Экспериментальное исследование вибрационных характеристик электрической машины

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА _

Том 114 1964

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

П. Т. МАЛЬЦЕВ, Ю. В. ГОРСТ

Развитие современного электромашиностроения характеризуется' увеличением скоростей вращения роторов и уменьшением веса на единицу мощности изделия. В связи с этим увеличивается вероятность совпадения частот собственных колебаний отдельных элементов конструкции с частотами возмущающих сил, которые обусловливаются механическими и электромагнитными источниками при работе машины. Под действием возмущающих сил электрическая машина и ее отдельные элементы совершают сложные колебательные движения. На уровень вибрации при этом существенное влияние может оказать близкое совпадение частот собственных колебаний конструкции, ее отдельных узлов или элементов с частотами, содержащимися в спектре возмущения.

Вибрационные характеристики являются одним из основных показателей качества выпускаемых электрических машин. В случае изготовления электрических машин с неудовлетворительными вибрационными характеристиками, естественно, увеличиваются уровни структурного и воздушного шумов, излучаемых изделием, к которым, как правило,, предъявляются высокие требования.

Определение частот собственных колебаний системы может быть произведено либо расчетным, либо экспериментальным путем. При проектировании электрической машины конструктор должен производить расчеты частот собственных колебаний конструкции и ее отдельных деталей. Для таких расчетов имеются некоторые рекомендации [1, 2, 3]. Однако аналитическое определение Частот собственных колебаний с учетом всех присущих данной конструкции особенностей представляет значительные трудности. Следует иметь в виду, что для сложной конструкции, принимая ту или иную расчетную схему, отражающую с некоторым приближением истинную картину, можно получить результаты, существенно отличающиеся от экспериментальных данных. В ряде случаев при самом тщательном изготовлении электрической машины не удается получить удовлетворительные вибрационные характеристики. Поэтому опытные образцы подвергаются испытаниям и доводке. Для проведения испытаний и выявления причин повышенной вибрации изделия необходимо наметить соответствующую методику.

В настоящей работе исследованиям был подвергнут преобразователь (рис. 1). Номинальная скорость вращения якоря этого преобразователя

равна 15000 об/мин. Характерной особенностью исследуемого преобразователя является сложность его конструкции. Несмотря на очень тщательное изготовление, при испытаниях выпускаемых изделий наблюдается повышенная вибрация корпуса, преждевременный выход из строя подшипниковых узлов и у многих изделий повышенная потребляемая мощность по сравнению с номинальной.

Рис. 1. Схема установки преобразователя для измерения вибраций. ЭМ — исследуемый преобразователь; 1 — платформа; 2 — амортизаторы; Д — пьезоэлектрический датчик; ИВПШ — измеритель вибраций; АГ — анализатор гармоник; ГМК — генератор механических колебаний; ЗГ — звуковой генератор.

При проведении работы были поставлены следующие задачи: уточнить методику измерения вибраций; выявить зависимость вибрации корпуса изделия па частоте вращения от неуравновешенности якоря, выявить резонансные зоны колебаний конструкции; дать рекомендации по изменению конструкции, направленные на повышение надежности работы преобразователя.

Известно, что способ установки и закрепления изделия существенно влияет па уровень его вибрации. Поэтому измерение вибрации при проведении опытов производилось при жестком закреплении изделия на платформе, установленной на мягкие амортизаторы; при установке изделия непосредственно па мягкие амортизаторы; при жестком закреплении преобразователя па плите,-вес которой был в 80 раз больше веса преобразователя; при жестком закреплении корпуса преобразователя без подставки на амортизированной платформе. Вес платформы (2П был выбран*равным (Зм, 8С2м (где — вес преобразователя).

Резонансные зоны частот вынужденных колебаний корпуса определялись путем измерения вибраций при различных числах оборотов якоря и при различных способах закрепления изделия, а также путем возбуждения колебаний конструкции в диапазоне частот от 50 до 10000 гц с помощью генератора механических колебаний (ГМК-1), питаемого переменным током от звукового генератора типа ЗГ-12М.

Уровень вибрации на частоте вращения можно рассчитать аналитически, и для большинства электрических машин расчетные данные совпадают с экспериментальными. Но у некоторых электрических машин в силу их конструктивных особенностей расчетные данные в значительной степени отличаются ог результатов эксперимента. При допущении, что изделие представляет собой твердое тело и совершает колебания

как одно целое и что зазор в подшипниках отсутствует, уровень вибрации на частоте вращения в зависимости от неуравновешенности якоря может быть подсчитан [4, 5] по следующей формуле:

Л - ррз,

где А — амплитуда вибросмещения;

Р — коэффициент динамичности; £ — неуравновешенность якоря, выраженная через условное смещение

центра тяжести масс якоря; у — отношение массы якоря ко всей амортизированной массе.

Применяемый прибор ИВПШ показывает эффективное значение уровня вибрации по ускорению, поэтому расчетное эффективное значение уровня виброускорения определяется по формуле

где а = А (2 т./)2 — амплитудное значение виброускорителя на частоте вращения, см/сек2;

а0 — 3* 10~2, сж\сек2 — постоянная величина, соответствующая нулевому уровню и принимаемая за начало отсчета; / — частота вращения якоря, гцщ

Результаты расчетов приведены в табл. 1 и 2. При этом значение коэффициента динамичности р принято равным 1 [5], полагая, что исследуемая машина имеет нормальные динамические характеристики. В случае установки исследуемой машины во время экспериментов на амортизированную платформу или непосредственно на амортизаторы, последние обеспечивали частоту свободных колебаний системы не более 5—6 герц.

Таблица 1

Расчетные значения уровня вибрации корпуса в зависимости от неуравновешенности якоря при различных способах установки преобразователя

в>мк * Установка на амортизированной платформе, <?п=<?м. ^=0,096 Установка .на амортизаторах без платформы, {¿=0,2 Изделие без подставки установлено на амортиз. платформе, ¡л=0,'11

а, см ¡сек2 ¿Эф, дб а, см ¡сек2 ¿эф, дб а, см ¡сек2 ¿эф, дб

0,5 12 49 25 55,5 13,75 50

1 24 455 50 61,5 27,5 56,2

2 48 61 100 67,8 55 62,2

3 72 64,7 150 71 82,5 65,8

4 96 67,2 200 73,5 110 68,1

5 120 69,1 250 75,7 137,5 70

6 144 70,6 300 77 165 . 72

7 168 72 350 78,3 192,5 73,5

8 192 73,1 400 79,5 220 74,2

10 240 75,5 500 81,5 275 76,5

12 288 76,6 600 83 330 78

14 336 78 700 84,3 385 79,1

16 384 79,1 800 85,5 440 80,5

Таблица 2

Расчетные значения уровня вибрации корпуса в зависимости от неуравновешенности якоря при различных скоростях вращения преобразователя, 0,096

Скорость вращения, обочин

мк 10000

а, см ¡сек- 1 Эф, дб а, см\сек- ¿эф, дб а, см ¡сек2 ¿Эф, дб а, см!сек2 ¿эф, дб

4 42,8 60 61,6 64,3 74 65 108,8 68,2

8 83,6 66 123,2 70,4 148 71 217,6 75/3

Сравнение расчетных и экспериментальных данных позволяет дать некоторое суждение о вибрационных характеристиках изучаемой электрической машины.

В случае закрепления машины на амортизированной платформе, вес которой равен весу машины, опытные значения уровня вибрации корпуса при номинальной скорости на 17—20 дб выше расчетных, т. е. измеренные значения виброускорения в 7-—10 раз выше расчетных (см. рис. 2).

ь

дб

юо

95 90 45 60 75 70 65 60 55 50 45

Г

21

г-О-

£

1 2 б 4 5 6 7 б 9 10 11 П МК

Рис. 2. Зависимость уровня вибрации от неуравновешенности якоря. 1— расчетная, 2 — экспериментальная.

Исследование вибрации корпуса преобразователя, установленного на амортизаторы без платформы у— 0,2, г= 4 мк, показало, что наибольшая энергия колебаний приходится на высокие частоты (рис. 3, кривая 1). Уровень вибрации на частоте вращения при этом незначительно выше расчетного. Следует отметить, что с увеличением неуравновешенности якоря исследуемого преобразователя повышается уровень вибрации не только на частоте вращения, но и на более высоких частотах.

При закреплении машины на фундаментной плите весом 80(2м частотный спектр вибрации (рис. 3, кривая 4) аналогичен спектру вибрации при установке преобразователя на амортизаторах без платформы (кривая 1), однако здесь уровень вибрации на частоте вращения выше, чем

при установке преобразователя на амортизаторах без платформы при тон же неуравновешенности якоря.

Таким образом, опытами установлено, что при некоторой остаточной неуравновешенности, гораздо меньшей допустимого значения, имеет место значительное усиление колебаний.

95

65

75

65

55

15

Э5

1 1 \ Tj

F S,  ^ ✓ чЧ <ч t \

/ 4г V J* «А F! S ь

14 г. А А ✓ /

¡¡м / А ч\\ \\ >u 'Ж и.

У к V2 /

//1 / \ W 2L \ / 4

i  ^ V J f

«и \ J/

т ^ / N w JL*

/\ / 1 1

i

-ч - р* < 1 1

\Sl

Щ

56769%?г У 2 5 4 5 в 769(0* <f* Z Ъ Ь 5 6 76910*

Рис. 3. Спектр вибраций при различных условиях установки преобразователя £ = 4 мк. 1 — на амортизаторах без платформы; 2 — на амортизированной платформе весом QM ; 21 — на амортизированной платформе весом QM при установленном клине; 3 — на амортизированной платформе весом 0М, преобразователь без подставки; 4 — при жестком закреплении на фундаментальной плите ве-. сом 80QM •

Установлено, что каждому весу платформы, на которой закреплялся преобразователь, соответствует определенная скорость вращения якоря, при которой наступает усиление колебаний и наблюдается повышенный уровень вибрации корпуса на частоте вращения (рис. 4).

В случае установки преобразователя на амортизаторы без платформы при изменении скорости вращения якоря в пределах от 10000 до 16500 об/мин (рис. 4, кривая 1) наблюдается более или менее плавное, увеличение уровня вибрации корпуса на частоте вращения якоря. При этом уровень вибрации незначительно отличается от расчетного.

Таким образом, резонансные зоны колебаний преобразователя при установке его на платформу весом от <ЗмДо 80QM находятся в пределах от 255 (п= 15300 об/мин) до 180 гц (п= 10800 об/мин).

Измерения уровня вибрации корпуса преобразователя при возбуждении колебаний с помощью генератора механических колебаний (рис. 5) при различных условиях закрепления исследуемого изделия позволили выявить частоты собственных колебаний системы.

Как показали проведенные опыты, границы частот собственных колебаний системы находятся в пределах от 180 г^ —при жестком закреплении преобразователя на фундаментной плите весом 80QM до 380 гц— при установке преобразователя на мягкие амортизаторы, обеспечивающие частоту свободных колебаний системы порядка 6 гц.

Анализ конструкции преобразователя и результатов проведенных опытов показывает, что причинами усиления колебаний исследуемого преобразователя является близкое совпадение частот собственных коле-

5 6 7 89108 1,4 2 3 4 5 6 78 9/0* 1,4 2

4 5 6 78910

Рис. 5. Графики частот собств!Мныч колебаний конструкции при различных условиях установки преобразователя.

>—жестко на фундаментной плите (¡есом 80<2 А-- ' ---—А —ну платформе весом 8(>м; л---д-.ца платформе весом 2<3„;

-- па платформе весом О---—"С --на амортизаторах без платформы.

баний элементов конструкции с частотой возмущающей силы, обусловленной остаточной неуравновешенностью якоря. Обращает на себя внимание наличие консольной части со стороны двигателя, узла прерывателя и подставки малой жесткости.

Рис. 4. Зависимость уровня вибрации корпуса от скорости вращения якоря при различных условиях установки преобразователя. 1 — на амортизаторах без платформы; 2 — на платформе весом С? м; 3 — на платформе весом 1,7 <3М; 4 — на платформе весом 2(3 м ; 5 — на платформе весом 8 О м ; 6 — жестко на фундаментной плите весом 80фм .

Для выявления влияния консольной части со стороны двигателя на усиление колебаний был поставлен следующий опыт. Между подставкой и консольной частью закладывался клин и производилось измерение уровня вибрации. При установке клина создавалась дополнительная опора, и тем самым увеличивалась жесткость системы. Результаты этих опытов (рис. 3, кривая 2) показывают, что для случая установки преобразователя на платформе весом <2М уровень вибрации снижается на 5—б дб по сравнению с уровнем вибрации без установки клина (рис. 3, кривая 2). Абсолютное значение виброускорения при этом снижается в 1, 8 раза.

Уровень вибрации на частоте вращения якоря преобразователя, закрепленного без подставки на амортизированной платформе весом (рис. 3, кривая 3), оказался на 12—13 дб ниже, чем уровень вибрации при наличии подставки (рис. 3, кривая 2). Абсолютное значение виброускорения при этом уменьшилось примерно в 4 раза. Но даже и в этом случае установка клина под консольную часть преобразователя дает снижение уровня вибрации на частоте вращения на 3—4 дб. Эти опыты показывают, что наличие подставки в совокупности с консольной частью является одной из причин усиления колебаний корпуса исследуемого преобразователя.

В результате приближенного расчета низшей частоты собственных колебаний консольной части, проведенного по схеме, предложенной Б. Б. Воронецким [3], была определена частота 465 гц. Однако, как видно из опытов при различных условиях закрепления преобразователя, частота собственных колебаний системы оказалась значительно ниже расчет-

пой. Поэтому расчет частот собственных колебаний элементов электрической машины без учета условий ее закрепления может привести к ошибочным выводам о том, что частоты собственных колебаний элементов системы не будут совпадать с частотами вынужденных колебаний и что, таким образом, будут исключены резонансные явления при эксплуатации машины.

В результате произведенных исследований были сделаны следующие выводы.

При установке преобразователя на платформе весом от QMÄо 80Q м абсолютное значение виброускорения корпуса под действием неуравновешенности якоря в 7—10 раз превышает расчетное значение.

Основной причиной усиленных колебаний корпуса преобразователя является недостаточная жесткость конструкции, наличие консоли со стороны двигателя, узла прерывателя и недостаточная жесткость подставки.

В случае установки преобразователя на основании весом от Q м до 80QVI одна из частот собственных колебаний системы лежит в пределах от 0,76 до 1,1 от частоты возмущающей силы, обусловленной неуравновешенностью якоря при номинальной скорости вращения.

В результате проведенной работы намечена методика исследований, которая может быть положена в основу при доводке создаваемых или модернизируемых электрических машин с целью достижения удовлетворительных вибрационных характеристик.

С целью устранения резонансных явлений на низких частотах и получения удовлетворительных вибрационных характеристик исследованного преобразователя при работе рекомендуются следующие изменения конструкции:

а) выполнить конструкцию корпуса так, чтобы была устранена консольная часть на стороне двигателя;

б) подставку преобразователя выполнить более жесткой или, если позволяют условия монтажа на месте эксплуатации, вынести ее и объединить в один блок с регулятором частоты.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пономарев С. Д., Б и д е р м а н В. JL, Л ихарев К. К., Макушин В. М.. М а л и н и н Н. Н., Феодосьев В. И. Расчет на прочность в машиностроении, т. III, Машгиз, 1959.

2. К р ю к о в К. А. Влияние конструкционных параметров на критические скорости системы ротор — корпус — подвеска авиационного ГДТ. Труды МАИ, вып. 136, Обо-ронгиз, 1961.

3. Воронецкий Б. Б. О частотах собственных колебаний некоторых узлов авиационных электрических машин. Труды МАИ, вып. 110, Оборонгиз, 1951.

4. Крючков Ю. С. Вибрации судовых механизмов под действием дисбаланса ротора, Труды ЦНИИ им. академика А. Н. Крылова, Судпромгиз, 1959.

5. Мальцев П. Т. Метод проверки качества балансировки роторов в собранных электрических машинах. «Известия ТПИ», т. 117, 1963.

!4. Известия ТПИ, т. И4.