先平衡励磁机转子(平衡同步机转子是不合理，主要由于励磁机转子挠曲变形产生不平衡)。如果轴系平衡难以完成，应该再一次复校励磁机转子晃动情况。

7结语

同步机转子与励磁机转子硬连接后通过5 545 r/min超速，其支撑转子三轴承轴承座振动考核符合用户要求和国家标准，证明我们已经掌握挠性转子高速平衡的工艺。

1) 转子系统轴的金加工精度是挠性转子高速平衡关键，特别要提高同步机转子与励磁机转子硬连接配合精度。

2) 考虑同步机转子与励磁机转子耦合时，为了保证整个转子轴系平稳，必须严格按照“扬度曲线”进行轴系的调整。

3) 整个轴系必须要有多个平衡面，方便现场高速平衡。特别需要在励磁机转子轴上要有平衡面。励磁机滑动轴承振动大小是整个轴系平衡关键，必须加以重视。

参考文献

[1]汪耕，李希明.大型汽轮发电机设计、制造与运行[M].上海：上海科学技术出版社，2000.

[2]全国信息与文献标准化技术委员会.GB/T 6557—2009[S].北京：中国标准出版社，2009.