CN103528779B - 一种电机整体机座振动特性的试验系统及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电机整体机座振动特性的试验系统及试验方法，属于电机结构声学技术领域，特别适用于军、民用各类大型电机整体机座振动特性的试验与计算。本发明克服现有试验系统和建模方法的缺陷和不足，提供一种电机整体机座振动特性的试验系统，可用于对电机整体机座的振动特性开展全面而深入的研究，掌握各部件影响因素对整体机座振动特性的影响规律。在此基础上，提出一种电机整体机座振动特性的建模方法，用于对电机整体机座的振动特性进行仿真计算，这种建模方法充分考虑了机座振动特性的各种影响因素，既简单高效，又保证了有限元模型的分析精度，为电机结构设计提供一种高效而准确的建模技术。
Description
技术领域
本发明涉及一种电机整体机座振动特性的试验系统及建模方法，属于电机结构声学技术领域，特别适用于军、民用各类大型电机整体机座振动特性的试验与计算。
背景技术
在电机结构中，机座是主体部分。电磁激振力通过铁芯最终将传递到电机机座上，当电磁激振力的频率与机座的某阶固有频率接近或一致时，将引起机座的共振。机座的振动一方面直接对外产生辐射噪声，另一方面通过底座传递到支撑平台上。可见，机座的振动带来的危害是十分严重的，研究大型电机的机座振动特性具有重要的意义。大型电机的机座一般由机壳、端盖、支撑肋板和底板等组成，其中机壳与端盖常采用螺栓连接和止口配合进行装配。大型电机的机座结构尺寸大，具有一定的复杂性，振动特性也具有多样性，这也给大型电机低噪声结构声学设计带来一定的挑战性。目前，在传统的电机机座振动特性试验研究中，试验装置和试验方案较为简单，大部分只是单纯的对某一机座进行模态测试，并没有考虑机座各个部件对整体机座振动特性的影响规律，缺少系统而全面的影响因素分析，因而无法深入掌握电机整体机座的振动特性。
对于电机整体机座振动特性的建模方法，关键在于如何处理不同部件之间的结合面，如螺栓结合面、配合面等。传统的螺栓结合部建模方法有采用直接粘接的方式将上下装配体在结合面处的节点进行粘接，即将螺栓装配体考虑成一个实体，这种方法忽略了螺栓结合部存在接触刚度和接触阻尼等固有特性，与实际偏差较大。另外一种较为流行的方法是采用弹簧阻尼单元来模拟螺栓结合部的固有特性，这种方法理论上具有较高的分析精度。但目前在应用过程中，建模方式过于简单，如只考虑结合部的法向接触刚度，以至于达不到理想的分析精度；或者建模方式过于复杂，如分别采用多个法向弹簧阻尼单元和多个切向弹簧阻尼单元按照一定的分布形式进行模拟，这种方式还存在一个问题在于采用弹簧阻尼单元的数量和分布形式对分析结果有较大影响，要求设计人员具备较强的理论基础和丰富的工程经验才能保证与实际相符，而且针对不同螺栓装配结构需要采用不同的模拟方式，不仅导致工程量大，并且存在很大的分散性。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有试验系统和建模方法的缺陷和不足，提供一种电机整体机座振动特性的试验系统，用于对电机整体机座的振动特性开展全面而深入的研究，进而掌握各部件影响因素对整体机座振动特性的影响规律。在此基础上，提出一种电机整体机座振动特性的建模方法，用于对电机整体机座的振动特性进行仿真计算，这种建模方法充分考虑了机座振动特性的各种影响因素，既简单高效，又保证了有限元模型的分析精度，为电机结构设计提供一种高效而准确的建模技术。
本发明的技术方案是：
一种电机整体机座振动特性的试验系统，它有一个作为机座振动特性激励源的力锤和力传感器；
若干作为机座振动特性响应的均布在机座外壳和端盖上的加速度传感器；
八种不同表面粗糙度的端盖；
用于控制电机端盖与机壳的螺栓预紧力矩的数显扭力扳手；
用于采集力信号和加速度信号的数采设备；
与数采设备连接并包含模态测试分析软件的PC机。
通过该试验系统，根据特定的试验策略，按照一定的试验步骤进行试验，可以获得各主要影响因素对电机整体机座振动特性的影响规律，使全面而深入的掌握电机整体机座的振动特性成为了可能。在试验研究成果的基础上，提出的电机整体机座的建模方法是利用有限元技术，重点解决机座端盖螺栓和底座螺栓结合部的建模和端盖止口与机壳配合面的建模等关键技术，使电机整体机座振动特性的仿真计算更加准确高效。
本发明一种电机整体机座振动特性的试验方法，包括下述步骤：
步骤1，改变端盖螺栓预紧扭矩大小，保持其它条件不变，进行整体机座模态测试，以获得端盖螺栓预紧扭矩对电机机座振动特性的影响规律；
步骤2，改变端盖螺栓数量，保持其它条件不变，进行整体机座模态测试，以获得端盖螺栓数量对电机机座振动特性的影响规律；
步骤3，更换不同表面粗糙度的端盖，保持其它条件不变，进行整体机座模态测试，以获得端盖不同表面粗糙度对电机机座振动特性的影响规律。
步骤4，利用有限元技术，进行机座端盖螺栓和底座螺栓结合部的建模、端盖止口与机壳配合面的建模以及电机整体机座的建模。
在上述的一种电机整体机座振动特性的试验方法，所述步骤4中机座端盖螺栓和底座螺栓结合部的建模的具体方法是：基于螺栓压缩锥理论，首先确定螺栓结合部的螺栓压缩锥区域，模型只需考虑螺栓压缩锥区域结合部的接触刚度和接触阻尼，分别建立与结合部压缩锥区域有约束关系的导向节点，在上下两个导向节点之间创建弹簧阻尼单元，通过设置弹簧单元的自由度方向、刚度和阻尼来模拟螺栓结合部压缩锥区域的法向、切向接触刚度和法向、切向接触阻尼；与此同时，利用梁单元和预紧单元相结合的形式来模拟螺栓预紧效果。
所述的两个导向节点，是作为弹簧阻尼单元的端点，分别与上、下装配体螺栓结合部压缩锥区域的节点建立柔性约束关系，即与导向节点进行约束的结合部上各节点自由度是相互独立的，可按照一定的权重比随着导向节点的自由度发生变化，这相对刚性约束更加符合真实情况。
在上述的一种电机整体机座振动特性的试验方法，所述的弹簧阻尼单元模拟方式有别于传统的模拟方式，这里只需创建三个自由度方向相互正交的弹簧阻尼单元，即在两个导向节点之间创建三个不同的弹簧阻尼单元，将其中一个弹簧阻尼单元的自由度方向设置成与螺栓结合部平面垂直的方向以模拟法向接触刚度和接触阻尼，将另外两个弹簧阻尼单元的自由度方向设置成与螺栓结合部平面平行且相互正交的方向，以模拟切向接触刚度和接触阻尼，从而实现以较少的弹簧阻尼单元模拟与实际相符的螺栓结合部固有特性。
在上述的一种电机整体机座振动特性的试验方法，所述端盖止口与机壳配合面建模是利用设置接触对，由于实际装配中，端盖止口与机壳的配合形式为过渡配合，故并将接触对的罚刚度系数设置为0.5，以模拟过渡配合状态。
在上述的一种电机整体机座振动特性的试验方法，所述电机整体机座的建模流程包括以下步骤：
步骤1：根据电机整体机座的实际尺寸，建立机座三维几何模型；
步骤2：对三维几何模型进行网格划分；
步骤3：对机座端盖螺栓和底脚螺栓的结合部进行建模；
步骤4：对端盖止口与机座配合面进行建模；
步骤5：设置机座材料参数，最终形成电机整体机座的有限元模型。
本发明的优势在于：提供了一种电机整体机座的振动特性的试验系统，设备紧凑，投入少，可全面而深入的掌握电机机座结构的振动特性。本发明提出的建模方法充分考虑了螺栓结合部动态特性的影响，采用较少的弹簧阻尼单元即可模拟与实际相符的螺栓结合部固有特性，既保证了有限元模型的分析精度，而且在实施过程中简单高效，从而改善了现有技术分析精度不高和建模繁琐等不足。
附图说明
图1为本发明涉及的电机整体机座结构示意图。
图2为本发明提供的电机整体机座振动特性试验系统示意图。
图3为本发明试验系统获得的不同端盖预紧扭矩下各阶模态振型对应的固有频率对比情况。
图4为本发明提出的电机机座螺栓结合部建模示意图。
图5为本发明试验系统获得的机座各阶模态固有频率的试验值与利用本发明提出的建模方法得到的计算值的对比情况。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步说明如下：
实施例 1 ：为本明的基本实施例。一种电机整体机座振动特性的试验系统，包括：
一个作为机座振动特性激励源的力锤和力传感器；
若干作为机座振动特性响应的均布在机座外壳和端盖上的加速度传感器；
八种不同表面粗糙度的端盖；
用于控制电机端盖与机壳的螺栓预紧力矩的数显扭力扳手；
用于采集力信号和加速度信号的数采设备；
与数采设备连接并包含模态测试分析软件的PC机。
电机整体机座振动特性的试验方法，包括下述步骤：
步骤1，改变端盖螺栓预紧扭矩大小，保持其它条件不变，进行整体机座模态测试，以获得端盖螺栓预紧扭矩对电机机座振动特性的影响规律；
步骤2，改变端盖螺栓数量，保持其它条件不变，进行整体机座模态测试，以获得端盖螺栓数量对电机机座振动特性的影响规律；
步骤3，更换不同表面粗糙度的端盖，保持其它条件不变，进行整体机座模态测试，以获得端盖不同表面粗糙度对电机机座振动特性的影响规律。
步骤4，利用有限元技术，进行机座端盖螺栓和底座螺栓结合部的建模、端盖止口与机壳配合面的建模以及电机整体机座的建模。
实施例 2 ：是在实施例1基础上进一步的实施例，所不同的是：所述步骤4中机座端盖螺栓和底座螺栓结合部的建模的具体方法是：基于螺栓压缩锥理论，首先确定螺栓结合部的螺栓压缩锥区域，模型只需考虑螺栓压缩锥区域结合部的接触刚度和接触阻尼，分别建立与结合部压缩锥区域有约束关系的导向节点，在上下两个导向节点之间创建弹簧阻尼单元，通过设置弹簧单元的自由度方向、刚度和阻尼来模拟螺栓结合部压缩锥区域的法向、切向接触刚度和法向、切向接触阻尼；与此同时，利用梁单元和预紧单元相结合的形式来模拟螺栓预紧效果。
所述弹簧阻尼单元模拟方式，只需创建三个自由度方向相互正交的弹簧阻尼单元，即在两个导向节点之间创建三个不同的弹簧阻尼单元，将其中一个弹簧阻尼单元的自由度方向设置成与螺栓结合部平面垂直的方向以模拟法向接触刚度和接触阻尼，将另外两个弹簧阻尼单元的自由度方向设置成与螺栓结合部平面平行且相互正交的方向，以模拟切向接触刚度和接触阻尼，从而实现以较少的弹簧阻尼单元模拟与实际相符的螺栓结合部固有特性。
所述步骤4中端盖止口与机壳配合面的建模是利用设置接触对，由于实际装配中，端盖止口与机壳的配合形式为过渡配合，故并将接触对的罚刚度系数设置为0.5，以模拟过渡配合状态。
所述步骤4：电机整体机座的建模具体步骤是：
,步骤1，根据电机整体机座的实际尺寸，建立机座三维几何模型；
步骤2，对三维几何模型进行网格划分；
步骤3，对机座端盖螺栓和底脚螺栓的结合部进行建模；
步骤4，对端盖止口与机座配合面进行建模；
步骤5，设置机座材料参数，最终形成电机整体机座的有限元模型。
实施例 3 ：是一个优选的实施例，为一个大型电机机座结构实施例，结合附图作说明如下：
如图1所示，本发明涉及的电机整体机座主要由机壳1.1、端盖1.2和底座1.3通过螺栓连接装配而成。图中1.4为端盖与机壳之间的连接螺栓，共12个，图中1.5表示为螺栓结合部。
如图2所示，本系统主要包括电机整体机座2.1、数显扭力扳手2.2、力锤及力传感器2.3、加速度传感器2.4、数采设备2.5和PC机2.6。所述机座2.1中给出了加速度传感器2.4的布置方式，通过这种布置方式可识别出高阶模态振型。所述数显扭力扳手2.2是用于控制端盖与机壳的螺栓预紧力。所述力锤2.3作为机座振动特性试验的激励源，可对机座任意激励点进行敲击，并通过力传感器将力锤信号传输到数采设备。所述PC机2.6是安装有模态测试和分析软件，并提供试验操作界面，具体的实验步骤是：
步骤1：将电机机座安装在铸铁平台上；
步骤2：安装端盖，选择其中一种表面粗糙度的端盖安装在机座上，并利用数显扭力扳手，将所有端盖螺栓的预紧力矩控制在额定力矩；
步骤3：布置加速度传感器，分别沿着机座外壁圆周方向和轴向在机座外壳上进行均匀布置，同时在端盖上沿着径向和周向进行均匀布置；
步骤4：连接设备，将传感器信号线连接到数采设备上，将数采设备的数据传输线与PC机连接，并启动电源；
步骤5：开启模态测试软件，利用力锤对敲击点进行敲击，通过力传感器将输入的力信号传输到数采设备中，并且以力信号作为数据采集的触发信号，通过加速度传感器将响应信号传输到数采设备中，通过测试软件进行模态分析，以获取电机机座各阶模态振型及其固有频率；
步骤6：关闭模态测试软件，通过数显力矩扳手改变端盖螺栓预紧力矩，重复步骤5，以获得不同预紧力矩下，电机机座各阶模态振型及其固有频率；
步骤7：关闭模态测试软件，改变端盖螺栓数量，重复步骤5，以获得不同端盖螺栓数量下，电机机座各阶模态振型及其固有频率；
步骤8：关闭模态测试软件，断开设备电源，更换不同表面粗糙度的端盖，重新布置端盖上的加速度传感器，重复步骤4和5，以获得不同端盖表面粗糙度下，电机机座各阶模态振型及其固有频率；
步骤9：整理和分析试验数据，获得各影响因素对电机整体机座振动特性的影响规律。
如图3所示，为通过本发明提供的试验系统获得的不同端盖螺栓预紧扭矩下，各阶模态振型对应固有频率对比情况。从图中可以看出，当端盖螺栓预紧扭矩较小时，端盖与机壳的接触刚度较小，导致整体机座结构刚度较小，故而相应的固有频率较低。随着预紧扭矩增大，各阶固有频率有增大趋势。
如图4所示，为本实施例的机座端盖螺栓结合部建模示意图。本发明的建模过程中，首先在每个螺栓连接处确定螺栓结合部压缩锥区域，如图中4.2所示，图中4.1为非压缩区域。在图4中4.2所示的结合部压缩区域创建三个弹簧阻尼单元。将三个弹簧阻尼单元的自由度方向分别设置成相互正交的X、Y、Z方向，其中X方向表示为与结合部平面垂直的方向，即将自由度方向为X方向的弹簧阻尼单元刚度和阻尼设置为螺栓结合部的法向接触刚度和法向接触阻尼，将自由度方向为Y、Z方向的弹簧阻尼单元刚度和阻尼设置为螺栓结合部的切向接触刚度和切向接触阻尼。
图5所示为通过本发明提供的试验系统获得的机座各阶模态固有频率的试验值与利用本发明提出的建模方法得到的计算值的对比情况。从图中可以看出，两者各阶固有频率非常吻合，进而验证了本发明提出的建模方法的合理性和有效性。
以上所述的仅为本发明的较佳实施例，并不说明本发明的局限性，对于任何螺栓装配结构的结合部建模都应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种电机整体机座振动特性的试验方法，其特征在于，用于试验的设备包括：
一个作为机座振动特性激励源的力锤和力传感器；若干作为机座振动特性响应的均布在机座外壳和端盖上的加速度传感器；八种不同表面粗糙度的端盖；用于控制电机端盖与机壳的螺栓预紧力矩的数显扭力扳手；用于采集力信号和加速度信号的数采设备；与数采设备连接并包含模态测试分析软件的PC机；试验方法包括下述步骤：
步骤1，改变端盖螺栓预紧扭矩大小，保持其它条件不变，进行整体机座模态测试，以获得端盖螺栓预紧扭矩对电机机座振动特性的影响规律；
步骤2，改变端盖螺栓数量，保持其它条件不变，进行整体机座模态测试，以获得端盖螺栓数量对电机机座振动特性的影响规律；
步骤3，更换不同表面粗糙度的端盖，保持其它条件不变，进行整体机座模态测试，以获得端盖不同表面粗糙度对电机机座振动特性的影响规律；
步骤4，利用有限元技术，进行机座端盖螺栓和底座螺栓结合部的建模、端盖止口与机壳配合面的建模以及电机整体机座的建模；
所述步骤4中机座端盖螺栓和底座螺栓结合部的建模的具体方法是：基于螺栓压缩锥理论，首先确定螺栓结合部的螺栓压缩锥区域，模型只需考虑螺栓压缩锥区域结合部的接触刚度和接触阻尼，分别建立与结合部压缩锥区域有约束关系的导向节点，在上下两个导向节点之间创建弹簧阻尼单元，通过设置弹簧单元的自由度方向、刚度和阻尼来模拟螺栓结合部压缩锥区域的法向、切向接触刚度和法向、切向接触阻尼；与此同时，利用梁单元和预紧单元相结合的形式来模拟螺栓预紧效果；
所述步骤4中电机整体机座的建模具体步骤是：
步骤a、根据电机整体机座的实际尺寸，建立机座三维几何模型；
步骤b、对三维几何模型进行网格划分；
步骤c、对机座端盖螺栓和底脚螺栓的结合部进行建模；
步骤d、对端盖止口与机座配合面进行建模；
步骤e、设置机座材料参数，最终形成电机整体机座的有限元模型；
弹簧阻尼单元模拟方式，只需创建三个自由度方向相互正交的弹簧阻尼单元，即在两个导向节点之间创建三个不同的弹簧阻尼单元，将其中一个弹簧阻尼单元的自由度方向设置成与螺栓结合部平面垂直的方向以模拟法向接触刚度和接触阻尼，将另外两个弹簧阻尼单元的自由度方向设置成与螺栓结合部平面平行且相互正交的方向，以模拟切向接触刚度和接触阻尼，从而实现以较少的弹簧阻尼单元模拟与实际相符的螺栓结合部固有特性。
2.根据权利要求1所述一种电机整体机座振动特性的试验方法，其特征在于，所述步骤4中端盖止口与机壳配合面的建模是利用设置接触对，由于实际装配中，端盖止口与机壳的配合形式为过渡配合，故并将接触对的罚刚度系数设置为0.5，以模拟过渡配合状态。
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