[发明专利]一种电机变频运行时轴系安全性分析方法

说明书

本发明涉及一种电机变频运行时轴系安全性分析方法，包括：1)通过测试电机变频运行时膜片联轴器附近转轴上的动态扭矩信号，将其分别作用到膜片联轴器的膜片和转轴上，得到转轴上承受的扭应力和膜片上承受的动态拉压应力；2)根据转轴和膜片联轴器工作特点，分别采用名义应力法计算分析转轴高周载荷作用下的疲劳寿命，和采用局部应力应变法计算低周载荷作用下膜片疲劳寿命，以两种计算寿命的较小值来评估轴系疲劳寿命。与现有技术相比，本发明具有方法简便、可行，同时考虑变频驱动电机转轴上稳态和动态扭矩影响等优点。

技术领域

本发明涉及动力、冶金、石化等大型旋转机械的轴系安全状态评估，尤其是涉及一种电机变频运行时轴系安全性分析方法。

背景技术

为了节能减排，电力、石化、冶金等行业风机和泵等大功率动力设备正在或计划实施变频改造，通过变转速运行来满足不同负荷工况调节需求，从而减小节流损失，提高能量转换效率。

传统定速运行的风机和泵，轴系强度大多能够满足设计需求，使用年限内很少发生轴系损坏事故。这些设备实施变频改造之后，却经常发生联轴器损坏、转轴裂纹、叶片断裂等恶性故障，对设备安全运行产生很大影响。研究表明，这些故障大多与交流电机变频运行模式下间谐波引发的剧烈扭转振动或扭转失稳有关，此时转轴上会承受大幅脉动扭矩，脉动幅度远超过平均扭矩值。为了提高变频运行设备工作可靠性及在设备变频改造前评估变频改造风险和可行性，需要对变频电机驱动轴系运行状态、安全性及疲劳寿命等进行测试、分析和评估。

电机驱动轴系主要由传动轴和联轴器组成，联轴器和传动轴一起，共同传递扭矩。膜片式联轴器可以通过膜片的弹性变形来补偿驱动端和被驱动端之间的相对位移，允许所联两轴之间存在一定的轴向、角向和径向安装误差，且有一定的缓冲和减振作用，在电机驱动风机或泵的轴系上得到广泛应用。传动轴系疲劳寿命校核通常采用计算方法。膜片联轴器受力分析时主要考虑：(1)转矩在膜片联轴器幅片中产生的拉压力或剪力；(2)轴向位移时幅片中产生的剪力、拉力和弯矩；(3)旋转时的径向和切向力；(4)角偏斜时的弯矩等。计算时通常把前3项力所引起的应力看作是静态应力，只是将角不对中情况下弯矩引起的应力看作是交变应力。传动轴受力分析时，主要考虑电机输出转矩。对于不采用变频电机驱动的轴系，工作状态下转矩是稳定的，上述模型适用。但是，变频驱动的轴系在一定转速区间内运行时可能会出现扭转共振或自激失稳现象，此时，膜片和传动轴所承受的转矩会出现大幅脉动，而且脉动幅值有可能超过电机本身传递扭矩幅值，导致上述计算分析方法失效。因为转轴上脉动扭矩的频率和幅度等关键参数难以准确给出，因而难以准确评估扭矩脉动作用下轴系疲劳寿命。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种电机变频运行时轴系安全性分析方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种电机变频运行时轴系安全性分析方法，包括：

1)通过测试电机变频运行时膜片联轴器附近转轴上的动态扭矩信号，将其分别作用到膜片联轴器的膜片和转轴上，得到转轴上承受的扭应力和膜片上承受的动态拉压应力；

2)根据转轴和膜片联轴器工作特点，分别采用名义应力法计算分析转轴高周载荷作用下的疲劳寿命，和采用局部应力应变法计算低周载荷作用下膜片疲劳寿命，以两种计算寿命的较小值来评估轴系疲劳寿命。

这种方法可以准确分析电机变频运行模式下转轴和膜片联轴器动态受力情况，根据2个部件的特点评估轴系疲劳寿命，方法简便、可行，该方法可以同时考虑变频驱动电机转轴上稳态和动态扭矩影响。

优选的，该方法具体包括以下步骤：

(1)在膜片联轴器附近转轴上黏贴应变片，测量膜片联轴器和转轴所承受的动态扭矩信号T(t)；

(2)将所测得的动态扭矩信号T(t)作用到膜片联轴器上，计算得到膜片上螺栓所承受的动态力信号F(t)；