基于蠕動(dòng)泵的注排液式轉(zhuǎn)子自動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)研究

李 燕，王維民，黃立權(quán)，高金吉

(北京化工大學(xué) 診斷與自愈工程研究中心，北京 100029)

不平衡是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障的主要原因，這類故障嚴(yán)重影響了設(shè)備的生產(chǎn)效率和使用壽命。傳統(tǒng)的平衡方法是對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行離線平衡，這在一定程度上增加了維修開銷。轉(zhuǎn)子在線平衡系統(tǒng)不但能夠及時(shí)降低振動(dòng)，而且能夠在設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)過程中調(diào)整不平衡狀態(tài)，從而保持設(shè)備的良好運(yùn)轉(zhuǎn)過程。目前應(yīng)用的主要在線平衡系統(tǒng)分為兩類，一類是電磁式平衡系統(tǒng)［1－5］，另一類是注液式平衡系統(tǒng)［6－9］。注液式自動(dòng)平衡系統(tǒng)的原理是利用調(diào)整平衡盤上的多個(gè)腔內(nèi)的液體來補(bǔ)償轉(zhuǎn)子的不平衡，每一個(gè)腔體對(duì)應(yīng)不同的注液孔，注液孔通過電磁閥進(jìn)行控制。系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)子不平衡情況向不同腔內(nèi)注入不同質(zhì)量的液體，以改變平衡頭的重心位置，達(dá)到在線平衡。但是常規(guī)的平衡盤及傳統(tǒng)注液算法存在兩個(gè)缺點(diǎn)，一是常規(guī)注液式平衡盤在工作一段時(shí)間后由于液體無法排出會(huì)失去平衡能力。針對(duì)這一問題，高金吉、張鵬等［10］設(shè)計(jì)了連續(xù)注排式自動(dòng)平衡裝置。該平衡盤在各個(gè)腔室外沿設(shè)計(jì)有排液小孔，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，液體會(huì)由于離心力而被排出平衡盤。通過不受控的排液和可控的注液來控制腔內(nèi)的液體容量，從而避免了平衡盤容腔被注滿失去平衡能力的缺陷。二是傳統(tǒng)的注液算法常會(huì)出現(xiàn)首次注液振動(dòng)增大的情況，這種瞬時(shí)的振動(dòng)突增危險(xiǎn)性更大，本文的研究?jī)?nèi)容解決了這一問題。另外，傳統(tǒng)單注液式平衡系統(tǒng)采用的電磁閥在工作過程中開關(guān)頻繁，容易造成故障，使設(shè)備無法正常工作，為解決這一隱患，利用多臺(tái)蠕動(dòng)泵研制了流量控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

使用連續(xù)注排液式平衡盤，構(gòu)建轉(zhuǎn)子振動(dòng)在線實(shí)時(shí)自愈系統(tǒng)。利用矢量平衡法計(jì)算轉(zhuǎn)子的振動(dòng)和不平衡量的關(guān)系，從而能夠?qū)y(cè)得的振動(dòng)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子上的不平衡量，使注液系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的注液，避免了首次注液振動(dòng)會(huì)增大的情況。并且該系統(tǒng)具備單注液式和注排液式兩種工作模式，對(duì)于振動(dòng)變化比較劇烈的設(shè)備，可以選擇注排液式;對(duì)于振動(dòng)變化不大的設(shè)備，可以選擇單注液式的工作模式。

1 轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)特性及控制策略

以超重力機(jī)懸臂轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)裝置，研究轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)室用超重力機(jī)是一臺(tái)由于振動(dòng)問題無法正常進(jìn)行生產(chǎn)的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其物料盤直徑為450 mm，據(jù)用戶報(bào)告運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生1000 g左右的殘留物質(zhì)，因此最大可能產(chǎn)生225000 g·mm的不平衡量。超重力機(jī)轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速為1495 r/min，通過有限元方法計(jì)算其一階臨界轉(zhuǎn)速為3810 r/min，因此可以將此轉(zhuǎn)子看為剛性轉(zhuǎn)子。在此轉(zhuǎn)子上加上一定的配重后，會(huì)產(chǎn)生一定的不平衡響應(yīng)，對(duì)于轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的轉(zhuǎn)子來說，可以計(jì)算不平衡量和響應(yīng)之間對(duì)應(yīng)關(guān)系即影響系數(shù)k。方法如下:

圖1 超重力機(jī)轉(zhuǎn)子示意圖Fig.1 The diagram of the high-gravity machine

可計(jì)算 。得到影響系數(shù)k值后，系統(tǒng)就可以將實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)為不平衡量。

根據(jù)剛性轉(zhuǎn)子的平衡方法，只需知道轉(zhuǎn)子不平衡量的振幅和相位，即可通過質(zhì)量補(bǔ)償，消除振動(dòng)。則消除振動(dòng)所需要的配重為:

在得到轉(zhuǎn)子不平衡量之后，即可以通過注液將不平衡量消除。

圖2 不平衡量的消除計(jì)算示意圖Fig.2 The computational diagram of unbalance mass

因?yàn)閁g和α已知，因此可以求出B和C腔內(nèi)應(yīng)注入的液體量，當(dāng)落在其他位置時(shí)，也可以根據(jù)余弦定理求出。

將平衡盤緊靠在物料盤下方安裝，并使平衡盤C腔區(qū)域內(nèi)O點(diǎn)處與轉(zhuǎn)子軸的鍵相槽相對(duì)應(yīng)，O點(diǎn)是物理0°點(diǎn)，測(cè)得的相位也是以此點(diǎn)為基準(zhǔn)。

對(duì)于某一扇形夾角為θ，厚度為h的扇形空腔儲(chǔ)液室，其中液體可產(chǎn)生的質(zhì)量不平衡矢量U可通過積分算得，如圖3所示。對(duì)于半徑在r到r+dr范圍，角度在α到α+dα范圍內(nèi)(以扇形角θ平分線方向向外為0°)的一微元體積 M ，其重量為(rdα)drhρ，其不平衡量為［(rdα)drhρ］r，則對(duì)于為液面所處位置的半徑)范圍內(nèi)的儲(chǔ)液室可產(chǎn)生的總不平衡量可得:

從式(4)可以看到腔的平衡能力是由當(dāng)前液面r1決定的，設(shè)備運(yùn)行時(shí)，平衡盤腔內(nèi)的液面難以測(cè)量，而平衡盤的排液速度是一定的，因此可以通過控制進(jìn)液速度來得到式(3)計(jì)算所得的各腔的平衡質(zhì)量。

圖3 儲(chǔ)液室平衡能力的計(jì)算Fig.3 Correction capacity of a chamber

2 轉(zhuǎn)子振動(dòng)自愈系統(tǒng)

2.1 流量控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的注液式轉(zhuǎn)子振動(dòng)系統(tǒng)的注液部分多采用電磁閥或者閥組來實(shí)現(xiàn)流量控制，采用閥有兩個(gè)缺點(diǎn)，一是小流量控制時(shí)，由于加工精度等影響，流量控制不精確;另一缺點(diǎn)是電磁閥在平衡過程中開關(guān)比較頻繁，易發(fā)生故障，當(dāng)某一路電磁閥出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)將無法工作。因此考慮使用蠕動(dòng)泵組來實(shí)現(xiàn)流量精確控制，并采用故障代償?shù)姆椒ㄊ沽髁靠刂葡到y(tǒng)具備故障自愈能力。

圖4 蠕動(dòng)泵組流量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 The structure of liquid control system with peristaltic pump

圖4是針對(duì)三腔式平衡頭設(shè)計(jì)的蠕動(dòng)泵組流量控制系統(tǒng)，由三臺(tái)蠕動(dòng)泵組成，分別向平衡盤的三個(gè)腔內(nèi)注液，每相鄰兩路注液管用裝有電磁閥的管道連接，并且三路注液管中安裝有電磁閥和流量測(cè)量裝置。計(jì)算機(jī)通過串口對(duì)蠕動(dòng)泵進(jìn)行控制，通過數(shù)字量I/O卡控制電磁閥的開關(guān)狀態(tài)。在正常工作狀態(tài)下，兩臺(tái)蠕動(dòng)泵工作，一臺(tái)后備，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)判斷管道中的流量是否和應(yīng)該輸出的流量一致，如果誤差大于5%，則可判斷該路蠕動(dòng)泵出現(xiàn)故障;設(shè)圖4種1號(hào)，3號(hào)蠕動(dòng)泵正常工作，1號(hào)泵突然發(fā)生故障，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)驅(qū)動(dòng)2號(hào)泵工作，并同時(shí)打開2號(hào)泵和1號(hào)泵之間連通管道的電磁閥，關(guān)閉2號(hào)泵本身注液管道的電磁閥，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

2.2 振動(dòng)自愈系統(tǒng)

圖5是轉(zhuǎn)子振動(dòng)自愈系統(tǒng)框圖。其中UA、UB和UC為平衡盤3個(gè)腔體注液矢量，fa、fb和fc為注液量。由于超重力機(jī)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)變化比較劇烈，因此選用連續(xù)注排液的工作模式。圖6是流量控制系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)子及測(cè)量裝置和平衡盤的安裝圖。

圖5 超重力機(jī)振動(dòng)自愈系統(tǒng)框圖Fig.5 The structure of rotor vibration self-recovering system

3 振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)

(1)以物料盤轉(zhuǎn)軸鍵相槽所處位置為0°點(diǎn)，在135°，半徑220 mm的地方加配重62.5 g，振動(dòng)自愈調(diào)控結(jié)果如圖7中曲線1所示;

圖6 超重力機(jī)振動(dòng)自愈調(diào)控實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.6 The experiment high-gravity machine

圖7 轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅值控制曲線Fig.7 The vibration curve in control

(2)以物料盤轉(zhuǎn)軸鍵相槽所處位置為0°點(diǎn)，在22.5°，半徑 180 mm 的地方加配重 47.5 g，振動(dòng)自愈調(diào)控結(jié)果如圖7中曲線2所示;

(3)以物料盤轉(zhuǎn)軸鍵相槽所處位置為0°點(diǎn)，在物料盤上方安裝2個(gè)配重支架，2個(gè)配重螺絲通過棉線連接，棉線中間夾一段蚊香，點(diǎn)燃后啟動(dòng)設(shè)備，一段時(shí)間后棉線被燒斷，配重螺絲產(chǎn)生瞬時(shí)不平衡量，振動(dòng)自愈調(diào)控結(jié)果如圖7中曲線3所示。

從圖7中，使用連續(xù)注排式平衡盤的振動(dòng)自愈系統(tǒng)能在50 s內(nèi)將振動(dòng)減小10 μm左右，對(duì)于瞬時(shí)變化的振動(dòng)也能快速反應(yīng)，將振動(dòng)保持在比較小的范圍內(nèi)。長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)顯示，在平衡盤的平衡能力范圍內(nèi)，可以將振動(dòng)控制在10 μm以下。

4 結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，連續(xù)注排液自動(dòng)平衡裝置能解決常規(guī)注液平衡盤因腔被注滿而失去平衡能力的問題，有效延長(zhǎng)設(shè)備的生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率，減少維修成本，而且不會(huì)產(chǎn)生首次注液加大振動(dòng)的故障。

(2)通過在多角度加配重以模擬不同相位的振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究，表明該系統(tǒng)能夠?qū)Ω鱾€(gè)相位的不平衡量進(jìn)行快速消除，平衡效果明顯。

(3)該系統(tǒng)能夠?qū)λ矔r(shí)振動(dòng)變化快速響應(yīng)，從而快速有效地緩解或避免由于瞬時(shí)不平衡造成的危害，具有很好的工程實(shí)用價(jià)值。

(4)蠕動(dòng)泵組式流量控制系統(tǒng)具有流量控制精確、擴(kuò)容簡(jiǎn)單，可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)液體循環(huán)使用和故障自愈等優(yōu)點(diǎn)。

通過超重力機(jī)振動(dòng)自愈調(diào)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，證明了連續(xù)注排液式平衡盤能夠長(zhǎng)時(shí)間的保持平衡能力，有效減少轉(zhuǎn)子的振動(dòng)。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為進(jìn)一步提高其平衡效率和實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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