CN112255001B - 一种用于验证电机-叶轮机械匹配特性的激励分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种用于验证电机‑叶轮机械匹配特性的激励分离装置，包括驱动电机、叶轮机械、固定基础、同步带传动结构；驱动电机包括电机机壳、电机定子铁芯、电机转子；叶轮机械包括叶轮机械机壳、叶轮；同步带传动结构包括电机侧齿轮和叶轮机械侧齿轮，驱动电机、叶轮机械均通过各自的隔振器安装在固定基础上。本发明实现了将各振动激励源有效分离的目的。考虑了振动源之间相互耦合的产生因素，通过特定连接及安装的结构形式从根本上杜绝了振动的传递，明确了不同振动激励源作用位置及结构，安装有特殊结构的齿盘结构和安装基座可以方便的采集电机‑叶轮机械的运行状态信息以及模拟由于加工误差带来的质量偏心和结构偏心的系统状态。

Description

一种用于验证电机-叶轮机械匹配特性的激励分离装置

技术领域

本发明涉及的是一种激励分离装置，具体地说是电机-叶轮机械激励分离装置。

背景技术

电机-叶轮机械系统内部振动激励源组成复杂，其振动激励源依照作用位置的区别可以分为电机激励、轴承激励、叶轮激励等；其振动激励源依照作用方式的区别可以分为电磁激励、机械激励、流场激励。电机-叶轮机械作为一个完整的系统，其内部激励间相互联系，共同作用在装置机体上，因此呈现在设备机体表面或安装机脚位置处的振动特性及水平除了各个振动激励源单组作用的结果外，还受各个振动激励源之间的耦合作用结果的影响。对于电机-叶轮机械系统所构成的装置设备而言，其振动激励源是复杂的，其振动表现也是各种因素组合作用下的结果。如若需要研究电机-叶轮机械系统中各个因素对整体振动特性的影响规律，则需要将各个激励进行分离，实现对某个因素的单独调节，以研究其对系统整体振动的影响规律。

有相关文章(“孙慧,袁寿其,骆寅,等.水机电共同作用的离心泵内部非定常流动分析[J].排灌机械工程学报,2016,34(2):122-127,150”，“郭义航.离心泵扭矩和转速的非定常特性研究[D].2017.”)提到常规研究中只考虑水力激振力对泵的作用，忽略了转速波动对泵运行状态的影响，然而转速和转矩是相关性极大的两个参数。离心泵和电机作为一个整体，其扭矩与转速是相互关系和相互影响的，作为旋转机械最重要的特征之一，转速与旋转机械的运行特征息息相关。

吴江飞(吴江飞.小型感应电机电磁振动特性分析与验证[D].哈尔滨工程大学,2017)设计了一种应用于电机本体振动研究的电机振动激励分离装置，通过将电机端盖与机壳结构分离，实现了电机类设备中的电机定转子所产生的电磁激励和轴承位置处的机械激励的初步分离。但是一方面此实验装置对振动激励的分离是不够彻底的，由于电机端盖与电机机壳共同安装在安装基座上，结构之间缺少相应的振动隔离措施，其振动激励源(电磁激励、轴承机械激励)可以通过安装基座传递；另一方面，该装置的研究对象仅包含电机本体，没有考虑被电机驱动的设备(如离心泵、压气机等叶轮机械)对电机振动的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供通过分离振动激励源的手段，进一步研究在电机激励、叶轮机械激励、轴承激励单独作用下电机-叶轮机械系统振动水平影响的一种用于验证电机-叶轮机械匹配特性的激励分离装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种用于验证电机-叶轮机械匹配特性的激励分离装置，其特征是：包括驱动电机、叶轮机械、固定基础、同步带传动结构；所述驱动电机包括电机机壳、电机定子铁芯、电机转子，电机机壳安装在电机主体隔振器上，电机主体隔振器通过电机安装基座安装在固定基础上，电机定子铁芯和电机转子设置在电机机壳里，驱动电机的轴的前端安装电机前侧齿盘，驱动电机的轴的后端安装电机后侧齿盘，电机前侧齿盘与电机机壳之间的轴上设置分离式电机前端盖，电机后侧齿盘与电机机壳之间的轴上设置分离式电机后端盖，分离式电机前端盖通过电机前端盖隔振器安装在固定基础上，分离式电机后端盖通过电机后端盖隔振器安装在固定基础上；所述叶轮机械包括叶轮机械机壳、叶轮，叶轮通过叶轮机械的转轴安装在叶轮机械机壳里，叶轮机械机壳上设置导叶，转轴伸出至叶轮机械机壳外部的部分安装叶轮机械侧齿盘，叶轮机械侧齿盘和叶轮机械机壳之间的转轴上安装叶轮机械转轴支撑轴承座，叶轮机械机壳通过叶轮机械主体隔振器安装在固定基础上，叶轮机械转轴支撑轴承座通过叶轮机械转轴支撑轴承座隔振器安装在叶轮机械安装基座上，叶轮机械安装基座安装在固定基础上；所述同步带传动结构包括电机侧齿轮和叶轮机械侧齿轮，电机侧齿轮安装在驱动电机的轴上，叶轮机械侧齿轮安装在叶轮机械的转轴上，电机侧齿轮和叶轮机械侧齿轮上缠绕齿形同步带。

本发明还可以包括：

1、所述电机安装基座通过滑轨安装在固定基础上，电机安装基座通过在滑轨上的移动调整电机机壳的相对安装位置。

2、电机转子安装在驱动电机的轴上，电机转子的位置通过分离式电机前端盖、分离式电机后端盖的安装位置确定，通过调整电机机壳沿滑轨的运动距离实现驱动电机正常安装状态或驱动电机偏心安装状态的变换。

3、叶轮机械安装基座通过轨道安装在固定基础上，通过调整叶轮机械安装基座在轨道上的运动距离张紧齿形同步带。

4、电机前侧齿盘、电机后侧齿盘、叶轮机械侧齿盘上均设置通孔，配合电涡流转速传感器或电磁传感器实现瞬时波动转速的测量和采集，对应角度的通孔上施加不同重量的配重，实现模拟偏心对设备运行状态的影响。

本发明的优势在于：本发明在保证电机-叶轮机械系统正常运转的前提下，实现了将各振动激励源有效分离的目的。发明中考虑了振动源之间相互耦合的产生因素，通过特定连接及安装的结构形式从根本上杜绝了振动的传递，明确了不同振动激励源作用位置及结构，安装有特殊结构的齿盘结构和安装基座可以方便的采集电机-叶轮机械的运行状态信息以及模拟由于加工误差带来的质量偏心和结构偏心的系统状态。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为同步带传动装置示意图；

图3为叶轮机械内部结构示意图；

图4a为齿盘结构示意图，图4b为齿盘结构剖视图；

图5为驱动电机借由安装基座调整所实现偏心状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-5，本发明一种用于验证电机-叶轮机械系统匹配特性的激励分离装置包括端盖与机壳分离安装的驱动电机(电机前侧齿盘1、分离式电机前端盖2、电机主体3、分离式电机后端盖4、电机后侧齿盘5、电机前端盖隔振器16、电机主体隔振器15、电机后端盖隔振器13)、叶轮及导叶个数可随需求进行更换的叶轮机械(叶轮机械侧齿盘7、叶轮机械转轴支撑轴承座12、叶轮机械主体8、叶轮机械转轴支撑轴承座隔振器10、叶轮机械主体隔振器9)、同步带传动结构6、可以沿导轨调整相对安装位置关系的安装基座(电机安装基座14、叶轮机械安装基座11)、满足振动水平校验相关要求的固定基础17。

结合图2，电机和叶轮机械通过同步带传动装置相连以传递扭矩，同步带传动装置包含齿形同步带6a、电机侧齿轮6b、叶轮机械侧齿轮6c，通过调整叶轮机械安装基座11张紧齿形同步带6a，实现转矩的传递。同步带6a是单面具有等距齿的环形带，相比其他转矩传递方式，特别是相比传统联轴器而言，同步带传动不仅具有同步无滑差、传动效率高、传动精度高等特点，还能隔绝电机和叶轮机械间的振动传递，实现振动激励源的分离。

结合图3，叶轮机械由叶轮机械机壳8a、可拆卸叶片式叶轮8b、可拆卸式导叶8c。可以通过拆卸不同位置的导叶或叶轮，实现不同组合形式的叶轮数-导叶数组合，不同组合对应不同的负载频率特性，对比不同组合形式下本发明的运行状态和振动参数，可以对比叶片数、导叶数、电机设计参数的匹配程度。

结合图4，电机前侧齿盘1、电机后侧齿盘5、叶轮机械侧齿盘7处结构形式相同。如图所示，结构1a为用于配合磁电转速传感器测试采集转速的等距齿，结构1b为固定半径分布的通孔，可用于安装特定重量的配重，实现对设备不同动平衡精度的模拟。

结合图1及图5，电机主体3由电机机壳3a、电机定子铁芯3b、电机转子3c组成。电机主体3通过电机主体隔振器15安装在电机安装基座14上，电机安装基座14可以沿导轨进行相对位置的调整，位置调整完成后，借助螺栓进行固定，保证电机稳定安全运行。调整电机安装基座14沿导轨的运动距离，然后旋紧螺栓固定导轨位置，确保本发明正常工作下电机主体不会沿导轨滑移。通过调整电机安装基座14沿导轨运动距离的不同可以实现电机机壳相对于电机转子的偏心位置关系。

本发明所设计的设备及结构依照图1完成安装及状态调整后；根据需求将对应的转速传感器，距离传感器，加速度传感器分别安装在对应位置；接通启动电机电源，驱动叶轮机械旋转；开启信号采集仪，采集分析各传感器器信号；通过对比各信号不同位置处信号频率成分、幅值的大小关系，明确各参数对具体各设备的运行状态的影响；断开电源，完成测试分析，归纳各设计参数对各设备运行状态、振动水平的影响规律。

驱动电机较常规电机而言，其前后侧端盖并非直接安装在机壳上，而是通过橡胶隔振器安装在固定基础上，电机机壳则通过橡胶隔振器安装在安装基座上，该安装基座可以沿固定基础上的滑轨调整电机机壳的相对安装位置。电机转子的位置由前后端盖的安装位置确定，通过调整电机机壳沿滑轨的运动距离的区别实现电机正常安装状态与电机偏心安装状态的变换。

叶轮机械通过同步带传动装置与电机相连，叶轮机械所包含的叶轮转子与含导叶蜗壳分别通过橡胶隔振器安装在安装基座与固定基础上，通过调整叶轮机械侧安装基座沿滑轨的运动距离张紧同步带，保证同步带传动装置的正常啮合。在运转过程中，同步带齿和带轮齿不断的啮合以传递转矩，相比联轴器，同步带传动装置一方面保证准确的传动比和高效的传动效率，另一方面可以隔绝机械振动沿转轴的传递。

叶轮机械中所包含的叶轮转子和含导叶蜗壳中的叶轮数和导叶数可以根据需要更换不同的叶轮-导叶组合，表1中列举了一些组合对应的叶片通过频率。

表1叶轮和导叶叶片数组合下的叶片通过频率

在叶轮机械的运行过程中，由于叶轮叶片出口的尾流和导叶进口的扰流相互叠加影响，导致在无叶区域产生很强的不均匀流场，形成强烈的压力脉动，所以不同的叶轮-导叶组合对应不同的负载频率特性。在转动系统和静止系统中形成的周期性流场，可以利用傅里叶级数表述：

上式中，P_j为静止系统的瞬时压力，B_n和φ_n分别为静止系统n阶谐波的幅值和相位，θ_j为静止系统的角坐标；P_d为转动系统的瞬时压力，B_m和φ_m分别为转动系统m阶谐波的幅值和相位，θ_d为转动系统的角坐标；m和n为谐波阶次，Z_r和Z_g分别为叶轮叶片数和导叶叶片数。

在无叶区域形成的压力脉动可以看作上述方程的乘积形式。其中叶轮旋转过程中的角坐标可以表示为θ_d＝θ_j-ωt，则在无叶区域形成的压力场可表示为：

式中，B_mn为压力场中的压力脉动的幅值。

本发明中在各个转轴末端均安装带有固定分布半径的标准通孔的齿盘，此结构配合电涡流转速传感器或电磁传感器可以实现瞬时波动转速的测量和采集，将不同重量的配重安装在该结构上对应角度的通孔上可以模拟质量偏心对设备运行状态的影响。

将不同类型的传感器安装与本发明机体上可以实现电机耦联叶轮机械运行状态的参数测量。将加速度传感器或应变传感器分别安装在设备不同位置，如电机端盖，电机机壳，叶轮机械转轴轴承座、叶轮机械机壳，可以分别测量在当前参数组合对应的电机电磁激励特性、电机运行状态下轴承激励特性、叶轮机械流场激励特性、叶轮机械机壳受激状态。通过对比各部分运行状态参数可以追溯当前参数组合对电机-叶轮机械系统各个部件的影响程度的大小，判断电机-叶轮机械匹配程度的高低。

Claims (3)

1.一种用于验证电机-叶轮机械匹配特性的激励分离装置，其特征是：包括驱动电机、叶轮机械、固定基础、同步带传动结构；所述驱动电机包括电机机壳、电机定子铁芯、电机转子，电机机壳安装在电机主体隔振器上，电机主体隔振器通过电机安装基座安装在固定基础上，电机定子铁芯和电机转子设置在电机机壳里，驱动电机的轴的前端安装电机前侧齿盘，驱动电机的轴的后端安装电机后侧齿盘，电机前侧齿盘与电机机壳之间的轴上设置分离式电机前端盖，电机后侧齿盘与电机机壳之间的轴上设置分离式电机后端盖，分离式电机前端盖通过电机前端盖隔振器安装在固定基础上，分离式电机后端盖通过电机后端盖隔振器安装在固定基础上；所述叶轮机械包括叶轮机械机壳、叶轮，叶轮通过叶轮机械的转轴安装在叶轮机械机壳里，叶轮机械机壳上设置导叶，转轴伸出至叶轮机械机壳外部的部分安装叶轮机械侧齿盘，叶轮机械侧齿盘和叶轮机械机壳之间的转轴上安装叶轮机械转轴支撑轴承座，叶轮机械机壳通过叶轮机械主体隔振器安装在固定基础上，叶轮机械转轴支撑轴承座通过叶轮机械转轴支撑轴承座隔振器安装在叶轮机械安装基座上，叶轮机械安装基座安装在固定基础上；所述同步带传动结构包括电机侧齿轮和叶轮机械侧齿轮，电机侧齿轮安装在驱动电机的轴上，叶轮机械侧齿轮安装在叶轮机械的转轴上，电机侧齿轮和叶轮机械侧齿轮上缠绕齿形同步带；

所述电机安装基座通过滑轨安装在固定基础上，电机安装基座通过在滑轨上的移动调整电机机壳的相对安装位置；

电机转子安装在驱动电机的轴上，电机转子的位置通过分离式电机前端盖、分离式电机后端盖的安装位置确定，通过调整电机机壳沿滑轨的运动距离实现驱动电机正常安装状态或驱动电机偏心安装状态的变换。

2.根据权利要求1所述的一种用于验证电机-叶轮机械匹配特性的激励分离装置，其特征是：叶轮机械安装基座通过轨道安装在固定基础上，通过调整叶轮机械安装基座在轨道上的运动距离张紧齿形同步带。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于验证电机-叶轮机械匹配特性的激励分离装置，其特征是：电机前侧齿盘、电机后侧齿盘、叶轮机械侧齿盘上均设置通孔，配合电涡流转速传感器或电磁传感器实现瞬时波动转速的测量和采集，对应角度的通孔上施加不同重量的配重，实现模拟偏心对设备运行状态的影响。

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