采用DyRoBeS轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析軟件對長輸管線壓縮機(jī)20MW級高速變頻防爆電動機(jī)項目軸系進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速計算和不平衡響應(yīng)分析，使其避免軸系在正常運行過程中發(fā)生共振，從而為超高速大功率電動機(jī)進(jìn)行軸系的穩(wěn)定性分析和優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

0.引言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運行過程中，由于各種干擾力作用而產(chǎn)生振動，振動是旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子發(fā)生故障的主要問題之一。對于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)本身，因為質(zhì)量偏心而引起的橫向彎曲振動是最普遍的，特別是在某個或某幾個特定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，振幅會顯著增大，甚至?xí)?dǎo)致轉(zhuǎn)軸和軸承的破壞，這種現(xiàn)象通常是由共振引起的。為了避免軸系在正常運行過程中發(fā)生共振，軸系的設(shè)計都要求其臨界轉(zhuǎn)速要避開機(jī)組正常運行的轉(zhuǎn)頻和外界激勵頻率一定的范圍。

本文主要依托長輸管線壓縮機(jī)20MW級高速變頻防爆電動機(jī)項目，采用DyRoBeS轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析軟件對電機(jī)的整個軸系(主機(jī)和勵磁機(jī))進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速計算和不平衡響應(yīng)分析。此機(jī)組是三軸承結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速為3120～5040rpm，為了保證機(jī)組的穩(wěn)定運行，勵磁機(jī)端軸瓦需下端承載300kg，安裝時需將軸承座抬高一定量，需要通過理論計算得出。

1.計算模型

1.1轉(zhuǎn)子建模

此計算采用的是DyRoBeS軟件，將電機(jī)轉(zhuǎn)軸簡化成48個單元(49個節(jié)點)，將風(fēng)扇、護(hù)環(huán)、轉(zhuǎn)子繞組、整流盤等以附加質(zhì)量的形式加載在相應(yīng)位置的節(jié)點上并輸入轉(zhuǎn)動慣量;此電機(jī)為2級電機(jī)，在主機(jī)本體的軸段上開了24個下線槽，這對軸水平和垂直方向的彎曲慣性矩有很大影響，易產(chǎn)生振動，為了保證軸水平和垂直方向的彎曲慣性矩一致，需要在大齒上開月牙槽，以降低軸此方向的彎曲剛度。轉(zhuǎn)子有限元模型如圖1所示。

1.2軸承參數(shù)

1#軸承(可傾瓦，直徑200mm)安裝在節(jié)點5上，2#軸承(可傾瓦，直徑200mm)安裝在節(jié)點22上，3#軸承(普通滑動軸承，直徑100mm)安裝在節(jié)點47上，根據(jù)軸承載荷和基本參數(shù)計算出1#、2#、3#軸承的油膜剛度和油膜阻尼，計算結(jié)果見表1和表2。

2.軸系臨界轉(zhuǎn)速計算

軸系的臨界轉(zhuǎn)速計算是轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析的一項基本的內(nèi)容，合理設(shè)計轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速是機(jī)組安全可靠運行的重要前提。

2.1臨界轉(zhuǎn)速計算結(jié)果

根據(jù)軸系的簡化模型和軸承的油膜支撐剛度和阻尼，可計算出軸系的前三階臨界轉(zhuǎn)速，計算結(jié)果見表3。由計算結(jié)果可知，前三階臨界轉(zhuǎn)速均避開了電機(jī)的運行轉(zhuǎn)速3120～5040rpm，并有一定的安全余量。

2.2軸承安裝位置計算

此機(jī)組為三軸承結(jié)構(gòu)，為了保證勵磁機(jī)端3#軸承能夠穩(wěn)定運行，需要下軸瓦承載300kg的支撐載荷，因此3#軸承在安裝時需要抬高，根據(jù)軸系的靜撓度和承載載荷可計算出3#軸承的抬高量為1.9mm。

3.軸系不平衡響應(yīng)分析

由于制造安裝轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量偏心總是存在的，所以設(shè)計階段軸系不平衡響應(yīng)計算也是非常重要的，通過預(yù)估不平衡響應(yīng)，調(diào)整轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)以保證機(jī)組運行時振動達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

3.1轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)不平衡響應(yīng)計算模型

轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動力學(xué)方程為:

式中，ω—旋轉(zhuǎn)頻率;M1，K1，G1—整體質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和回轉(zhuǎn)矩陣;cij，kij(i，j=1，2)—整體油膜等效阻尼和剛度矩陣;U1，2—系統(tǒng)位移向量，即

文中其余繁復(fù)的公式就不寫了。我們主要看貼近工程應(yīng)用的部分。

3.2不平衡量計算

加不平衡質(zhì)量時，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)《旋轉(zhuǎn)剛體的平衡質(zhì)量》，取平衡等級G3.2。

e×ω=3.2

式中，e—旋轉(zhuǎn)部件的偏心距;ω—旋轉(zhuǎn)部件的角速度。在主機(jī)本體和勵磁機(jī)鐵心位置加載相應(yīng)的不平衡量，計算了三個軸承位置的最大振動響應(yīng)，計算結(jié)果見表4。

4.結(jié)束語

本文采用DyRoBeS轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析軟件對長輸管線壓縮機(jī)20MW級高速變頻防爆電動機(jī)項目軸系進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速計算和不平衡響應(yīng)分析，得到以下結(jié)論:

(1)為保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需對電機(jī)軸系進(jìn)行合理的簡化，簡化過程中需考慮軸本體月牙槽和3#軸承抬高量的影響。

(2)采用DyRoBeS轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析軟件對軸系的臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行計算，計算的結(jié)果分別為:一階臨界轉(zhuǎn)速1756rpm，二階臨界轉(zhuǎn)速2232rpm和三階臨界轉(zhuǎn)速5952rpm，有效的避開了電機(jī)的運行轉(zhuǎn)速3120~5040rpm，因此軸系的結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的。

(3)根據(jù)軸系的平衡等級計算了軸系在過臨界轉(zhuǎn)速時軸承位置的最大響應(yīng)值為0.048mm，位于3#軸承位置，此結(jié)果滿足旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動的要求。