本發(fā)明涉及動力、冶金、石化等大型旋轉(zhuǎn)機械的軸系安全狀態(tài)評估，尤其是涉及一種電機變頻運行時軸系安全性分析方法。

背景技術(shù)：

為了節(jié)能減排，電力、石化、冶金等行業(yè)風機和泵等大功率動力設(shè)備正在或計劃實施變頻改造，通過變轉(zhuǎn)速運行來滿足不同負荷工況調(diào)節(jié)需求，從而減小節(jié)流損失，提高能量轉(zhuǎn)換效率。

傳統(tǒng)定速運行的風機和泵，軸系強度大多能夠滿足設(shè)計需求，使用年限內(nèi)很少發(fā)生軸系損壞事故。這些設(shè)備實施變頻改造之后，卻經(jīng)常發(fā)生聯(lián)軸器損壞、轉(zhuǎn)軸裂紋、葉片斷裂等惡性故障，對設(shè)備安全運行產(chǎn)生很大影響。研究表明，這些故障大多與交流電機變頻運行模式下間諧波引發(fā)的劇烈扭轉(zhuǎn)振動或扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)有關(guān)，此時轉(zhuǎn)軸上會承受大幅脈動扭矩，脈動幅度遠超過平均扭矩值。為了提高變頻運行設(shè)備工作可靠性及在設(shè)備變頻改造前評估變頻改造風險和可行性，需要對變頻電機驅(qū)動軸系運行狀態(tài)、安全性及疲勞壽命等進行測試、分析和評估。

電機驅(qū)動軸系主要由傳動軸和聯(lián)軸器組成，聯(lián)軸器和傳動軸一起，共同傳遞扭矩。膜片式聯(lián)軸器可以通過膜片的彈性變形來補償驅(qū)動端和被驅(qū)動端之間的相對位移，允許所聯(lián)兩軸之間存在一定的軸向、角向和徑向安裝誤差，且有一定的緩沖和減振作用，在電機驅(qū)動風機或泵的軸系上得到廣泛應(yīng)用。傳動軸系疲勞壽命校核通常采用計算方法。膜片聯(lián)軸器受力分析時主要考慮：(1)轉(zhuǎn)矩在膜片聯(lián)軸器幅片中產(chǎn)生的拉壓力或剪力；(2)軸向位移時幅片中產(chǎn)生的剪力、拉力和彎矩；(3)旋轉(zhuǎn)時的徑向和切向力；(4)角偏斜時的彎矩等。計算時通常把前3項力所引起的應(yīng)力看作是靜態(tài)應(yīng)力，只是將角不對中情況下彎矩引起的應(yīng)力看作是交變應(yīng)力。傳動軸受力分析時，主要考慮電機輸出轉(zhuǎn)矩。對于不采用變頻電機驅(qū)動的軸系，工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩是穩(wěn)定的，上述模型適用。但是，變頻驅(qū)動的軸系在一定轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)運行時可能會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)共振或自激失穩(wěn)現(xiàn)象，此時，膜片和傳動軸所承受的轉(zhuǎn)矩會出現(xiàn)大幅脈動，而且脈動幅值有可能超過電機本身傳遞扭矩幅值，導致上述計算分析方法失效。因為轉(zhuǎn)軸上脈動扭矩的頻率和幅度等關(guān)鍵參數(shù)難以準確給出，因而難以準確評估扭矩脈動作用下軸系疲勞壽命。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種電機變頻運行時軸系安全性分析方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種電機變頻運行時軸系安全性分析方法，包括：

1)通過測試電機變頻運行時膜片聯(lián)軸器附近轉(zhuǎn)軸上的動態(tài)扭矩信號，將其分別作用到膜片聯(lián)軸器的膜片和轉(zhuǎn)軸上，得到轉(zhuǎn)軸上承受的扭應(yīng)力和膜片上承受的動態(tài)拉壓應(yīng)力；

2)根據(jù)轉(zhuǎn)軸和膜片聯(lián)軸器工作特點，分別采用名義應(yīng)力法計算分析轉(zhuǎn)軸高周載荷作用下的疲勞壽命，和采用局部應(yīng)力應(yīng)變法計算低周載荷作用下膜片疲勞壽命，以兩種計算壽命的較小值來評估軸系疲勞壽命。

這種方法可以準確分析電機變頻運行模式下轉(zhuǎn)軸和膜片聯(lián)軸器動態(tài)受力情況，根據(jù)2個部件的特點評估軸系疲勞壽命，方法簡便、可行，該方法可以同時考慮變頻驅(qū)動電機轉(zhuǎn)軸上穩(wěn)態(tài)和動態(tài)扭矩影響。

優(yōu)選的，該方法具體包括以下步驟：

(1)在膜片聯(lián)軸器附近轉(zhuǎn)軸上黏貼應(yīng)變片，測量膜片聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)軸所承受的動態(tài)扭矩信號t(t)；

(2)將所測得的動態(tài)扭矩信號t(t)作用到膜片聯(lián)軸器上，計算得到膜片上螺栓所承受的動態(tài)力信號f(t)；

(3)計算膜片組所承受的拉力信號f′(t)：

式中，θ為相鄰螺栓孔之間的夾角；

(4)計算膜片組上截面拉應(yīng)力信號σ(t)：

式中，a0為膜片最小截面處的截面積；

(5)對截面拉應(yīng)力信號σ(t)進行快速傅里葉(fft)變換，找出其中最大峰值所對應(yīng)的頻率f及其幅值σa，計算截面拉應(yīng)力信號平均值σm；

(6)根據(jù)局部應(yīng)力應(yīng)變法，計算膜片低周疲勞壽命；

(7)將所測扭矩作用到轉(zhuǎn)軸上，計算得到轉(zhuǎn)軸表面扭應(yīng)力；

式中，w為截面模量；

(8)采取5點3次平滑法，對轉(zhuǎn)軸表面扭應(yīng)力信號σs(t)作平滑處理，得到平滑后的應(yīng)力信號σs1(t)；

(9)剔除平滑后轉(zhuǎn)軸表面扭應(yīng)力信號中的無效點，即將信號中的等值點剔除，得到扭應(yīng)力信號σs2(t)；

(10)找出扭應(yīng)力信號σs2(t)中的峰值與谷值，將應(yīng)力信號σs2(t)的起點和尾點自動視為峰谷值點，得到由峰谷值點組成的信號σs3(t)；

(11)如果信號σs3(t)中峰谷值點總數(shù)為偶數(shù)，則剔除最尾部峰谷值點，保證信號σs3(t)中峰谷值點個數(shù)為奇數(shù)，得到信號σs4(t)；

(12)如果信號σs4(t)中首點為谷點，則將首點和尾點的值設(shè)為首點和尾點值中的較小值；如果首點為峰值點，則將首點和尾點的值設(shè)為首點和尾點值中的較大值，得到信號σs5(t)；

(13)找到信號σs5(t)中最大峰值點所在位置，將信號σs5(t)從該點處截斷，將后半段信號移到前半段信號的前段，得到重組后的峰谷值點信號σs6(t)；

(14)采用三點法進行雨流計數(shù)，記相鄰的三個點為x,y,z，如果滿足|z-y|≥|x-y|，記錄1次循環(huán)，其應(yīng)力幅值sa、平均值sm分別為：

重復該計數(shù)方法對剩余的數(shù)據(jù)進行處理，得到所有應(yīng)力循環(huán)的幅值、平均值；

(15)根據(jù)轉(zhuǎn)軸材料，得到材料應(yīng)力-壽命曲線，將應(yīng)力和壽命之間的關(guān)系表示為：

lgnp＝ap+bplgs

式中，ap,bp為系數(shù)，取決于材料特性，s為動態(tài)應(yīng)力，np為壽命，考慮疲勞缺口系數(shù)、尺寸影響系數(shù)、表面加工系數(shù)、分散系數(shù)對材料的應(yīng)力-壽命曲線進行修正，得到膜片部件的應(yīng)力-壽命曲線：

lgnp＝a'p+b'plgs

(16)對平均應(yīng)力的影響按goodman方法進行修正；

(17)計算δt時間段內(nèi)轉(zhuǎn)軸上發(fā)生的高周疲勞壽命損耗a：

(18)計算轉(zhuǎn)軸高周疲勞損壞所對應(yīng)的年：

(19)以轉(zhuǎn)軸高周疲勞壽命和膜片低周疲勞壽命的最小值作為軸系疲勞壽命y。

優(yōu)選的，所述的步驟(1)中的膜片聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)軸所承受的動態(tài)扭矩信號t(t)采用全橋法和無線信號發(fā)射/接收方法測量得到。

優(yōu)選的，所述的步驟(2)中的膜片聯(lián)軸器為六孔束腰型膜片聯(lián)軸器時，膜片聯(lián)軸器每個螺栓上所承受的沿著螺栓位置切線方向的力信號f(t)為：

式中，d為螺栓分布圓直徑，z為膜片層數(shù)。

優(yōu)選的，所述的步驟(6)中的局部應(yīng)力應(yīng)變法具體為：

局部應(yīng)力—應(yīng)變法認為零件和構(gòu)件的整體疲勞性能取決于最危險區(qū)域的局部應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)，采用r.w.蘭德格拉夫公式計算應(yīng)變循環(huán)所造成的損傷：

式中，y1為低周疲勞壽命，單位為年，k'為循環(huán)強度因子，n'為應(yīng)變硬化指數(shù)，ε'f為疲勞延性系數(shù)，σ'f為疲勞強度系數(shù)，b為疲勞強度指數(shù)，c為疲勞延性指數(shù)，f為應(yīng)力循環(huán)的頻率。

優(yōu)選的，所述的步驟(7)中的截面模量w計算如下：

d,d分別為傳動軸外徑和內(nèi)徑。

優(yōu)選的，所述的步驟(16)具體為：

式中，se為等效為對稱循環(huán)后下的應(yīng)力，su為材料強度極限。

優(yōu)選的，所述的步驟(17)中的高周疲勞壽命損耗a計算如下：

式中，np,i為第i次應(yīng)力循環(huán)所對應(yīng)的壽命次數(shù)。

優(yōu)選的，所述的步驟(18)中的高周疲勞壽命計算如下：

式中，δt為樣本信號時間長度，單位：s，y2為高周疲勞壽命，單位：年。

優(yōu)選的，所述的步驟(19)中的軸系疲勞壽命y具體計算如下：

y＝min(y1,y2)

其中y1為低周疲勞壽命，y2為高周疲勞壽命。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明提出了一種電機變頻運行時軸系疲勞壽命分析和評估方法，可以實現(xiàn)電機變頻運行時大幅脈動扭矩作用下軸系壽命評估；

(2)本發(fā)明所提出的膜片聯(lián)軸器壽命估計方法，利用實測扭矩和膜片模型求得膜片應(yīng)力，無需在膜片上布置應(yīng)變片，減小了測試困難；

(3)本發(fā)明提出根據(jù)轉(zhuǎn)軸和膜片聯(lián)軸器工作特點，分別采用名義應(yīng)力法和局部應(yīng)力—應(yīng)變法來評判轉(zhuǎn)軸和膜片疲勞壽命，同時考慮高周和低周疲勞損壞影響。

附圖說明

圖1為變頻電機驅(qū)動風機軸系模型示意圖；

圖2為束腰式六孔膜片聯(lián)軸器示例圖；

圖3為束腰式六孔膜片聯(lián)軸器力學分析模型圖；

圖4為轉(zhuǎn)軸應(yīng)力—壽命曲線(s-n曲線)圖；

圖5為本發(fā)明方法實施流程圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都應(yīng)屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明提出一種電機變頻運行時軸系安全性分析方法。本發(fā)明認為電機變頻運行在一定轉(zhuǎn)速區(qū)間時，轉(zhuǎn)軸上將可能承受大幅交變扭矩，該脈動扭矩對傳動軸和膜片的危害遠大于常規(guī)計算分析模型中穩(wěn)態(tài)力矩的影響，使得軸系壽命產(chǎn)生較大損耗。為此，本發(fā)明通過測試電機變頻運行時膜片聯(lián)軸器附近轉(zhuǎn)軸上的動態(tài)扭矩信號，將其分別作用到膜片聯(lián)軸器的膜片和轉(zhuǎn)軸上，得到轉(zhuǎn)軸上承受的扭應(yīng)力和膜片上承受的動態(tài)拉壓應(yīng)力。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)轉(zhuǎn)軸和膜片聯(lián)軸器工作特點，分別采用名義應(yīng)力法計算分析轉(zhuǎn)軸高周載荷作用下的疲勞壽命，采用局部應(yīng)力—應(yīng)變法計算低周載荷作用下膜片疲勞壽命，以2種計算壽命的較小值來評估軸系疲勞壽命。這種方法可以準確分析電機變頻運行模式下轉(zhuǎn)軸和膜片聯(lián)軸器動態(tài)受力情況，根據(jù)2個部件的特點評估軸系疲勞壽命，方法簡便、可行，該方法可以同時考慮變頻驅(qū)動電機轉(zhuǎn)軸上穩(wěn)態(tài)和動態(tài)扭矩影響。

本實施例是以某變頻運行電機驅(qū)動風機軸系為例，進行軸系疲勞壽命的測試、分析與評估，參照圖1～圖5。

(1)在膜片聯(lián)軸器附近轉(zhuǎn)軸上黏貼應(yīng)變片，如圖1所示，采用全橋法和無線信號發(fā)射/接受方法測量膜片聯(lián)軸器所承受的動態(tài)扭矩信號t(t)。為了提高信號分析精度和可靠性，信號采集時需要滿足：采樣頻率>10倍最高分析頻率，采樣時間>600s；

(2)將所測得的動態(tài)扭矩信號t(t)作用到膜片聯(lián)軸器上(如圖2和圖3所示)，計算得到膜片上螺栓所承受的動態(tài)力信號f(t)。以六孔束腰型膜片聯(lián)軸器(如圖2和圖3所示)為例，膜片聯(lián)軸器每個螺栓上所承受的沿著螺栓位置切線方向的力信號f(t)為：

式中，d為螺栓分布圓直徑，z為膜片層數(shù)。

(3)計算膜片組所承受的拉力信號f′(t)：

式中，θ為相鄰螺栓孔之間的夾角。

(4)計算膜片組上截面拉應(yīng)力信號σ(t)：

式中，a0為膜片最小截面處的截面積。

(5)對截面拉應(yīng)力信號σ(t)進行快速傅里葉(fft)變換，找出其中最大峰值所對應(yīng)的頻率f及其幅值σa，計算截面拉應(yīng)力信號平均值σm；

(6)根據(jù)局部應(yīng)力—應(yīng)變法，計算膜片低周疲勞壽命。局部應(yīng)力—應(yīng)變法認為零件和構(gòu)件的整體疲勞性能取決于最危險區(qū)域的局部應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)。本發(fā)明專利采用r.w.蘭德格拉夫公式計算應(yīng)變循環(huán)所造成的損傷：

式中，y1為低周疲勞壽命(單位：年)，k'為循環(huán)強度因子，n'為應(yīng)變硬化指數(shù)，ε'f為疲勞延性系數(shù)，σ'f為疲勞強度系數(shù)，b為疲勞強度指數(shù)，c為疲勞延性指數(shù)，f為應(yīng)力循環(huán)的頻率。

(7)將所測扭矩作用到轉(zhuǎn)軸上，計算得到轉(zhuǎn)軸表面扭應(yīng)力；

式中，w為截面模量，d,d分別為傳動軸外徑和內(nèi)徑。

(8)采取5點3次平滑法，對轉(zhuǎn)軸表面扭應(yīng)力信號σs(t)作平滑處理，得到平滑后的應(yīng)力信號σs1(t)；

(9)剔除平滑后轉(zhuǎn)軸表面扭應(yīng)力信號中的無效點，即將信號中的等值點剔除，得到扭應(yīng)力信號σs2(t)；

(10)找出扭應(yīng)力信號σs2(t)中的峰值與谷值，將應(yīng)力信號σs2(t)的起點和尾點自動視為峰谷值點，得到由峰谷值點組成的信號σs3(t)；

(11)如果信號σs3(t)中峰谷值點總數(shù)為偶數(shù)，則剔除最尾部峰谷值點，保證信號σs3(t)中峰谷值點個數(shù)為奇數(shù)，得到信號σs4(t)；

(12)如果信號σs4(t)中首點為谷點，則將首點和尾點的值設(shè)為首點和尾點值中的較小值；如果首點為峰值點，則將首點和尾點的值設(shè)為首點和尾點值中的較大值，得到信號σs5(t)；

(13)找到信號σs5(t)中最大峰值點所在位置，將信號σs5(t)從該點處截斷，將后半段信號移到前半段信號的前段，得到重組后的峰谷值點信號σs6(t)；

(14)采用三點法進行雨流計數(shù)。記相鄰的三個點為x,y,z，如果滿足|z-y|≥|x-y|，記錄1次循環(huán)，其應(yīng)力幅值sa、平均值sm分別為：

重復該計數(shù)方法對剩余的數(shù)據(jù)進行處理，得到所有應(yīng)力循環(huán)的幅值、平均值。

(15)根據(jù)轉(zhuǎn)軸材料，得到材料應(yīng)力—壽命曲線(s-n曲線)(如圖4)，將應(yīng)力和壽命之間的關(guān)系表示為：

lgnp＝ap+bplgs

式中，ap,bp為系數(shù)，取決于材料特性，s為動態(tài)應(yīng)力，np為壽命。考慮疲勞缺口系數(shù)、尺寸影響系數(shù)、表面加工系數(shù)、分散系數(shù)等對材料的s-n曲線進行修正，得到膜片部件的s-n曲線：

lgnp＝a'p+b'plgs

(16)對平均應(yīng)力的影響按goodman方法進行修正：

式中，se為等效為對稱循環(huán)后下的應(yīng)力，su為材料強度極限。

(17)計算δt時間段內(nèi)轉(zhuǎn)軸上發(fā)生的高周疲勞壽命損耗a：

式中，np,i為第i次應(yīng)力循環(huán)所對應(yīng)的壽命次數(shù)。

(18)計算轉(zhuǎn)軸高周疲勞損壞所對應(yīng)的年：

式中，δt為樣本信號時間長度(單位：s)，y2為高周疲勞壽命(單位：年)。

(19)以轉(zhuǎn)軸高周疲勞壽命和膜片低周疲勞壽命的最小值作為軸系疲勞壽命y：

y＝min(y1,y2)

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護范圍為準。