磁流變阻尼器控制雙跨轉(zhuǎn)子軸系振動研究

王锎，何立東，邢健，王晨陽，黃秀金

(北京化工大學(xué)化工安全教育部工程研究中心，北京 100029)

磁流變阻尼器控制雙跨轉(zhuǎn)子軸系振動研究

王锎，何立東，邢健，王晨陽，黃秀金

(北京化工大學(xué)化工安全教育部工程研究中心，北京 100029)

針對大型旋轉(zhuǎn)機械通過臨界轉(zhuǎn)速時振動過大問題，搭建雙跨轉(zhuǎn)子實驗臺，模擬試車過程。不改變轉(zhuǎn)子軸系原有支撐形式，在兩根軸上分別安裝一臺自主設(shè)計的磁流變阻尼器，實驗研究阻尼器對軸系各跨轉(zhuǎn)子振動影響規(guī)律。結(jié)果表明，阻尼器可有效抑制所在軸臨界轉(zhuǎn)速附近的振動，而對相鄰軸無影響。據(jù)實驗結(jié)果提出由開關(guān)控制雙跨轉(zhuǎn)子軸系通過兩階臨界轉(zhuǎn)速過程中的振動。結(jié)果表明，開關(guān)控制可在線抑制轉(zhuǎn)子軸系通過臨界轉(zhuǎn)速時振動，避免軸系因振動過大被迫停機。

磁流變阻尼器;阻尼減振;雙跨轉(zhuǎn)子軸系;開關(guān)控制

能源、石化等領(lǐng)域諸多大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備普遍采用多軸串聯(lián)運行形式，如低、高壓離心壓縮機串聯(lián)機組。各跨轉(zhuǎn)子雖經(jīng)嚴格動平衡后串聯(lián)組裝，但運轉(zhuǎn)時仍可能發(fā)生強烈振動［1］。因常采用現(xiàn)場動平衡消除軸系不平衡振動，需反復(fù)啟、停機，故經(jīng)濟損失嚴重［2］。

安裝附加阻尼器抑制軸系振動，尤其降低臨界轉(zhuǎn)速附近振動，使軸系安全通過臨界轉(zhuǎn)速達到工作轉(zhuǎn)速，為有效解決軸系不平衡振動問題方法。磁流變阻尼器作為智能裝置，對其在旋轉(zhuǎn)設(shè)備中的應(yīng)用進行過較多研究［3－4］。孟光等［5－8］利用磁流變液［9－10］的流變效應(yīng)制成阻尼器，調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻尼或剛度特性，建立阻尼器－單盤懸臂柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型，發(fā)現(xiàn)阻尼器可大幅增加系統(tǒng)剛度、降低原臨界轉(zhuǎn)速附近振動;數(shù)值模擬仿真［8］表明，磁流變阻尼器可使轉(zhuǎn)子安全通過前兩階臨界轉(zhuǎn)速。

本文搭建雙跨轉(zhuǎn)子軸系實驗臺，研究阻尼器對軸系各跨轉(zhuǎn)子振動影響規(guī)律，并在不停機情況下抑制雙跨轉(zhuǎn)子軸系通過兩階臨界轉(zhuǎn)速時的振動。

1 磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)與特性

磁流變阻尼器利用磁流變效應(yīng)。磁流變液在無磁場條件下呈低粘度牛頓流體特性，而在強磁場作用下，呈高粘度低流動性流體特性。圖1為磁流變阻尼器安裝示意圖。圖2為阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖。阻尼器由連接軸承、阻尼片、磁流變液、鐵芯及線圈組成。阻尼片上下交叉排列，分別與連接軸承及底板固定，阻尼片間有一定間隙，鐵芯與實驗臺固定。

圖1 磁流變阻尼器雙跨轉(zhuǎn)子軸系試驗臺示意圖Fig.1 Structure of damper andtwo－span rotors bench

選用Bingham模型［11－12］描述阻尼力與電流間關(guān)系。阻尼力Fm(I，t)為

式中:S為磁效面積;η為磁流變液粘度;I為電流;h為阻尼片間隙;τy為磁流變液屈服應(yīng)力。

磁流變阻尼器電流與磁場強度對應(yīng)關(guān)系見表1。

圖2 磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the damper

表1 電流與磁場強度對應(yīng)關(guān)系Tab.1 Correspondence between the current and the magnetic field strength

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 實驗臺參數(shù)

雙跨轉(zhuǎn)子軸系實驗臺包括驅(qū)動電機、兩個經(jīng)典Jeffcott轉(zhuǎn)子及兩個彈性聯(lián)軸器，見圖3。軸系基本參數(shù)見表2。選用螺紋式彈性聯(lián)軸器，其扭轉(zhuǎn)剛度近似取1 000 N·mm。阻尼器1安裝于轉(zhuǎn)盤1右側(cè)80 mm處，阻尼器2安裝于轉(zhuǎn)盤2右側(cè)60 mm處。所用磁流變液由羰基鐵粉(粒徑3～5 μm)、二甲基硅油(粘度500 cst)及活性劑按一定比例、工藝自制而成。

圖3 雙跨轉(zhuǎn)子實驗臺Fig.3 Two－span rotors bench

表2 雙跨轉(zhuǎn)子軸系基本參數(shù)Tab.2 The basic parameters of two-span rotors system

2.2 軸系振型計算與分析

據(jù)實驗臺基本參數(shù)，通過Dyrobes軟件建模計算軸系一、二階振型，見圖4。由圖4(a)看出，軸系一階臨界轉(zhuǎn)速為2 881 r/min時軸2振動顯著，軸1振動較小，因此要求阻尼減振裝置降低軸2的振動，而不對相鄰軸1振動產(chǎn)生負面影響。由圖4(b)看出，軸系二階臨界轉(zhuǎn)速為4 198 r/min時軸1振動顯著，軸2振動較小。因此要求阻尼減振裝置降低軸1振動，而不對相鄰軸2振動產(chǎn)生負面影響。因此，利用磁流變阻尼器的可調(diào)特性，通過分別控制兩個磁流變阻尼器抑制軸系兩跨轉(zhuǎn)子振動。

圖4 雙跨轉(zhuǎn)子軸系振型Fig.4 Vibration mode of two span rotors

2.3 阻尼器對雙跨轉(zhuǎn)子軸系振動影響規(guī)律研究

軸系由0 r/min升速到5 000 r/min，實驗獲得轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一階臨界轉(zhuǎn)速約為2 900 r/min，二階臨界轉(zhuǎn)速約為4 200 r/min，與計算結(jié)果基本相符。為驗證磁流變阻尼器抑制軸系振動方法，分別在軸1安裝阻尼器1，在軸2安裝阻尼器2，研究單個阻尼器對本跨轉(zhuǎn)子及相鄰跨轉(zhuǎn)子振動的影響規(guī)律。

2.3.1阻尼器2對軸系振動影響規(guī)律

由于軸系一階臨界轉(zhuǎn)速2 900 r/min附近軸2振動顯著，軸1振動較小，故只給阻尼器2通電，研究阻尼器2對軸2、軸1振動影響規(guī)律。阻尼器2工作時對軸2振動影響:阻尼器1不通電，阻尼器2分別通入0 A、0.6 A、1.0 A電流，對比軸2的振動數(shù)據(jù)，見圖5。由圖5看出，阻尼器2通入電流后，軸系原一階臨界轉(zhuǎn)速附近軸2振動減小，如通入電流1.0 A時，振動由163 μm降為115 μm，降幅30%。

阻尼器2工作時對軸1振動影響:阻尼器1不通電，阻尼器2分別通入0 A、0.6 A、1.0 A電流，對比三種情況下軸1振動數(shù)據(jù)，見圖6。由圖6看出，安裝在軸2的阻尼器2對軸1振動影響很小。

2.3.2阻尼器1工作對軸系振動的影響規(guī)律

由于軸系二階臨界轉(zhuǎn)速4 200 r/min附近軸1振動顯著，軸2振動較小，故僅阻尼器1通電，研究阻尼器1對軸1、軸2振動影響規(guī)律。

阻尼器1工作時對軸1振動影響:阻尼器2不通電，阻尼器1分別通入0 A、0.6 A、1.0 A電流，對比三種情況下軸1振動數(shù)據(jù)，見圖7。由圖7看出，阻尼器1通電后軸系原二階臨界轉(zhuǎn)速附近軸1振動明顯降低，如通入電流1.0 A時振動由525 μm降為220 μm，降幅57%。

阻尼器1工作時對軸2振動影響:阻尼器2不通電，阻尼器1分別通0 A、0.6 A、1.0 A電流，對比三種情況下軸2振動數(shù)據(jù)，見圖8。由圖8看出，安裝于軸1的阻尼器1對軸2振動影響較小。

實驗表明，磁流變阻尼器可在軸系一階臨界轉(zhuǎn)速附近降低軸2的振動、對軸1無影響;在二階臨界轉(zhuǎn)速附近降低軸1振動，對軸2無影響。阻尼器2工作時會增加軸2在轉(zhuǎn)速4 200 r/min后的振動(圖5)，故要求阻尼器2在4 200 r/min后斷電停止工作。而阻尼器1工作時會增加軸1在轉(zhuǎn)速4 800 r/min后的振動(圖7)，故要求阻尼器1在4 800 r/min后斷電停止工作。

圖5 僅阻尼器2工作時軸2振動數(shù)據(jù)Fig.5 Vibration data of shaft 2 with only damper 2 working

圖6 僅阻尼器2工作時軸1振動數(shù)據(jù)Fig.6 Vibration data of shaft 1 with only damper 2 working

圖7 僅阻尼器1工作時軸1振動數(shù)據(jù)Fig.7 Vibration data of shaft 1 with only damper 1 working

圖8 僅阻尼器1工作時軸2振動數(shù)據(jù)Fig.8 Vibration data of shaft 2 with only damper 1 working

圖9 軸2開關(guān)控制過程Fig.9 On－off control of shaft 2

圖10 軸1開關(guān)控制過程Fig.10 On－off control of shaft 1

2.4 雙跨轉(zhuǎn)子軸系振動控制方法研究

基于以上研究，確定阻尼器2工作區(qū)間為2 500～ 4 200 r/min，阻尼器1工作區(qū)間為3 400～4 800 r/min。通過Labview程序采集轉(zhuǎn)速信號進行轉(zhuǎn)速判別，控制兩阻尼器是否工作。

轉(zhuǎn)子從0 r/min逐漸升速，達到2 500 r/min時阻尼器2通入電流(1.0 A)，此時軸2振動幅值由116 μm降低到80 μm，見圖9;轉(zhuǎn)速達到3 400 r/min時阻尼器1通入電流(1.0A)，此時軸1振動幅值由325 μm降低到175 μm，見圖10;轉(zhuǎn)速達到4 200 r/min時阻尼器2電流斷開。轉(zhuǎn)速到達4 800 r/min時阻尼器1電流斷開。然后繼續(xù)升速到5 000 r/min到工作狀態(tài)。

由圖9看出，施加開關(guān)控制后，軸2振動最大峰值出現(xiàn)在3 000 r/min附近，原一階臨界轉(zhuǎn)速附近振動得到較好抑制，振幅減小32%。由圖10可見，施加開關(guān)控制后，軸1振動最大峰值出現(xiàn)在4 800 r/min附近，原二階臨界轉(zhuǎn)速附近振動得到較好抑制，振幅減小34%。因此，開關(guān)控制可在不停機情況下抑制雙跨轉(zhuǎn)子軸系通過兩階臨界轉(zhuǎn)速時的振動。

3 結(jié)論

實驗結(jié)果表明，據(jù)雙跨轉(zhuǎn)子軸系的運行參數(shù)(如轉(zhuǎn)速)，通過開關(guān)控制兩個磁流變阻尼器工作狀態(tài)可抑制雙跨轉(zhuǎn)子軸系通過兩階臨界轉(zhuǎn)速時的振動。

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Two-span rotors system's vibration control by magneto-rheological dampers

WANG Kai，HE Li－dong，XING Jian，WANG Chen－yang，HUANG Xiu－jin
(Engineering Research Center of Chemical Technology Safety Ministry of Education，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China)

In order to solve the problem that the vibration of rotating machinery is usually too large around the critical speed，a bench for two－span rotors system test was established to simulate the starting process.Without changing original supports of the rotors system，two self－designed magneto－rheological dampers were installed on each shaft. Different working conditions were set to study the influences of different mounting position and operating current of dampers.The results show that the damper can reduce the vibration of the shaft where the damper was installed near the critical speed.According to the test results，an on－off control method was proposed to control the two－span rotors＇vibration.The results show that the on－off control method can reduce the vibration when the rotors went through the critical speed of first and second orders without stopping the machine.

magneto－rheological damper;vibration damping;two－span rotors;on－off control

TH165+.3;TB535+.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.02.026

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2012CB026000);教育部博士點基金資助項目(20110010110009)

2013－11－08修改稿收到日期:2014－01－09

王锎男，碩士生，1991年生

何立東男，教授，博士生導(dǎo)師，1963年生

郵箱:he63@263.net