立式电机推力轴承锥套胀紧结构失稳原因的有限元分析.pdf

立式电机推力轴承锥套胀紧结构失稳原因的有限元分析冯晓刚单 青(.哈尔滨电气动力装备有限公司哈尔滨.黑龙江省计量检定测试研究院哈尔滨)摘 要:阐述了通过 软件对立式电机推力轴承转动部件采用锥套结构设计的紧固单元进行有限元分析的过程明确了该紧固单元在电机运行中反复出现结构失稳的主要原因是来自于系统温升进一步分析了温升造成结构失稳的影响机理提出减小系统温升值与人为干预结构内部力学平衡同时作用的解决方案并简要介绍了方案的实施过程关键词:推力滑动轴承锥形夹紧元件有限元分析中图分类号:文献标志码:编码:././.(.):.:引言在立式电机推力轴承转动部件的结构设计中以锥套胀紧结构联接转轴与推力头的紧固形式并不多见 某大型高转速立式电机推力轴承的转动部件推力头与转轴的安装形式就是采用此结构设计 该电机在完成总装进入试验阶段时在平稳运行一段时间后往往出现转子振动数值突变的情况导致试验振动数据非常不理想 经过拆机盘车检查发现原本调整至较高的安装精度已发生改变且提供紧量的拉紧螺栓其紧固扭矩也大幅度降低表明该胀紧结构的紧固状态存在明显的不稳定因素 为明确失稳问题产生的主要原因我们利用计算机软件对结构内部各组件之间的力学状态变化情况进行模拟分析 结构的设计特点以及相关参数.结构特点该推力轴承转动部件紧固单元结构如图 所设计与研究上海大中型电机.示主要由外环、内环和若干胀紧螺栓组成的锥形胀紧单元将推力头与转轴胀连成一体其中分瓣式卡环起到轴向防滑脱的保护功能正常工况下不参与结构受力 外环 内环 胀紧螺栓 分瓣式卡环 推力头 转轴图 紧固单元结构图锥形胀紧单元由一个内孔有锥度并开槽的外环、一个外圆有锥度并开槽的内环以及若干紧固螺栓组成外环与内环的槽口成 对称放置其锥度值为可实现结构自锁的紧摩擦连接 拧紧紧固螺栓将外环拉拽向内环锥面相互挤压从而产生径向力 径向力产生于锥面力的大小主要取决于紧固螺栓的轴向拉力、锥面的锥度以及摩擦系数 径向胀紧力将外环挤至推力头内孔将内环挤至轴颈在各自接触面处形成摩擦连接扭矩及轴向力通过这种方式在转轴和推力头之间进行传递 其中内环被设计成凸缘环以防止螺栓紧固时推力头和内环发生相对的轴向位移.相关参数电机为立式鼠笼感应异步电动机在调试启动、正常运行和停机等运行工况下电机的运行参数均在较大的范围内变动可在额定转速的 范围内的任意转速下长时间稳定运转 主要设计参数如表 所示表 电机主要设计参数序号参数名称量值额定功率 额定转速 /调速范围 /最高转速 /初始环境温度 最高转速时轴瓦温度 单个胀紧螺栓紧固扭矩 胀紧螺栓数量 个 计算过程.建立几何模型根据各部件图纸尺寸绘制几何模型如图 所示 胀紧套内、外套开槽开槽处按 放置不计配合面的过盈量、间隙量各部件之间配合面设置为接触、可滑动胀紧套外圈上表面设置 个直径 厚 的突起作为胀紧螺栓载荷的加载面如图 所示单个螺栓紧固扭矩为 即预紧力为 胀紧套内套同理摩擦系数设定内套与轴之间为干摩擦摩擦系数为 内外套之间、外套与推力头之间为油气环境摩擦系数为 图 几何模型与网格划分图 加载载荷.温度场设置考虑温升对胀紧套锥面过盈量的影响可能较大因此需采用贴合实际的温度边界条件 温度场设置如图 所示电机试验起车时初始温度 /时轴瓦瓦温 瓦 边界处为 因运行时间较短转轴温升较低温升取 转轴温度 轴 即边界处为 腔内润滑油或油气环境 即边界处为 .立式电机推力轴承锥套胀紧结构失稳原因的有限元分析设计与研究图 温度场设置.模拟计算计算结构在静止状态、离心状态和离心加温升状态下内外套接触锥面的过盈量计算数据如图 所示计算结构在静止状态、离心状态和离心加温升状态下螺栓伸缩量其中以离心加温升状态为例计算数据如图 所示静止状态:外套平均上移 内套平均下移 离心状态:外套平均上移 内套平均下移 离心加温升状态:外套平均上移 内套平均下移 依据上述计算结果统计接触锥面最大过盈量和螺栓收缩量并以静止状态作为基准计算各状态变化量结果如表 所示图 各状态锥面过盈量图 离心加温升状态轴向位移表 过盈量与收缩量统计表单位:名称静止状态离心状态离心加温升状态内外套接触锥面最大过盈量基准.与基准过盈量的差值.螺栓收缩量基准.与基准收缩量的差值.分析结果在不考虑温升仅考虑离心力的影响下与静止状态相较单个螺栓收缩 即螺栓预紧力降低 相对初始预紧力降低 结构锥面最大过盈量减小 相对静止时过盈量设计与研究上海大中型电机.降低 对结构稳定性影响不大在离心力与温升共同作用的影响下与静止状态相较单个螺栓收缩 即螺栓预紧力降低 相对初始预紧力降低 预紧力降低较小结构锥面最大过盈量减小 相对静止时过盈量降低 过盈量降低较大对结构稳定性影响较大综上所述电机在启动运行过程中随着转速的不断提高以及运行时间的延长其轴承部件的温升必然升高 对该结构电机而言温升会严重降低结构过盈量而对螺栓预紧力的影响却较小在两者共同作用下结构中的外套势必会被螺栓进一步拉向内套直至重新生成过盈量与预紧力两者的新平衡为止 此新平衡生成的过程就是内外套两者发生相对位移的过程而位移的变化将导致安装精度的变化进而出现电机试验振动增大的失稳现象 到此我们找到了结构存在失稳缺陷的机理对进一步解决失稳问题提供了重要的理论基础 结论明确了结构失稳的主要原因是来自电机运行时轴承系统的温升变化即结构温度升高会导致过盈量明显减小原本由过盈量提供抵抗螺栓拉应力的反力随之减小结构内力之间的平衡被打破解决方案一:减小温升 利用电机推力轴承转动部件在安装精度调整的过程中需要电机油站提供润滑油进行盘车检测的有利条件更改电机油站供油油温上限的系统设置使用油站本身油温进行加热的功能将油温由环境温度 加热到 并不间断循环供油即利用原本用在电机运行时降低轴承温度的润滑油反其道而行之用于结构加热提高结构安装时的温度值进而减小电机运行时产生的温升值 受限于油站的系统设置及油温加热装置的功率油站所能提供的循环油温无法突破 而电机高速运行时瓦温会高达 因此单靠油温加热的办法无法完全消除结构温升 存在失稳的影响还需要从结构内力失衡原理上找到解决办法解决方案二:提高过盈量 温升会导致内外锥套之间的过盈量减小从结构安全的角度考虑也需要重新计算过盈量在得到结构设计方确认后将胀紧螺栓紧固扭矩由原来设计值 增至螺栓最大许用扭矩 单个螺栓预紧力增至 内外锥套轴向位移较原扭矩值时增大 最大过盈量 新扭矩下过盈量与螺栓预紧力会达到一个新的平衡状态但在平衡状态下的结构内力依然不具有超稳定性受到温升影响依然存在内力失衡的情况因此还需要利用结构锥面的自锁功能在胀紧螺栓紧固至最大扭矩值后再将螺栓依次全部旋松并重新紧固至原 扭矩值相对平衡状态大幅降低螺栓预紧力为结构稳定性提供较大富余度通过采用上述两种解决办法相结合电机运行试验稳定推进变频增速全程未出现振动异常且各项振动参数大幅优于技术标准电机拆机检测安装精度无变化螺栓扭矩无降低证明失稳问题得到有效解决本刊声明为适应我国信息化建设的需要扩大作者学术交流渠道本刊已加入中国学术期刊(光盘版)中国期刊网全文数据库和万方数据 数字化期刊群中国核心期刊(遴选)数据库重庆维普资讯有限公司北京世纪超星信息技术发展有限责任公司许可其网站及其系列数据库产品中以数字化方式复制、汇编、发行、信息网络传播本刊全文其作者著作权使用费与本刊稿酬一次性给付 如作者不同意将文章编入上述数据库请来稿时声明本刊将做适当处理 编辑部.立式电机推力轴承锥套胀紧结构失稳原因的有限元分析设计与研究