王 林， 韓玉穩(wěn)， 趙彥鵬， 董應明

（云南省機電一體化應用技術重點實驗室/云南省先進制造技術研究中心，云南 昆明 650031）

0 引言

現(xiàn)代科學技術的發(fā)展,對電動機低振動、低噪聲要求越來越迫切。 組成電動機的各重要零部件,其動態(tài)特性與電動機的振動和噪聲有著密切關系。 為此,分析電動機的模態(tài)參數(shù),對提高電動機的性能有很大的作用。 本文電動機殼體為矩形焊接結構，殼體開孔多,筋板分布復雜，剛度、質量分布不均勻。使用力錘通過瞬態(tài)錘擊法對電動機殼體進行激振，采用最小二乘復指數(shù)法識別模態(tài)參數(shù)，得出準確的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。分析得出電動機振動、噪聲大的主要原因和電動機殼體的薄弱環(huán)節(jié)，為電動機減振降噪及結構優(yōu)化提供有力的理論支持。

1 模態(tài)試驗運用簡述

模態(tài)試驗對于研究機械結構的動態(tài)特性、了解結構的薄弱環(huán)節(jié)及結構優(yōu)化設計具有重要的指導意義， 是結構動態(tài)設計及設備故障診斷的重要方法。 模態(tài)分析最終目標是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結構系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優(yōu)化設計提供依據(jù)。

模態(tài)分析技術的應用可歸結為以下幾個方面：

（1）評價現(xiàn)有結構系統(tǒng)的動態(tài)特性。

（2） 在新產品設計中進行結構動態(tài)特性的預估和優(yōu)化設計。

（3）診斷及預報結構系統(tǒng)的故障。

（4）控制結構的輻射噪聲。

（5）識別結構系統(tǒng)的載荷。

2 大型高壓三相異步電動機模態(tài)試驗

2.1 試驗內容及目的

對某型號大型高壓三相異步電動機進行模態(tài)測試和空運轉絕對振動測試， 提出可以降低電動機殼體振動速度的模態(tài)識別參數(shù)， 為生產廠家對電動機殼體的優(yōu)化提供理論與數(shù)據(jù)支持。

2.2 試驗對象

試驗對象為某型號大型高壓三相異步電動機， 電動機為變頻高壓電機，額定電壓10kV，額定功率1120kW。電動機自由放置在測試平臺上， 與測試平臺之間墊有橡膠墊，不固定，見圖1。

圖1 大型高壓三相異步電動機

2.3 試驗設備

通過B＆K8207 力錘進行激振，B＆K4506B 三向加速度傳感器獲得響應信號，使用B＆K3660C 數(shù)據(jù)采集前端采集數(shù)據(jù)，PULSE 分析軟件完成整個分析過程。

2.4 試驗方案

（1）技術路線。 電動機試驗模態(tài)分析技術路線如圖2所示。

（2） 試驗方案。建立電動機的幾何模型，對電動機均勻布點。 均勻布點具有不易漏掉關鍵模態(tài)，模態(tài)振型可辨識性強等優(yōu)點。 采用錘擊法對電動機進行激振與測試，每個測點測量三向動態(tài)響應，將測試得到的激勵點信號與各響應點的頻響函數(shù)（FRF） 數(shù) 據(jù) 導 入PULSE-Reflex 后處理軟件中進行模態(tài)參數(shù)識別。

電動機共布置128 個測點， 測量自由度為128×3=384。激勵點選擇在電動機主軸上，數(shù)量為1 個，激勵自由度為2 個，正交方向見圖3，總FRF=384×2=768 見圖4。

圖2 試驗模態(tài)分析技術路線圖

圖3 激勵自由度（主軸的2 個正交方向）

2.5 激勵及數(shù)據(jù)采集

采用錘擊法對電動機進行激振，力錘錘頭越硬（如金屬錘頭）越易激起高頻響應，力錘錘頭越軟（如塑料錘頭）越易激起低頻響應。 本次試驗針對電動機的特性選用硬質尼龍錘頭， 可以兼顧高、低頻響應。

圖4 響應測量自由度（響應測點總數(shù)128個，測量自由度384 個）

在激勵自由度位置使用力錘激勵時，每個激勵自由度錘擊5 次，并采用5 次平均的方式，同時觀察每個激勵自由度第2、3、4、5 次激勵時，較前幾次激勵的相干函數(shù)，相干函數(shù)值越接近1，表明每次激勵的位置和力量越趨于一致；相干函數(shù)值遠離1，則需刪掉此次激勵數(shù)據(jù)，從新激勵，以確保測試數(shù)據(jù)的準確性。 試驗儀器連接如圖5 所示。

圖5 試驗儀器連接框圖

2.6 數(shù)據(jù)分析

模態(tài)試驗數(shù)據(jù)處理關注全部模態(tài)， 任何一階模態(tài)都可能對電動機使用的壽命及安裝地基、 廠房和相關配套電氣系統(tǒng)帶來不良影響。 采用有理分式多項式-Z法，結合復指數(shù)模態(tài)函數(shù)（CMIF）和穩(wěn)態(tài)圖來識別模態(tài)參數(shù)。

圖6 列出了各階模態(tài)的頻率、阻尼比、復雜性、識別方法和識別結果。

模態(tài)振型計算結果是否穩(wěn)定可用穩(wěn)態(tài)圖進行判斷。圖7 中“◇▽×*”符號分別表示頻響函數(shù)在整體、振型、頻率、阻尼處保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 可以看出，MAC 主對角線值為1（100%），說明這兩個頻率模態(tài)振型向量的正交性很好， 能夠很好的識別出結構模態(tài)振型。

圖6 頻率、阻尼比、復雜性和識別方法

圖7 穩(wěn)態(tài)圖

圖8 MAC（模態(tài)置信準則）值3D 圖

模態(tài)振型描述：

1 階振型：97.4Hz， 整機各部分同向繞坐標Z 向左右擺動，電動機軸向兩端產生局部變形，見圖9。

2 階振型：176.2Hz，電動機軸向兩端左右擺動，同時電動機左右兩側中間位置做反向擺動， 見圖10。

3 階振型：214.3Hz，電動機上端中間部分上下擺動，見圖11。

圖9 1 階模態(tài)振型軸測圖

圖10 2 階模態(tài)振型軸測圖

4 階振型：300.1Hz， 電動機上端中間部分上下擺動，電動機軸向兩端左右擺動，見圖12。

圖11 3 階模態(tài)振型軸測圖

圖12 4 階模態(tài)振型軸測圖

3 模態(tài)試驗結果分析

對各階模態(tài)參數(shù)及振型進行分析：

（1）電動機整體采用鋼板焊接結構，其上端蓋板有3個四邊形安裝孔，面積較大，剛性較差。 在前后和上下均存在彎曲振動并伴隨扭振，振動劇烈。

（2）電動機左右兩側有電氣、溫控等多個四邊形安裝孔，其結構剛性差，存在往復向內凹陷和向外凸出的振動。

（3）電動機軸向兩端軸承座處采用較殼體其他部位更厚的鋼板，剛性較好，軸承座附近殼體存在彎曲和扭振，但振幅較小。

（4）電動機底座總體剛性較好。

4 結束語

本試驗介紹了某型號大型高壓三相異步電動機的模態(tài)試驗方法， 其它類型電動機同樣適用此試驗方法。通過電動機的模態(tài)試驗， 了解掌握電動機的振動特性，為電動機的振動故障診斷及結構動態(tài)特性優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。