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如何用用碟形彈簧對潛油電機的動態(tài)力學進行分析發(fā)布者：廈門力常彈簧有限公司 發(fā)布時間：2019-06-27 01:20
潛油電機是一種立式懸掛電機，為承受轉子的重力，使電機轉子在固定的位置工作，電機上部有一個止推軸承。止推軸承由動塊和靜塊兩部分組成，動塊為鋼件，經(jīng)表面淬火精磨，靜塊為錫磷青銅件。止推軸承對電機工作性能和使用壽命有著舉足輕重的影響，然而機組的振動尤其是電機中節(jié)和下節(jié)的振動比較劇烈，嚴重影響了動塊和靜塊之間油膜的形成。為了改善潛油電機特別是大功率潛油電機止推軸承的工況，在靜塊底部設計安裝了碟簧。采用有限元仿真計算其動力學特性，可以幫助設計者提高碟簧的性能。
1.計算模型的建立
碟簧是具有分布質(zhì)量和分布柔度的彈性體，在進行動力學分析的時候為了更加準確的計算其特性，將其看作彈性體而不是剛體來進行運功狀態(tài)和受力狀態(tài)研究。首先假設碟簧材料均由，機械性質(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)彈性體的動力學方程是偏微分方程，求解困難。為此將碟簧看成是由若干個基本單元在節(jié)點彼此相連接的組合體，從而使一個無限自由度的連續(xù)體問題變成一個有限自由度的離散系統(tǒng)問題。離散系統(tǒng)只有有限個自由度，描述其運動的動力學方程為常微分方程，求解較為容易。
碟簧屬于軸對稱體，其幾何尺寸及材料性質(zhì)沿旋轉方向沒有變化，軸對稱彈性體的分析是一個三維問題。如果外力是軸對稱分布，則其變形和應力也必然是軸對稱分布的，故可由任意一縱向剖面來代表，因此相當于一個二維情況。在有限元分析時，采用軸對稱平面單元，可以大大降低建模和分析的時間，降低對計算機性能的要求。地偶爾會的有限元計算模型如圖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計中結構或機器部件的振動特性。振動是結構的一種自然屬性，只要結構受到外力的干擾，它都會發(fā)生振動。振動現(xiàn)象存在著一些只與自身有關而與外界因素無關的特性，這就是結構的固有頻率和主振型。因為動能對應這慣性力，彈性勢能對應著彈性恢復力，同時忽略電機油對碟簧的粘滯力，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。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。
由牛頓運動定律可知碟簧的自由振動方程式為：
由特征方程可求得特征值和與之對應的特征向量，即，碟簧的固有頻率和與之對應的主振型。計算出的前4階振型和固有頻率如表1和圖4。
潛油電機的額定轉速是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塊在靜塊上的振動，保證流體動力潤滑的有效性，減少止推軸承磨損的概率，提高電機運轉的可靠性。
3.瞬態(tài)動力學分析
碟簧的瞬態(tài)動力學分析是指確定碟簧在一定載荷下隨著時間的位移和應力變化以及分布情況，兩級143型潛油電機單節(jié)的最大功率為200KW，轉子軸以及軸上零部件的總質(zhì)量最大值為300kg。
從圖5的應力云圖可以看出，碟簧的最大應力區(qū)域在頂部內(nèi)圓處。因為在實際情況下，止推軸承情況與碟簧的接觸會隨著載荷的增大，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應力達到564~674MPa，接近65Mn的φ735MPa，可見此區(qū)域會發(fā)生塑性變形。這就要求在加工碟簧的時候，頂部內(nèi)圓處要有一定的圓角過渡。即可避免局部應力過大，又可避免壓傷止推軸承靜塊。內(nèi)部應力最小，為1417MPa。其余大部分應力為345MPa，這與分析法計算值355MPa(機械設計手冊提供)基本吻合。
從圖7的位移云圖可以看出，在3000N載荷下，最大位移達到了11022mm，因為碟簧最大可以壓縮變形112mm，也就是說，最大額定功率的電機將在碟簧壓縮11022mm時，上下進行周期性機械運動。下表2列出在不同電機功率下碟簧的壓縮量。
4.結論
潛油電機具有細長的轉子系統(tǒng)，材質(zhì)不均與制造誤差會產(chǎn)生質(zhì)心偏移，動態(tài)下的彈性變了與擾動也會引起質(zhì)心偏移，轉子系統(tǒng)很有可能出現(xiàn)失穩(wěn)運動。安裝碟簧后有利于止推軸承穩(wěn)定運動，從而有利于潤滑油膜形成，避免止推軸承燒壞，提高了提高了電機運轉的可靠性。由于在工作狀態(tài)下碟簧會被壓縮，電機轉子系統(tǒng)軸向位置尺寸與安裝碟簧之前變化很小，不會發(fā)生與電機保護器的頂軸現(xiàn)象，離心泵產(chǎn)生的軸向力不會對電機產(chǎn)生影響。從計算和分析結果可以看出，設計的碟簧既減弱了電機轉子及軸總成的振動，又滿足了在承載狀態(tài)下強度及變形的要求。
以上就是廈門力常彈簧有限公司為大家介紹的相關內(nèi)容,如果需要購入碟形彈簧,歡迎聯(lián)系我們.電話: 13110927848, 15259256379，0592-5731967
1.計算模型的建立
碟簧是具有分布質(zhì)量和分布柔度的彈性體，在進行動力學分析的時候為了更加準確的計算其特性，將其看作彈性體而不是剛體來進行運功狀態(tài)和受力狀態(tài)研究。首先假設碟簧材料均由，機械性質(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)彈性體的動力學方程是偏微分方程，求解困難。為此將碟簧看成是由若干個基本單元在節(jié)點彼此相連接的組合體，從而使一個無限自由度的連續(xù)體問題變成一個有限自由度的離散系統(tǒng)問題。離散系統(tǒng)只有有限個自由度，描述其運動的動力學方程為常微分方程，求解較為容易。
碟簧屬于軸對稱體，其幾何尺寸及材料性質(zhì)沿旋轉方向沒有變化，軸對稱彈性體的分析是一個三維問題。如果外力是軸對稱分布，則其變形和應力也必然是軸對稱分布的，故可由任意一縱向剖面來代表，因此相當于一個二維情況。在有限元分析時，采用軸對稱平面單元，可以大大降低建模和分析的時間，降低對計算機性能的要求。地偶爾會的有限元計算模型如圖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計中結構或機器部件的振動特性。振動是結構的一種自然屬性，只要結構受到外力的干擾，它都會發(fā)生振動。振動現(xiàn)象存在著一些只與自身有關而與外界因素無關的特性，這就是結構的固有頻率和主振型。因為動能對應這慣性力，彈性勢能對應著彈性恢復力，同時忽略電機油對碟簧的粘滯力，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。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。
由牛頓運動定律可知碟簧的自由振動方程式為：
由特征方程可求得特征值和與之對應的特征向量，即，碟簧的固有頻率和與之對應的主振型。計算出的前4階振型和固有頻率如表1和圖4。
潛油電機的額定轉速是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塊在靜塊上的振動，保證流體動力潤滑的有效性，減少止推軸承磨損的概率，提高電機運轉的可靠性。
3.瞬態(tài)動力學分析
碟簧的瞬態(tài)動力學分析是指確定碟簧在一定載荷下隨著時間的位移和應力變化以及分布情況，兩級143型潛油電機單節(jié)的最大功率為200KW，轉子軸以及軸上零部件的總質(zhì)量最大值為300kg。
從圖5的應力云圖可以看出，碟簧的最大應力區(qū)域在頂部內(nèi)圓處。因為在實際情況下，止推軸承情況與碟簧的接觸會隨著載荷的增大，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應力達到564~674MPa，接近65Mn的φ735MPa，可見此區(qū)域會發(fā)生塑性變形。這就要求在加工碟簧的時候，頂部內(nèi)圓處要有一定的圓角過渡。即可避免局部應力過大，又可避免壓傷止推軸承靜塊。內(nèi)部應力最小，為1417MPa。其余大部分應力為345MPa，這與分析法計算值355MPa(機械設計手冊提供)基本吻合。
從圖7的位移云圖可以看出，在3000N載荷下，最大位移達到了11022mm，因為碟簧最大可以壓縮變形112mm，也就是說，最大額定功率的電機將在碟簧壓縮11022mm時，上下進行周期性機械運動。下表2列出在不同電機功率下碟簧的壓縮量。
4.結論
潛油電機具有細長的轉子系統(tǒng)，材質(zhì)不均與制造誤差會產(chǎn)生質(zhì)心偏移，動態(tài)下的彈性變了與擾動也會引起質(zhì)心偏移，轉子系統(tǒng)很有可能出現(xiàn)失穩(wěn)運動。安裝碟簧后有利于止推軸承穩(wěn)定運動，從而有利于潤滑油膜形成，避免止推軸承燒壞，提高了提高了電機運轉的可靠性。由于在工作狀態(tài)下碟簧會被壓縮，電機轉子系統(tǒng)軸向位置尺寸與安裝碟簧之前變化很小，不會發(fā)生與電機保護器的頂軸現(xiàn)象，離心泵產(chǎn)生的軸向力不會對電機產(chǎn)生影響。從計算和分析結果可以看出，設計的碟簧既減弱了電機轉子及軸總成的振動，又滿足了在承載狀態(tài)下強度及變形的要求。
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