CN106989922B - 一种电机变频运行时轴系安全性分析方法 - Google Patents

一种电机变频运行时轴系安全性分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电机变频运行时轴系安全性分析方法，包括：1)通过测试电机变频运行时膜片联轴器附近转轴上的动态扭矩信号，将其分别作用到膜片联轴器的膜片和转轴上，得到转轴上承受的扭应力和膜片上承受的动态拉压应力；2)根据转轴和膜片联轴器工作特点，分别采用名义应力法计算分析转轴高周载荷作用下的疲劳寿命，和采用局部应力应变法计算低周载荷作用下膜片疲劳寿命，以两种计算寿命的较小值来评估轴系疲劳寿命。与现有技术相比，本发明具有方法简便、可行，同时考虑变频驱动电机转轴上稳态和动态扭矩影响等优点。

Description

一种电机变频运行时轴系安全性分析方法
技术领域
本发明涉及动力、冶金、石化等大型旋转机械的轴系安全状态评估，尤其是涉及一种电机变频运行时轴系安全性分析方法。
背景技术
为了节能减排，电力、石化、冶金等行业风机和泵等大功率动力设备正在或计划实施变频改造，通过变转速运行来满足不同负荷工况调节需求，从而减小节流损失，提高能量转换效率。
传统定速运行的风机和泵，轴系强度大多能够满足设计需求，使用年限内很少发生轴系损坏事故。这些设备实施变频改造之后，却经常发生联轴器损坏、转轴裂纹、叶片断裂等恶性故障，对设备安全运行产生很大影响。研究表明，这些故障大多与交流电机变频运行模式下间谐波引发的剧烈扭转振动或扭转失稳有关，此时转轴上会承受大幅脉动扭矩，脉动幅度远超过平均扭矩值。为了提高变频运行设备工作可靠性及在设备变频改造前评估变频改造风险和可行性，需要对变频电机驱动轴系运行状态、安全性及疲劳寿命等进行测试、分析和评估。
电机驱动轴系主要由传动轴和联轴器组成，联轴器和传动轴一起，共同传递扭矩。膜片式联轴器可以通过膜片的弹性变形来补偿驱动端和被驱动端之间的相对位移，允许所联两轴之间存在一定的轴向、角向和径向安装误差，且有一定的缓冲和减振作用，在电机驱动风机或泵的轴系上得到广泛应用。传动轴系疲劳寿命校核通常采用计算方法。膜片联轴器受力分析时主要考虑：(1)转矩在膜片联轴器幅片中产生的拉压力或剪力；(2)轴向位移时幅片中产生的剪力、拉力和弯矩；(3)旋转时的径向和切向力；(4)角偏斜时的弯矩等。计算时通常把前3项力所引起的应力看作是静态应力，只是将角不对中情况下弯矩引起的应力看作是交变应力。传动轴受力分析时，主要考虑电机输出转矩。对于不采用变频电机驱动的轴系，工作状态下转矩是稳定的，上述模型适用。但是，变频驱动的轴系在一定转速区间内运行时可能会出现扭转共振或自激失稳现象，此时，膜片和传动轴所承受的转矩会出现大幅脉动，而且脉动幅值有可能超过电机本身传递扭矩幅值，导致上述计算分析方法失效。因为转轴上脉动扭矩的频率和幅度等关键参数难以准确给出，因而难以准确评估扭矩脉动作用下轴系疲劳寿命。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种电机变频运行时轴系安全性分析方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种电机变频运行时轴系安全性分析方法，包括：
1)通过测试电机变频运行时膜片联轴器附近转轴上的动态扭矩信号，将其分别作用到膜片联轴器的膜片和转轴上，得到转轴上承受的扭应力和膜片上承受的动态拉压应力；
2)根据转轴和膜片联轴器工作特点，分别采用名义应力法计算分析转轴高周载荷作用下的疲劳寿命，和采用局部应力应变法计算低周载荷作用下膜片疲劳寿命，以两种计算寿命的较小值来评估轴系疲劳寿命。
这种方法可以准确分析电机变频运行模式下转轴和膜片联轴器动态受力情况，根据2个部件的特点评估轴系疲劳寿命，方法简便、可行，该方法可以同时考虑变频驱动电机转轴上稳态和动态扭矩影响。
优选的，该方法具体包括以下步骤：
(1)在膜片联轴器附近转轴上黏贴应变片，测量膜片联轴器和转轴所承受的动态扭矩信号T(t)；
(2)将所测得的动态扭矩信号T(t)作用到膜片联轴器上，计算得到膜片上螺栓所承受的动态力信号F(t)；
(3)计算膜片组所承受的拉力信号F′(t)：
式中，θ为相邻螺栓孔之间的夹角；
(4)计算膜片组上截面拉应力信号σ(t)：
式中，A0为膜片最小截面处的截面积；
(5)对截面拉应力信号σ(t)进行快速傅里叶(FFT)变换，找出其中最大峰值所对应的频率f及其幅值σa，计算截面拉应力信号平均值σm；
(6)根据局部应力应变法，计算膜片低周疲劳寿命；
(7)将所测扭矩作用到转轴上，计算得到转轴表面扭应力；
式中，W为截面模量；
(8)采取5点3次平滑法，对转轴表面扭应力信号σs(t)作平滑处理，得到平滑后的应力信号σs1(t)；
(9)剔除平滑后转轴表面扭应力信号中的无效点，即将信号中的等值点剔除，得到扭应力信号σs2(t)；
(10)找出扭应力信号σs2(t)中的峰值与谷值，将应力信号σs2(t)的起点和尾点自动视为峰谷值点，得到由峰谷值点组成的信号σs3(t)；
(11)如果信号σs3(t)中峰谷值点总数为偶数，则剔除最尾部峰谷值点，保证信号σs3(t)中峰谷值点个数为奇数，得到信号σs4(t)；
(12)如果信号σs4(t)中首点为谷点，则将首点和尾点的值设为首点和尾点值中的较小值；如果首点为峰值点，则将首点和尾点的值设为首点和尾点值中的较大值，得到信号σs5(t)；
(13)找到信号σs5(t)中最大峰值点所在位置，将信号σs5(t)从该点处截断，将后半段信号移到前半段信号的前段，得到重组后的峰谷值点信号σs6(t)；
(14)采用三点法进行雨流计数，记相邻的三个点为x,y,z，如果满足|z-y|≥|x-y|，记录1次循环，其应力幅值sa、平均值sm分别为：
重复该计数方法对剩余的数据进行处理，得到所有应力循环的幅值、平均值；
(15)根据转轴材料，得到材料应力-寿命曲线，将应力和寿命之间的关系表示为：
lgNp＝ap+bplgS
式中，ap,bp为系数，取决于材料特性，S为动态应力，Np为寿命，考虑疲劳缺口系数、尺寸影响系数、表面加工系数、分散系数对材料的应力-寿命曲线进行修正，得到膜片部件的应力-寿命曲线：
lgNp＝a'p+b'plgS
(16)对平均应力的影响按Goodman方法进行修正；
(17)计算Δt时间段内转轴上发生的高周疲劳寿命损耗A：
(18)计算转轴高周疲劳损坏所对应的年：
(19)以转轴高周疲劳寿命和膜片低周疲劳寿命的最小值作为轴系疲劳寿命y。
优选的，所述的步骤(1)中的膜片联轴器和转轴所承受的动态扭矩信号T(t)采用全桥法和无线信号发射/接收方法测量得到。
优选的，所述的步骤(2)中的膜片联轴器为六孔束腰型膜片联轴器时，膜片联轴器每个螺栓上所承受的沿着螺栓位置切线方向的力信号F(t)为：
式中，D为螺栓分布圆直径，Z为膜片层数。
优选的，所述的步骤(6)中的局部应力应变法具体为：
局部应力—应变法认为零件和构件的整体疲劳性能取决于最危险区域的局部应力—应变状态，采用R.W.兰德格拉夫公式计算应变循环所造成的损伤：
式中，y1为低周疲劳寿命，单位为年，K'为循环强度因子，n'为应变硬化指数，ε'f为疲劳延性系数，σ'f为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，c为疲劳延性指数，f为应力循环的频率。
优选的，所述的步骤(7)中的截面模量W计算如下：
D,d分别为传动轴外径和内径。
优选的，所述的步骤(16)具体为：
式中，se为等效为对称循环后下的应力，su为材料强度极限。
优选的，所述的步骤(17)中的高周疲劳寿命损耗A计算如下：
式中，Np,i为第i次应力循环所对应的寿命次数。
优选的，所述的步骤(18)中的高周疲劳寿命计算如下：
式中，Δt为样本信号时间长度，单位：s，y2为高周疲劳寿命，单位：年。
优选的，所述的步骤(19)中的轴系疲劳寿命y具体计算如下：
y＝min(y1,y2)
其中y1为低周疲劳寿命，y2为高周疲劳寿命。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明提出了一种电机变频运行时轴系疲劳寿命分析和评估方法，可以实现电机变频运行时大幅脉动扭矩作用下轴系寿命评估；
(2)本发明所提出的膜片联轴器寿命估计方法，利用实测扭矩和膜片模型求得膜片应力，无需在膜片上布置应变片，减小了测试困难；
(3)本发明提出根据转轴和膜片联轴器工作特点，分别采用名义应力法和局部应力—应变法来评判转轴和膜片疲劳寿命，同时考虑高周和低周疲劳损坏影响。
附图说明
图1为变频电机驱动风机轴系模型示意图；
图2为束腰式六孔膜片联轴器示例图；
图3为束腰式六孔膜片联轴器力学分析模型图；
图4为转轴应力—寿命曲线(S-N曲线)图；
图5为本发明方法实施流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明提出一种电机变频运行时轴系安全性分析方法。本发明认为电机变频运行在一定转速区间时，转轴上将可能承受大幅交变扭矩，该脉动扭矩对传动轴和膜片的危害远大于常规计算分析模型中稳态力矩的影响，使得轴系寿命产生较大损耗。为此，本发明通过测试电机变频运行时膜片联轴器附近转轴上的动态扭矩信号，将其分别作用到膜片联轴器的膜片和转轴上，得到转轴上承受的扭应力和膜片上承受的动态拉压应力。在此基础上，根据转轴和膜片联轴器工作特点，分别采用名义应力法计算分析转轴高周载荷作用下的疲劳寿命，采用局部应力—应变法计算低周载荷作用下膜片疲劳寿命，以2种计算寿命的较小值来评估轴系疲劳寿命。这种方法可以准确分析电机变频运行模式下转轴和膜片联轴器动态受力情况，根据2个部件的特点评估轴系疲劳寿命，方法简便、可行，该方法可以同时考虑变频驱动电机转轴上稳态和动态扭矩影响。
本实施例是以某变频运行电机驱动风机轴系为例，进行轴系疲劳寿命的测试、分析与评估，参照图1～图5。
(1)在膜片联轴器附近转轴上黏贴应变片，如图1所示，采用全桥法和无线信号发射/接受方法测量膜片联轴器所承受的动态扭矩信号T(t)。为了提高信号分析精度和可靠性，信号采集时需要满足：采样频率>10倍最高分析频率，采样时间>600s；
(2)将所测得的动态扭矩信号T(t)作用到膜片联轴器上(如图2和图3所示)，计算得到膜片上螺栓所承受的动态力信号F(t)。以六孔束腰型膜片联轴器(如图2和图3所示)为例，膜片联轴器每个螺栓上所承受的沿着螺栓位置切线方向的力信号F(t)为：
式中，D为螺栓分布圆直径，Z为膜片层数。
(3)计算膜片组所承受的拉力信号F′(t)：
式中，θ为相邻螺栓孔之间的夹角。
(4)计算膜片组上截面拉应力信号σ(t)：
式中，A0为膜片最小截面处的截面积。
(5)对截面拉应力信号σ(t)进行快速傅里叶(FFT)变换，找出其中最大峰值所对应的频率f及其幅值σa，计算截面拉应力信号平均值σm；
(6)根据局部应力—应变法，计算膜片低周疲劳寿命。局部应力—应变法认为零件和构件的整体疲劳性能取决于最危险区域的局部应力—应变状态。本发明专利采用R.W.兰德格拉夫公式计算应变循环所造成的损伤：
式中，y1为低周疲劳寿命(单位：年)，K'为循环强度因子，n'为应变硬化指数，ε'f为疲劳延性系数，σ'f为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，c为疲劳延性指数，f为应力循环的频率。
(7)将所测扭矩作用到转轴上，计算得到转轴表面扭应力；
式中，W为截面模量，D,d分别为传动轴外径和内径。
(8)采取5点3次平滑法，对转轴表面扭应力信号σs(t)作平滑处理，得到平滑后的应力信号σs1(t)；
(9)剔除平滑后转轴表面扭应力信号中的无效点，即将信号中的等值点剔除，得到扭应力信号σs2(t)；
(10)找出扭应力信号σs2(t)中的峰值与谷值，将应力信号σs2(t)的起点和尾点自动视为峰谷值点，得到由峰谷值点组成的信号σs3(t)；
(11)如果信号σs3(t)中峰谷值点总数为偶数，则剔除最尾部峰谷值点，保证信号σs3(t)中峰谷值点个数为奇数，得到信号σs4(t)；
(12)如果信号σs4(t)中首点为谷点，则将首点和尾点的值设为首点和尾点值中的较小值；如果首点为峰值点，则将首点和尾点的值设为首点和尾点值中的较大值，得到信号σs5(t)；
(13)找到信号σs5(t)中最大峰值点所在位置，将信号σs5(t)从该点处截断，将后半段信号移到前半段信号的前段，得到重组后的峰谷值点信号σs6(t)；
(14)采用三点法进行雨流计数。记相邻的三个点为x,y,z，如果满足|z-y|≥|x-y|，记录1次循环，其应力幅值sa、平均值sm分别为：
重复该计数方法对剩余的数据进行处理，得到所有应力循环的幅值、平均值。
(15)根据转轴材料，得到材料应力—寿命曲线(S-N曲线)(如图4)，将应力和寿命之间的关系表示为：
lgNp＝ap+bplgS
式中，ap,bp为系数，取决于材料特性，S为动态应力，Np为寿命。考虑疲劳缺口系数、尺寸影响系数、表面加工系数、分散系数等对材料的S-N曲线进行修正，得到膜片部件的S-N曲线：
lgNp＝a'p+b'plgS
(16)对平均应力的影响按Goodman方法进行修正：
式中，se为等效为对称循环后下的应力，su为材料强度极限。
(17)计算Δt时间段内转轴上发生的高周疲劳寿命损耗A：
式中，Np,i为第i次应力循环所对应的寿命次数。
(18)计算转轴高周疲劳损坏所对应的年：
式中，Δt为样本信号时间长度(单位：s)，y2为高周疲劳寿命(单位：年)。
(19)以转轴高周疲劳寿命和膜片低周疲劳寿命的最小值作为轴系疲劳寿命y：
y＝min(y1,y2)
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种电机变频运行时轴系安全性分析方法，其特征在于，包括：
1)通过测试电机变频运行时膜片联轴器附近转轴上的动态扭矩信号，将其分别作用到膜片联轴器的膜片和转轴上，得到转轴上承受的扭应力和膜片上承受的动态拉压应力；
2)根据转轴和膜片联轴器工作特点，分别采用名义应力法计算分析转轴高周载荷作用下的疲劳寿命，和采用局部应力应变法计算低周载荷作用下膜片疲劳寿命，以两种计算寿命的较小值来评估轴系疲劳寿命；
所述的分析方法具体包括以下步骤：
(1)在膜片联轴器附近转轴上黏贴应变片，测量膜片联轴器和转轴所承受的动态扭矩信号T(t)；
(2)将所测得的动态扭矩信号T(t)作用到膜片联轴器上，计算得到膜片上螺栓所承受的动态力信号F(t)；
(3)计算膜片组所承受的拉力信号F′(t)：
式中，θ为相邻螺栓孔之间的夹角；
(4)计算膜片组上截面拉应力信号σ(t)：
式中，A0为膜片最小截面处的截面积；
(5)对截面拉应力信号σ(t)进行快速傅里叶(FFT)变换，找出其中最大峰值所对应的频率f及其幅值σa，计算截面拉应力信号平均值σm；
(6)根据局部应力应变法，计算膜片低周疲劳寿命；
(7)将所测扭矩作用到转轴上，计算得到转轴表面扭应力；
式中，W为截面模量；
(8)采取5点3次平滑法，对转轴表面扭应力信号σs(t)作平滑处理，得到平滑后的应力信号σs1(t)；
(9)剔除平滑后转轴表面扭应力信号中的无效点，即将信号中的等值点剔除，得到扭应力信号σs2(t)；
(10)找出扭应力信号σs2(t)中的峰值与谷值，将应力信号σs2(t)的起点和尾点自动视为峰谷值点，得到由峰谷值点组成的信号σs3(t)；
(11)如果信号σs3(t)中峰谷值点总数为偶数，则剔除最尾部峰谷值点，保证信号σs3(t)中峰谷值点个数为奇数，得到信号σs4(t)；
(12)如果信号σs4(t)中首点为谷点，则将首点和尾点的值设为首点和尾点值中的较小值；如果首点为峰值点，则将首点和尾点的值设为首点和尾点值中的较大值，得到信号σs5(t)；
(13)找到信号σs5(t)中最大峰值点所在位置，将信号σs5(t)从该点处截断，将后半段信号移到前半段信号的前段，得到重组后的峰谷值点信号σs6(t)；
(14)采用三点法进行雨流计数，记相邻的三个点为x,y,z，如果满足
|z-y|≥|x-y|，记录1次循环，其应力幅值sa、平均值sm分别为：
重复该计数方法对剩余的数据进行处理，得到所有应力循环的幅值、平均值；
(15)根据转轴材料，得到材料应力-寿命曲线，将应力和寿命之间的关系表示为：
lgNp＝ap+bplgS
式中，ap,bp为系数，取决于材料特性，S为动态应力，Np为寿命，考虑疲劳缺口系数、尺寸影响系数、表面加工系数、分散系数对材料的应力-寿命曲线进行修正，得到膜片部件的应力-寿命曲线：
lgNp＝a'p+b'plgS
(16)对平均应力的影响按Goodman方法进行修正；
(17)计算Δt时间段内转轴上发生的高周疲劳寿命损耗A：
(18)计算转轴高周疲劳损坏所对应的年：
(19)以转轴高周疲劳寿命和膜片低周疲劳寿命的最小值作为轴系疲劳寿命y。
2.根据权利要求1所述的一种电机变频运行时轴系安全性分析方法，其特征在于，所述的步骤(1)中的膜片联轴器和转轴所承受的动态扭矩信号T(t)采用全桥法和无线信号发射/接收方法测量得到。
3.根据权利要求1所述的一种电机变频运行时轴系安全性分析方法，其特征在于，所述的步骤(2)中的膜片联轴器为六孔束腰型膜片联轴器时，膜片联轴器每个螺栓上所承受的沿着螺栓位置切线方向的力信号F(t)为：
式中，D为螺栓分布圆直径，Z为膜片层数。
4.根据权利要求1所述的一种电机变频运行时轴系安全性分析方法，其特征在于，所述的步骤(6)中的局部应力应变法具体为：
局部应力—应变法认为零件和构件的整体疲劳性能取决于最危险区域的局部应力—应变状态，采用R.W.兰德格拉夫公式计算应变循环所造成的损伤：
式中，y1为低周疲劳寿命，单位为年，K'为循环强度因子，n'为应变硬化指数，ε'f为疲劳延性系数，σ'f为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，c为疲劳延性指数，f为应力循环的频率。
5.根据权利要求1所述的一种电机变频运行时轴系安全性分析方法，其特征在于，所述的步骤(7)中的截面模量W计算如下：
D,d分别为传动轴外径和内径。
6.根据权利要求1所述的一种电机变频运行时轴系安全性分析方法，其特征在于，所述的步骤(16)具体为：
式中，se为等效为对称循环后下的应力，su为材料强度极限。
7.根据权利要求1所述的一种电机变频运行时轴系安全性分析方法，其特征在于，所述的步骤(17)中的高周疲劳寿命损耗A计算如下：
式中，Np,i为第i次应力循环所对应的寿命次数。
8.根据权利要求1所述的一种电机变频运行时轴系安全性分析方法，其特征在于，所述的步骤(18)中的高周疲劳寿命计算如下：
式中，Δt为样本信号时间长度，单位：s，y2为高周疲劳寿命，单位：年。
9.根据权利要求8所述的一种电机变频运行时轴系安全性分析方法，其特征在于，所述的步骤(19)中的轴系疲劳寿命y具体计算如下：
y＝min(y1,y2)
其中y1为低周疲劳寿命，y2为高周疲劳寿命。
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