抓斗卸船机电机支座结构稳定性分析

冀 祥

大连华锐重工集团股份有限公司

1 引言

某抓斗卸船机的起升电机为三相交流变频电机，额定功率为350 kW，供电电网频率50 Hz。由于电机支座结构形式不规范、采用传统计算方法不便，造成支座过重，刚度过大，材料利用不充分。为此对支座结构进行优化设计，建立有限元模型，进行模态及谐响应分析，对支座在一个完整的工作循环下，不同阶段的受载进行计算，得到支座节点的谐响应频谱及结构的固有频率，由此论证支座结构优化方案的合理性。

2 电机支座的受力分析

电机正常工作时，机座受到频率为电网频率2倍的旋转力矩作用，因为电机支座与电机座由螺栓固定，故电机负载扭矩将作用于电机支座上，激励频率为2倍的电网频率[1]。

在抓斗卸船机一个完整的工作循环过程中，将起升电机的工作化分为3个阶段[2]。启动阶段：此阶段电机负载最大，初始启动频率较低，频率随着转速迅速提升,逐渐靠近电网频率50 Hz；稳态运行阶段：电机输出功率稳定，频率在电源额定频率50 Hz左右，电机转速稳定；抓斗空载下降阶段：电机转速超过额定转速，电机处于弱磁工况，调频后电源频率为56 Hz左右。

对原机座建立有限元模型，将电动机用MASS21代替，将MASS21单元点与支座两受载面进行耦合，至此支座与电动机构成整体结构，后续激励将施加于质量单元[3-4],有限元模型见图1。

图1 电机支座耦合模型

通过对原电机支座模态分析,固有频率为184 Hz左右,而电机支座在受载的3个阶段最大激励频率为112 Hz左右，远远小于电机支座的固有频率。对原机座进行静力分析，从模态和静力分析结果来看，原电机支座存在结构优化的空间。

3 电机支座优化及谐响应分析

3.1 谐响应理论

系统在有持续激励时的振动称为强迫振动，按随时间变化的规律分类，激励可分为简谐激励、周期激励及任意激励。简谐激励载荷随时间按正弦规律变化，简谐激励下系统的响应，包括由初始条件引起的自由振动、伴随强迫振动(激励)发生的自由振动以及等幅的稳态强迫振动三部分。前两部分由于阻尼的存在，是逐渐衰减的瞬态振动，称为瞬态响应，它只存在于振动的初始阶段，该阶段称为过渡阶段。第三部分是与激励同频率、同时存在的简谐振动，称为稳态响应。谐响应分析用于确定结构在简谐激励下，即随时间按正弦规律变化的载荷时的稳态响应。分析的目的是计算出结构在几种频率下的响应，通常是位移频率曲线。

谐响应系统的动力响应实际上是解一个完整的动力方程，它是一个二阶常系数线性微分方程[4]：

={P(t)}

(1)

ANSYS软件为谐响应分析提供3种方法，分别是完全法、缩减法、模态叠加法。3种方法各有优缺点，本文采用完全法进行谐响应分析。

3.2 优化方案一

根据上面的分析，对电机支座的结构进行减重优化，将支座结构的电机支座的盖板及支座的腹板和横向筋板进行切割去除，上述部位对支座的应力及应变影响较小，去除后支座重量降低35%。对优化后的A型电机支座结构进行静力分析，发现应力与应变变化极小，依然在强度和刚度允许范围内。

对A型支座进行模态分析，提取其四阶模态振形(见图2)，可知A型支座第一阶振形是对称电机支座轴线左右摆动，第二阶振型是支座盖板相对支座底部固定端的反复扭动，第三阶振型支座的前后摆动，第四阶振型是支座的腹板自身左右振动。

图2 A型支座模态振型图

提取A型电机支座固有频率(见图3)。其第一阶固有频率为112.3 Hz左右，而从电机支座的受力分析中已知，抓斗在空载下降阶段，电机的工作频率为56 Hz,作用于电机支座上的激励频率为112 Hz，恰好为电机工作频率的2倍。由于A型电机支座的一阶固有频率与支座所受的电机激励频率重合，一阶模态的振型是电机支座的主振型，电机工作时，极易引起支座的共振，故对A型电机支座进行谐响应分析[4]。

图3 A型支座四阶固有频率

将扭矩激励施加于MASS21单元点，对频率范围内的电机支座的振动位移进行计算，谐响应频谱图见图4。从图4可以看出在112 Hz左右，支座在外部激励作用下，A型结构的电机支座产生位移急剧增大，电机重心(MASS21单元点)位移数值达到0.56 mm,超出允许的振动量。由此可知，尽管A型结构的电机支座在静应力条件下，刚度和强度满足使用要求，但在动载荷的作用下，由于其自身固有频率与外部激励频率接近，导致其振动过大不满足使用要求。

图4 A型支座谐响应频谱图

3.3 优化方案二

重新对电机支座的结构进行减重优化，切除支座结构的电机支座的盖板及支座的腹板，部分切除横向筋板，去除后支座重量降低了20%，将其命名为B型电机支座。对优化后的结构进行静力分析，发现应力与应变变化极小。对B型电机支座进行模态分析，提取其固有频率，见图5。

图5 B型支座四阶固有频率

由图5可知，优化后的B型电机支座的的一阶固有频率为158.17 Hz，避开了支座所受到的电机激励频率范围,在此基础上对优化后的B型电机支座进行谐响应分析[4]：扭矩激励施加于MASS21单元点，对3个阶段频率范围内的B型电机支座的振动位移进行计算。

第一阶段B型电机支座的受载的频率范围是0～100 Hz,以电机最大过载2倍额定扭矩进行谐响应分析，提取电机重心节点的位移(mm)，即MASS21单元点，频率位移见图6。

图6 B型支座第一阶段谐响应频谱图

第二阶段电机支座的受载的频率范围是90～100 Hz,以电机满载额定扭矩进行谐响应分析，提取电机重心节点的位移，频率位移见图7。

图7 B型支座第二阶段谐响应频谱图

第三阶段电机支座的受载的频率范围是100～120 Hz,以抓斗空载产生的扭矩进行谐响应分析，提取电机重心节点的位移，频率位移见图8。

图8 B型支座第三阶段谐响应频谱图

通过以上3个阶段的谐向应分析可知，优化后的B型电机支座在第一阶段和第二阶段的频率范围内的激励作用下，节点的振动最大位移为0.017 mm；在第三阶段节点振动位移在支座固有频率158 Hz左右，振动位移会陡然升高，但实际电机支座的激励频率不会超过120 Hz,该阶段的振动最大位移为0.03 mm,满足实际生产中对电机支座的结构稳定性的要求。

4 结语

对优化后的电机支座结构进行谐响应分析，优化后电机支座满足结构稳定性的要求，支座横向筋板对电机支座的结构稳定性影响较大,制约着电机支座的振动位移，在以后的设计工作中，可以充分利用这一特性。优化结构的电机支座相对于原支座，重量减轻了20%，可实现一定的经济性。