基于ANSYS Workbench 的水轮发电机碳刷刷握振动特性分析

2021-03-16聂云锋

装备制造技术 2021年11期

聂云锋

（三峡大学机械与动力学院，湖北宜昌 443002）

0 引言

水轮发电机碳刷/集电环主要用于传导励磁电流为转子绕组提供励磁所需磁场。碳刷与集电环相对滑动时，由于转子在制造与安装时其重心与旋转中心存在一定的偏心距，所以转子在旋转时会存在偏心摆振，刷握在此偏心摆振的影响下会产生振动和变形，影响碳刷与集电环接触的稳定性，进而会导致碳刷磨损加剧、打火等问题，大大降低了碳刷与集电环的使用寿命。因此对碳刷刷握进行振动特性的分析是有必要的。

在国内外的研究中，涉及水轮发电机碳刷刷握的相关研究很少。文献[1～2]对水轮发电机碳刷/集电环常见故障进行了分析，发现碳刷打火现象的发生，部分原因是由于碳刷压力不均，与集电环接触不稳定、振动加剧而导致的接触面局部温升造成的，而刷握的振动会导致恒压弹簧局部失效，出现碳刷压力不均匀的现象。

基于此，本研究利用有限元分析的方法对刷握的振动特性进行了研究。对其进行了模态分析与谐响应分析，得到了前六阶模态频率与振型和应力、应变—频率曲线。为水轮发电机碳刷刷握的设计与优化提供了理论参考。

1 刷握结构与工作原理

水轮发电机碳刷刷握由刷盒和恒压弹簧两部分组成，结构如图1 所示。恒压弹簧由薄的弹簧钢片卷曲成多个同心圆组成，通过铆接安装在刷盒的一端，用来为碳刷提供稳定的压力。刷盒采用压铸工艺制成，其材料为铝合金，经测量其内腔尺寸为35 mm×38 mm×50 mm（长×宽×高）。碳刷采用间隙配合安装在刷盒里，二者之间的间隙要适宜，间隙过小，阻碍了碳刷在刷盒内运动的灵活性，可能会导致碳刷出现卡塞、折断的现象；间隙过大，碳刷在刷盒内出现松动，会导致振动加剧[3]。经查阅相关文献发现，碳刷与刷盒之间的间隙最佳为0.1 mm。碳刷一端通过恒压弹簧提供压力保持与集电环的稳定接触。恒压弹簧的压力应控制在一定范围内，压力过大或过小都会影响碳刷与集电环的接触稳定性[4]，加速碳刷的磨损。

图1 刷握结构

2 刷握有限元分析

2.1 模型的建立和网格的划分

利用UG10.0 软件建立刷握三维模型，忽略各边倒角。然后将三维模型导入到ANSYS Workbench 软件中进行有限元分析。刷握材料与相关参数见表1。采用四面体网格划分方法对刷握进行网格的划分，划分网格后产生45 004 个单元和78 273 个节点。

表1 刷握材料参数

2.2 约束和载荷的施加

刷握是固定安装在水轮发电机机架上的，故在刷握底端施加固定约束。碳刷通过恒压弹簧的压力保持与集电环的稳定接触，由于恒压弹簧是安装在刷盒上的，故刷盒会受到一个恒压弹簧的反作用力，作用点在刷盒顶端卡口处。

水轮发电机转子在偏心旋转时会产生偏心振摆，在碳刷接触面会存在偏心振摆力，此力经过恒压弹簧最终作用在刷握上，以转子旋转一周为周期按正弦规律变化，在此周期性变化载荷的影响下，刷握会产生一定的动态响应，故在刷握受力面施加F=Asinωt的正弦激振力。振幅A的大小根据恒压弹簧刚度K和偏心距e计算得到，如式（1）所示。

2.3 刷握模态分析

利用ANSYS Workbench 软件对刷握进行约束状态下的模态分析，得到了刷握前6 阶模态频率与振型，见表2。

表2 约束状态下刷握前6 阶模态频率与振型

由表2 可知，刷握固有频率最低阶频率为360.81 Hz，最高阶频率为2 462.90 Hz，容易出现振动的部位主要集中在刷盒顶部和端面及两侧面。

由图2 可知，刷握主要应力集中在刷盒与下支撑件的连接处，此处应力值为。

图2 刷握应力分布云图

2.4 刷握谐响应分析

在水轮发电机组运行的过程中，在转子周期性振摆力的作用下，刷握会产生一定的动态响应，当刷握的固有频率与转子振摆力频率相近或相同时，二者就会产生共振，极大地影响碳刷/集电环的摩擦磨损特性。

根据刷握前六阶模态频率范围，取谐响应分析频率范围为01600，取32 个频率点结果，输入Solution Intervals 为32，分析得到刷握谐响应分析结果如图2 所示。

从图3 可以看出应力响应和应变响应在频率450 Hz 附近响应点出现显著变化。由此可见，在频率为450 Hz附近时，结构可能会出现共振的现象，其中在频率为450 Hz附近变化更明显。在频率450 Hz 附近刷握应力分布云图如图4 所示，由图可知，在频率450 Hz 时刷握最大应力分别为2.640。说明如果结构在此频率下发生共振则会产生较大的应力与变形，对刷握结构会产生一定的破坏，对碳刷/集电环运行的稳定性产生极大地影响。