电机转子在高速动平衡时发生的异常、分析及处理

董振兴

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江 佳木斯 154002)



电机转子在高速动平衡时发生的异常、分析及处理

董振兴

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江 佳木斯 154002)

高速电机转子运行转速往往都超过1阶、2阶甚至更高阶次的临界转速，为满足其动平衡要求，经常需要进行高速动平衡。某一项目电机为高转速、大功率电机，在进行高速动平衡时发生了异常现象，本文对此异常现象进行描述并对此问题进行分析，同时对后续处理过程及结果进行简介。

电机转子；高速动平衡；异常现象；分析处理

某项目电机为高转速、大功率变频电机，具体参数如下:额定功率:4 500 kW；额定转速:4 000 r/min；1阶临界转速:3 000 r/min；超速试验转速:4 800 r/min；电机振动烈度:≤1.8 mm/s；动平衡精度要求:高速动平衡时在转子支撑处测得的振动烈度<0.76 mm/s。从以上参数可以看出，此电机转子运行在1阶和2阶临界转速之间，属于柔性转子。由于存在振型不平衡量且此电机对振动要求较严格，低速动平衡已不能满足平衡精度要求，需进行高速动平衡。

1 转子平衡过程发现异常现象

2014年4月中旬，此电机转子进行了高速动平衡，动平衡机选用德国申克公司生产的高速动平衡机DH6/DH3，平衡时转子使用滑动轴承支撑，更接近实际工况。动平衡结果:额定转速伸端振动值:0.404 mm/s，尾端振动值: 0.565 mm/s，平衡结果满足要求，但平衡过程发现如下异常现象:转子在4 000 r/min长时间旋转，伸端振动值会缓慢上升，继续提升转速准备做超速试验，此时振动值会急速上升，到4 100 r/min时振动值瞬间由0.404 mm升至1.30 mm/s(详见图1)，此趋势十分危险，现场决定不继续升速，取消超速试验。从图1可以看出，转子升速至3 000 r/min附近出现一阶临界转速，继续升速至3 600 r/min，在此转速之前的BODE图曲线正常。但在3 600 r/min～3 900 r/min，红色曲线(伸端)呈半圆凹状，过渡较圆滑；蓝色曲线(尾端)呈半圆凸状，过渡较圆滑，此段曲线呈异常状态。3 900 r/min～4 000 r/min，转子幅频曲线和相频曲线呈错位式变化，可以看出，转子自身的固有特性已经发生了变化。

图1 转子动平衡BODE图(2014年4月)Fig.1 Rotor dynamic balance BODE graph (April 2014)

2 问题分析

发现异常现象后，首先对转子结构进行评估，筛选出可能发生此现象的原因。此转子为悬臂结构，轴伸悬挂一圆盘，圆盘与轴伸采用1∶20锥面配合，过盈安装(过盈量0.2 mm)。整体结构详见图2。由于转子除轴伸悬挂圆盘结构较为特殊，其余结构与制造厂其他电机结构类似，故首先从圆盘处结构及其对整个转子的影响进行分析并排除原因。

图2 转子结构图Fig.2 Rotor structure diagram

2.1 排除是否由于圆盘振型所影响

高速动平衡厂家首先提出:此现象初步判断为在4 000 r/min及以上转速下，圆盘产生了弹性伸长变形，并随转速升高而变形越激烈，另外BODE图中出现的“一阶振型”也不是电机转子的主振型，而是圆盘产生的局部“悬臂振型”。

对此转子进行模态分析，提取一阶振型详见图3。从图3可以看出，一阶振型确为悬臂振型。但此现象可以排除由弹性伸长变形及悬臂振型所引起，原因如下: a.从图1中可以看出，4 100 r/min附近幅频曲线变化趋势为错位上升状，非峰值状变化，相频曲线呈错位状变化且错位后相位转向相反，从曲线形状上看不像发生模态共振。b.每次高速动平衡超过4 000 r/min后，圆盘处不平衡量均发生变化，若仅为圆盘“悬臂振型”及弹性伸长变形所引起，振动趋势会发生变化，但不平衡量不会发生变化。故可排除是由圆盘振型及弹性变形所影响。

图3 一阶振型示意图Fig.3 Schematic diagram of first order mode

2.2 排除是否由于强度不足所影响

排除掉由于圆盘振型及弹性变形影响后，猜测是否由于转子强度不足而引起了固有特性变化。查询转子各零部件的强度分析报告，发现设计时较保守，安全系数选取值较大。同时查询转子铁心、护环在高速动平衡前、后的尺寸测量记录，发现尺寸几乎无变化(考虑测量误差)。对护环表面进行无损检测，也未发现裂纹等损伤。故可排除是由强度不足所影响。

2.3 排除是否由于配合方式所影响

查询类似结构电机转子的高速动平衡记录，在2013年9月有一类似结构转子进行了高速动平衡，功率、转速与此项目转子接近，同时轴伸悬挂一风机叶轮，叶轮与轴采用1∶20锥面过盈配合，但轮盘直径较小且过盈量大于此转子。从该转子的高速动平衡BODE图(详见图4)可以看出，平衡过程中未发生异常。

图4 转子高速动平衡BODE图(2013年9月)Fig.4 Rotor high-speed dynamic balance BODE chart (September 2013)

此时，猜测发生异常的原因可能是圆盘与转子之间的过盈量不足导致，故对此圆盘进行松脱位移计算，计算结果:4 000 r/min时配重盘处直径分离量为0.23 mm，从计算结果上看，此转速下圆盘与转子已经发生松脱，与实际现象相符。

3 处理过程及结果

转子返回制造厂后，将圆盘进行拆卸，拆卸后对圆盘、轴表面进行无损检测，发现仅有轻微擦痕，未见其余损伤。通过圆盘松脱位移计算结果得知，在接近4 000 r/min时圆盘与轴将发生松脱，故确定修理方案:将圆盘与轴的过盈量加大至0.35 mm。由于圆盘与轴采用1∶20锥面过盈配合，故只需将圆盘推进量增大3 mm即可，同时将圆盘限位结构进行了更改。该项目电机转子在过盈量调整后，经超速试验、整机空载试验、整机热态试验验证，均未发生异常。

4 结语

此电机转子在高速动平衡时发现的异常现象，经理论分析、工程验证，确定为圆盘与轴过盈量不足导致。在后续其他类似结构转子的制造过程中，可以有效避免类似异常现象发生。

[1] 安胜利.转子现场动平衡技术[M]. 北京:国防工业出版社，2007.

[2] 屈维德，唐恒龄.机械振动手册[K]. 北京:机械工业出版社，2000.

[3] 钟一谔.转子动力学[M]. 北京:清华大学出版社，1987.

The abnormality, analysis and treatment of motor rotor
in high speed dynamic balance

DONG Zhen-xing

(Jiamusi Electric Co., Ltd., Jiamusi 154002, China)

High-speed motor rotor is often at more than one order, second order or even higher order critical speed so as to meet its dynamic balance requirements. The motor of a certain project is a high-speed and high-power motor, which has abnormality in the high-speed dynamic balance, this article describes and analyzes the phenomenon, and the follow-up process and the results were introduced.

Motor rotor; High speed dynamic balance; Anomaly phenomenon; Analysis and processing

2017-02-16

董振兴(1985-)，男，本科，中级工程师。

TM621

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1674-8646(2017)08-0104-02