变频电机驱动的齿轮轴系的弯扭耦合分析

摘要

进入新世纪以来，国家对于节能环保越来越重视，高耗能企业对能源的使用效率也得到了越来越多人的关注。随着各行业大量的电机驱动机组使用变频技术改造，在很大程度上促进了企业的节能减排、降低成本。然而，避免扭振问题导致的主轴或联轴器失效，是变频电机推广的和使用的核心问题。本文针对变频电机驱动轴系的扭振从机电耦合和弯扭耦合两方面，主要进行了以下研究:
　　(1)在MATLAB环境下开发了转子动力学计算软件Comdyn_rotor，使用有限元法建立了转子系统的有限元模型，可用于弯曲、扭转和弯扭耦合轴系计算。并通过和Dyrobes对比验证了计算的准确性。
　　(2)以一个实际电机轴系为例建立了有限元齿轮轴系耦合模型，分析了各轴单独的固有频率和不平衡响应。在这基础上计算了扭转耦合轴系的固有频率和不平衡响应，说出现了耦合新增振动峰值。计算了弯扭耦合轴系的固有频率和不平衡响应，结果表明不计算耦合和只计算扭转耦合都是不准确的，扭振频率和响应会被弯扭耦合影响发生偏移，因而在计算轴系扭振时应考虑弯扭耦合影响。
　　(3)在MATLAB环境下开发了扭振启车和变频激励计算模块，并使用模态缩减法来降低计算的复杂度。验证了扭振启车计算的准确性。对齿轮耦合轴系的同步电机激励和变频电机激励进行分析，结果表明启动时在经过某些转速时会激发扭振，其共振频率与Cambell图中扭振频率相吻合。在变频谐波的激励下，轴系在低转速范围内也发生了扭振现象，说明需要单独对变频驱动进行计算分析。最后计算了轴系的疲劳，该轴系联轴器处的应力低于低周疲劳极限，不会发生疲劳破坏现象。
　　(4)使用状态空间方程对轴系进行转化，并验证了结果的准确性。对齿轮耦合模型进行了机电耦合分析，发现该转子在阻尼较小时，在额定转速1800rpm发生了扭转共振，原因是电机激发的谐波扭矩与二阶固有频率很接近。接下来分析了电机转速测量位置和阻尼对轴系振动的影响。不同测量位置对振动的敏感度不同，改变测量位置可以减轻扭转共振现象。此外，通过增加轴系的整体阻尼，也可以抑制谐波激励产生的扭转共振。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题来源及研究背景

1．1．1 课题来源

1．1．2 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 变频轴系扭振研究现状

1．2．2 齿轮轴系研究现状

1．2．3 机电耦合研究现状

1．3 本文的主要研究内容

第二章 转子有限元模型的建立与分析

2．1 概述

2．2 转子有限元模型理论

2．3 转子轴系各组成单元

2．3．1 轴单元

2．3．2 集中质量单元

2．3．3 轴承单元

2．3．4 联轴器单元

2．4 动力学微分方程的建立

2．4．1 模态分析

2．4．2 瞬态分析

2．5 开发计算软件及模型验证

2．5．1 开发计算软件简介

2．5．2 计算模型

2．5．3 临界转速分析

2．5．4 启动过程瞬态分析

2．6 本章小结

第三章 齿轮轴系的计算和分析

3．1 概述

3．2 齿轮啮合单元

3．3 齿轮轴系的动力学方程

3．4 齿轮耦合轴系验证分析

3．5 电机齿轮轴系有限元模型

3．5．1 轴系有限元模型

3．5．2 联轴器参数

3．5．3 轴承参数

3．5．4 齿轮箱参数

3．6 未耦合轴系动力学分析

3．6．1 各转子模态分析

3．6．2 未耦合轴系弯曲不平衡响应分析

3．5．3 未耦合轴系扭转不平衡响应分析

3．6 耦合轴系动力学分析

3．6．1 扭转耦合分析

3．6．2 弯扭耦合分析

3．7 本章小结

第四章 变频驱动轴系扭振的计算和分析

4．1 概述

4．2．1 模态缩减法

4．2．2 同步电机激励

4．2．3 变频电机激励

4．2．4 扭振计算模型验证

4．3 电机激励分析

4．3．1 同步电机启动激励

4．3．2 变频电机脉动激励

4．4 轴系疲劳分析

4．5 本章小结

第五章 机电耦合轴系分析

5．1 概述

5．2 电气模型

5．2．1 电机模型

5．2．2 变频调速和矢置控制

5．2．2 谐波激励的产生原因

5．3 机械模型

5．3．1 状态空间方程

5．3．2 模型的建立与验证

5．4 机电耦合轴系模型

5．4．1 轴系模型的建立

5．4．2 轴系扭振激励分析

5．4．3 测量速度位置对共振影响分析

5．4．4 阻尼对共振影响分析

5．5 机电耦合试验台介绍

5．6 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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