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如何用用碟形彈簧對(duì)潛油電機(jī)的動(dòng)態(tài)力學(xué)進(jìn)行分析發(fā)布者：廈門力常彈簧有限公司 發(fā)布時(shí)間：2019-06-27 01:20
潛油電機(jī)是一種立式懸掛電機(jī)，為承受轉(zhuǎn)子的重力，使電機(jī)轉(zhuǎn)子在固定的位置工作，電機(jī)上部有一個(gè)止推軸承。止推軸承由動(dòng)塊和靜塊兩部分組成，動(dòng)塊為鋼件，經(jīng)表面淬火精磨，靜塊為錫磷青銅件。止推軸承對(duì)電機(jī)工作性能和使用壽命有著舉足輕重的影響，然而機(jī)組的振動(dòng)尤其是電機(jī)中節(jié)和下節(jié)的振動(dòng)比較劇烈，嚴(yán)重影響了動(dòng)塊和靜塊之間油膜的形成。為了改善潛油電機(jī)特別是大功率潛油電機(jī)止推軸承的工況，在靜塊底部設(shè)計(jì)安裝了碟簧。采用有限元仿真計(jì)算其動(dòng)力學(xué)特性，可以幫助設(shè)計(jì)者提高碟簧的性能。
1.計(jì)算模型的建立
碟簧是具有分布質(zhì)量和分布柔度的彈性體，在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的時(shí)候?yàn)榱烁訙?zhǔn)確的計(jì)算其特性，將其看作彈性體而不是剛體來進(jìn)行運(yùn)功狀態(tài)和受力狀態(tài)研究。首先假設(shè)碟簧材料均由，機(jī)械性質(zhì)均一切各向同性，碟簧的各物理參數(shù)，例如質(zhì)量和剛度都具有連續(xù)分布的性質(zhì)。描述連續(xù)彈性體的動(dòng)力學(xué)方程是偏微分方程，求解困難。為此將碟簧看成是由若干個(gè)基本單元在節(jié)點(diǎn)彼此相連接的組合體，從而使一個(gè)無限自由度的連續(xù)體問題變成一個(gè)有限自由度的離散系統(tǒng)問題。離散系統(tǒng)只有有限個(gè)自由度，描述其運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程為常微分方程，求解較為容易。
碟簧屬于軸對(duì)稱體，其幾何尺寸及材料性質(zhì)沿旋轉(zhuǎn)方向沒有變化，軸對(duì)稱彈性體的分析是一個(gè)三維問題。如果外力是軸對(duì)稱分布，則其變形和應(yīng)力也必然是軸對(duì)稱分布的，故可由任意一縱向剖面來代表，因此相當(dāng)于一個(gè)二維情況。在有限元分析時(shí)，采用軸對(duì)稱平面單元，可以大大降低建模和分析的時(shí)間，降低對(duì)計(jì)算機(jī)性能的要求。地偶爾會(huì)的有限元計(jì)算模型如圖1和圖2所示。
2.模態(tài)分析
模態(tài)分析一般是用于確定設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性。振動(dòng)是結(jié)構(gòu)的一種自然屬性，只要結(jié)構(gòu)受到外力的干擾，它都會(huì)發(fā)生振動(dòng)。振動(dòng)現(xiàn)象存在著一些只與自身有關(guān)而與外界因素?zé)o關(guān)的特性，這就是結(jié)構(gòu)的固有頻率和主振型。因?yàn)閯?dòng)能對(duì)應(yīng)這慣性力，彈性勢(shì)能對(duì)應(yīng)著彈性恢復(fù)力，同時(shí)忽略電機(jī)油對(duì)碟簧的粘滯力，所以碟簧的固有頻率和主振型只與其彈性模量、幾何形狀、邊界條件及質(zhì)量分布有關(guān)。碟簧的材料選用65Mn，彈性模量已知，其外形幾何尺寸如圖3所示。由于模態(tài)分析中唯一有效的載荷是零位移約束，對(duì)碟簧底部外圓施加Y方向的零位移約束，就確定了其邊界條件。
由牛頓運(yùn)動(dòng)定律可知碟簧的自由振動(dòng)方程式為：
由特征方程可求得特征值和與之對(duì)應(yīng)的特征向量，即，碟簧的固有頻率和與之對(duì)應(yīng)的主振型。計(jì)算出的前4階振型和固有頻率如表1和圖4。
潛油電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速是2850r/min，激擾頻率29813rad/s。該頻率與碟簧的主振型的頻率2537Hz相差較大，有利于減弱止推軸承動(dòng)塊在靜塊上的振動(dòng)，保證流體動(dòng)力潤(rùn)滑的有效性，減少止推軸承磨損的概率，提高電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。
3.瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析
碟簧的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析是指確定碟簧在一定載荷下隨著時(shí)間的位移和應(yīng)力變化以及分布情況，兩級(jí)143型潛油電機(jī)單節(jié)的最大功率為200KW，轉(zhuǎn)子軸以及軸上零部件的總質(zhì)量最大值為300kg。
從圖5的應(yīng)力云圖可以看出，碟簧的最大應(yīng)力區(qū)域在頂部?jī)?nèi)圓處。因?yàn)樵趯?shí)際情況下，止推軸承情況與碟簧的接觸會(huì)隨著載荷的增大，逐步由線接觸變成面接觸，不考慮施加載荷的影響(載荷為線接觸載荷)，mises應(yīng)力達(dá)到564~674MPa，接近65Mn的φ735MPa，可見此區(qū)域會(huì)發(fā)生塑性變形。這就要求在加工碟簧的時(shí)候，頂部?jī)?nèi)圓處要有一定的圓角過渡。即可避免局部應(yīng)力過大，又可避免壓傷止推軸承靜塊。內(nèi)部應(yīng)力最小，為1417MPa。其余大部分應(yīng)力為345MPa，這與分析法計(jì)算值355MPa(機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)提供)基本吻合。
從圖7的位移云圖可以看出，在3000N載荷下，最大位移達(dá)到了11022mm，因?yàn)榈勺畲罂梢詨嚎s變形112mm，也就是說，最大額定功率的電機(jī)將在碟簧壓縮11022mm時(shí)，上下進(jìn)行周期性機(jī)械運(yùn)動(dòng)。下表2列出在不同電機(jī)功率下碟簧的壓縮量。
4.結(jié)論
潛油電機(jī)具有細(xì)長(zhǎng)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，材質(zhì)不均與制造誤差會(huì)產(chǎn)生質(zhì)心偏移，動(dòng)態(tài)下的彈性變了與擾動(dòng)也會(huì)引起質(zhì)心偏移，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)很有可能出現(xiàn)失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。安裝碟簧后有利于止推軸承穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，從而有利于潤(rùn)滑油膜形成，避免止推軸承燒壞，提高了提高了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。由于在工作狀態(tài)下碟簧會(huì)被壓縮，電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸向位置尺寸與安裝碟簧之前變化很小，不會(huì)發(fā)生與電機(jī)保護(hù)器的頂軸現(xiàn)象，離心泵產(chǎn)生的軸向力不會(huì)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生影響。從計(jì)算和分析結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的碟簧既減弱了電機(jī)轉(zhuǎn)子及軸總成的振動(dòng)，又滿足了在承載狀態(tài)下強(qiáng)度及變形的要求。
以上就是廈門力常彈簧有限公司為大家介紹的相關(guān)內(nèi)容,如果需要購(gòu)入碟形彈簧,歡迎聯(lián)系我們.電話: 13110927848, 15259256379，0592-5731967
1.計(jì)算模型的建立
碟簧是具有分布質(zhì)量和分布柔度的彈性體，在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的時(shí)候?yàn)榱烁訙?zhǔn)確的計(jì)算其特性，將其看作彈性體而不是剛體來進(jìn)行運(yùn)功狀態(tài)和受力狀態(tài)研究。首先假設(shè)碟簧材料均由，機(jī)械性質(zhì)均一切各向同性，碟簧的各物理參數(shù)，例如質(zhì)量和剛度都具有連續(xù)分布的性質(zhì)。描述連續(xù)彈性體的動(dòng)力學(xué)方程是偏微分方程，求解困難。為此將碟簧看成是由若干個(gè)基本單元在節(jié)點(diǎn)彼此相連接的組合體，從而使一個(gè)無限自由度的連續(xù)體問題變成一個(gè)有限自由度的離散系統(tǒng)問題。離散系統(tǒng)只有有限個(gè)自由度，描述其運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程為常微分方程，求解較為容易。
碟簧屬于軸對(duì)稱體，其幾何尺寸及材料性質(zhì)沿旋轉(zhuǎn)方向沒有變化，軸對(duì)稱彈性體的分析是一個(gè)三維問題。如果外力是軸對(duì)稱分布，則其變形和應(yīng)力也必然是軸對(duì)稱分布的，故可由任意一縱向剖面來代表，因此相當(dāng)于一個(gè)二維情況。在有限元分析時(shí)，采用軸對(duì)稱平面單元，可以大大降低建模和分析的時(shí)間，降低對(duì)計(jì)算機(jī)性能的要求。地偶爾會(huì)的有限元計(jì)算模型如圖1和圖2所示。
2.模態(tài)分析
模態(tài)分析一般是用于確定設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性。振動(dòng)是結(jié)構(gòu)的一種自然屬性，只要結(jié)構(gòu)受到外力的干擾，它都會(huì)發(fā)生振動(dòng)。振動(dòng)現(xiàn)象存在著一些只與自身有關(guān)而與外界因素?zé)o關(guān)的特性，這就是結(jié)構(gòu)的固有頻率和主振型。因?yàn)閯?dòng)能對(duì)應(yīng)這慣性力，彈性勢(shì)能對(duì)應(yīng)著彈性恢復(fù)力，同時(shí)忽略電機(jī)油對(duì)碟簧的粘滯力，所以碟簧的固有頻率和主振型只與其彈性模量、幾何形狀、邊界條件及質(zhì)量分布有關(guān)。碟簧的材料選用65Mn，彈性模量已知，其外形幾何尺寸如圖3所示。由于模態(tài)分析中唯一有效的載荷是零位移約束，對(duì)碟簧底部外圓施加Y方向的零位移約束，就確定了其邊界條件。
由牛頓運(yùn)動(dòng)定律可知碟簧的自由振動(dòng)方程式為：
由特征方程可求得特征值和與之對(duì)應(yīng)的特征向量，即，碟簧的固有頻率和與之對(duì)應(yīng)的主振型。計(jì)算出的前4階振型和固有頻率如表1和圖4。
潛油電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速是2850r/min，激擾頻率29813rad/s。該頻率與碟簧的主振型的頻率2537Hz相差較大，有利于減弱止推軸承動(dòng)塊在靜塊上的振動(dòng)，保證流體動(dòng)力潤(rùn)滑的有效性，減少止推軸承磨損的概率，提高電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。
3.瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析
碟簧的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析是指確定碟簧在一定載荷下隨著時(shí)間的位移和應(yīng)力變化以及分布情況，兩級(jí)143型潛油電機(jī)單節(jié)的最大功率為200KW，轉(zhuǎn)子軸以及軸上零部件的總質(zhì)量最大值為300kg。
從圖5的應(yīng)力云圖可以看出，碟簧的最大應(yīng)力區(qū)域在頂部?jī)?nèi)圓處。因?yàn)樵趯?shí)際情況下，止推軸承情況與碟簧的接觸會(huì)隨著載荷的增大，逐步由線接觸變成面接觸，不考慮施加載荷的影響(載荷為線接觸載荷)，mises應(yīng)力達(dá)到564~674MPa，接近65Mn的φ735MPa，可見此區(qū)域會(huì)發(fā)生塑性變形。這就要求在加工碟簧的時(shí)候，頂部?jī)?nèi)圓處要有一定的圓角過渡。即可避免局部應(yīng)力過大，又可避免壓傷止推軸承靜塊。內(nèi)部應(yīng)力最小，為1417MPa。其余大部分應(yīng)力為345MPa，這與分析法計(jì)算值355MPa(機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)提供)基本吻合。
從圖7的位移云圖可以看出，在3000N載荷下，最大位移達(dá)到了11022mm，因?yàn)榈勺畲罂梢詨嚎s變形112mm，也就是說，最大額定功率的電機(jī)將在碟簧壓縮11022mm時(shí)，上下進(jìn)行周期性機(jī)械運(yùn)動(dòng)。下表2列出在不同電機(jī)功率下碟簧的壓縮量。
4.結(jié)論
潛油電機(jī)具有細(xì)長(zhǎng)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，材質(zhì)不均與制造誤差會(huì)產(chǎn)生質(zhì)心偏移，動(dòng)態(tài)下的彈性變了與擾動(dòng)也會(huì)引起質(zhì)心偏移，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)很有可能出現(xiàn)失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。安裝碟簧后有利于止推軸承穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，從而有利于潤(rùn)滑油膜形成，避免止推軸承燒壞，提高了提高了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。由于在工作狀態(tài)下碟簧會(huì)被壓縮，電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸向位置尺寸與安裝碟簧之前變化很小，不會(huì)發(fā)生與電機(jī)保護(hù)器的頂軸現(xiàn)象，離心泵產(chǎn)生的軸向力不會(huì)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生影響。從計(jì)算和分析結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的碟簧既減弱了電機(jī)轉(zhuǎn)子及軸總成的振動(dòng)，又滿足了在承載狀態(tài)下強(qiáng)度及變形的要求。
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