固體、粉體激振力對離心機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的影響

常 穎 李 聰 于洪偉 劉英莉

（軍事科學(xué)院防化研究院）

旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備轉(zhuǎn)子不平衡是轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)常見的故障問題［1］。 由于加工精度或者機(jī)械設(shè)備運(yùn)行磨損致使軸系產(chǎn)生不平衡質(zhì)量，破壞了軸系結(jié)構(gòu)的平衡精度，導(dǎo)致振動(dòng)特性發(fā)生巨變，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致軸系失穩(wěn)。 對于剛性轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)行為且工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于一階臨界轉(zhuǎn)速的工況，軸系不平衡激振力對軸系彎曲穩(wěn)定性影響較小，其平衡研究主要是分析軸承支承位置的力和力矩的平衡問題［2～6］。軸系不平衡量引起的激振力作用行為致使軸系結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)具有典型特征，該載荷激勵(lì)與其他諧波激振原因不同，它具有與轉(zhuǎn)速激勵(lì)頻率相同的頻率成分特征，并且不平衡動(dòng)載荷激振力與轉(zhuǎn)速平方成正比。 但在旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備中由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布或者支承結(jié)構(gòu)特性不同，軸承等結(jié)構(gòu)支承所受動(dòng)載荷也存在著不對稱性，導(dǎo)致系統(tǒng)存在失穩(wěn)因素［7～9］。離心機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡技術(shù)的目的在于減小或消除轉(zhuǎn)子工頻諧波激振產(chǎn)生的軸系撓曲變形，同時(shí)降低軸承支承結(jié)構(gòu)上的不平衡作用力和力矩，提高轉(zhuǎn)子運(yùn)行工作過程中的系統(tǒng)穩(wěn)定性［10，11］。

1 離心機(jī)軸系動(dòng)平衡作用機(jī)理

本項(xiàng)目中離心機(jī)利用離心原理對小筒內(nèi)粉體進(jìn)行壓縮，提高表觀密度和裝量。 離心機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子主軸、轉(zhuǎn)盤、吊杯、小筒和筒內(nèi)粉體。 由于小筒和筒內(nèi)粉體屬于隨機(jī)匹配，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在動(dòng)不平衡［12］。 另外，轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)子在裝配中采用插接過盈配合，離心機(jī)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)幅值過大會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)盤從轉(zhuǎn)子端部跳出脫離的故障發(fā)生，造成安全事故。

軸系動(dòng)平衡參數(shù)識別主要是指轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的不平衡量（離心力和離心力偶）的位置和大小并加以消除。 不平衡量會(huì)引起轉(zhuǎn)子的橫向振動(dòng)，并使轉(zhuǎn)子受到不必要的動(dòng)載荷，該參數(shù)不利于轉(zhuǎn)子正常運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重影響了軸系的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性［13，14］。

離心機(jī)由于結(jié)構(gòu)比較特殊，而且裝入粉體時(shí)產(chǎn)生的不均勻性等因素會(huì)使軸系動(dòng)平衡品質(zhì)發(fā)生改變，從而影響軸系的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。 軸系中所有造成不平衡量的因素都屬于隨機(jī)性質(zhì)。 因此，通過重力試驗(yàn)（靜平衡）和旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)（動(dòng)平衡）來測定和校正，使之降低到允許的程度。 假定不平衡質(zhì)量G存在于軸系離心半徑為r、圓周相對參考角度為α的位置，則所產(chǎn)生的離心力Fb為［13］：

式中 Ω——轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s。

通常為了分析方便，定義不平衡量為G和r的乘積，即：

則離心力Fb為：

可見，離心力Fb與不平衡量|U|存在著線性關(guān)系。

不平衡量是矢量，工程實(shí)際中通常表示為：

旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備動(dòng)平衡分為剛性動(dòng)平衡和柔性動(dòng)平衡。 剛性動(dòng)平衡即轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中沒有明顯的彎曲變形行為，其動(dòng)平衡模型受力分析如圖1所示。

圖1 剛性動(dòng)平衡模型受力示意圖

轉(zhuǎn)子質(zhì)量為M， 軸系不平衡量偏心距為ε，則軸系旋轉(zhuǎn)中離心力Fb為：

分析軸承的承載力可知，軸承支反力為：

根據(jù)牛頓第一定律可知：

即：

分析剛性轉(zhuǎn)子平衡技術(shù)可知，動(dòng)不平衡主要是中心主慣性軸與轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)軸線既不相交也不平行的不平衡狀態(tài)。 從不平衡量作用效果上可以簡化為一個(gè)靜不平衡量和一個(gè)力偶不平衡量共同作用的結(jié)果［15，16］。

為了排除轉(zhuǎn)子質(zhì)量的影響，工程實(shí)際中使用不平衡量除以轉(zhuǎn)子質(zhì)量表示軸系不平衡量偏心距，即：

式中 U——不平衡量，g·mm。

軸系中旋轉(zhuǎn)部件不平衡量分布函數(shù)如下：

采用矢量表達(dá)形式，則軸系平衡方程為：

式中 W——力偶不平衡量。

由式（12）、（13）可知，只有當(dāng)n=2時(shí)，方程才有唯一解，即剛性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡時(shí)僅有兩個(gè)校正面進(jìn)行動(dòng)平衡測試標(biāo)定即可。

2 軸系動(dòng)平衡試驗(yàn)前期準(zhǔn)備

離心機(jī)電機(jī)采用精密伺服電機(jī)， 定位精度在±0.1°范圍內(nèi)， 確保每次停車后能回到原來位置。通過設(shè)置控制面板參數(shù)，在0～900r/min范圍內(nèi)采集轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)特性。 筆者研究的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)經(jīng)測試屬于剛性轉(zhuǎn)子，因此僅考慮剛性動(dòng)平衡參數(shù)的影響。

2.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器主要包括［12］：

a. DASP智能信號采集處理分析系統(tǒng)、 振動(dòng)測試傳感器等；

b. 一套INV3018C型8通道24位高精度采集分析儀，用于完成大容量數(shù)據(jù)示波采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；

c. DASP-V10旋轉(zhuǎn)機(jī)械測試分析、 模態(tài)測試等功能軟件模塊，用于離心機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，高效準(zhǔn)確地完成軸心軌跡、時(shí)域、頻域、傳遞函數(shù)、模態(tài)參數(shù)分析及其他多種功能；

d. INV9821ICP型加速度傳感器1只， 測量動(dòng)態(tài)范圍0～100g，測量頻帶范圍0.5～5 000Hz；

e. 電渦流位移傳感器4只， 測量動(dòng)態(tài)范圍4mm，測量頻帶范圍0～4 000Hz，測試基準(zhǔn)向、水平x、y向和垂直z向的振動(dòng)位移。

2.2 軸系調(diào)試分析

考慮到軸系運(yùn)動(dòng)行為特點(diǎn)，對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行了合理性分析：轉(zhuǎn)子作為軸系的主要激勵(lì)源，其運(yùn)動(dòng)行為和動(dòng)態(tài)特性對軸系影響較大，并且軸承座位置是主要關(guān)鍵支撐位置，因此在軸承座上設(shè)置x、y、z3向振動(dòng)位移量監(jiān)測。

離心機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)及其傳感器測試布置如圖2所示。

圖2 離心機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

對軸系進(jìn)行動(dòng)平衡測試，采用動(dòng)平衡軟件模塊進(jìn)行試驗(yàn)。 首先拆除吊杯和小筒，只進(jìn)行轉(zhuǎn)盤動(dòng)平衡。 啟動(dòng)離心機(jī)，通過采集轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位移振動(dòng)響應(yīng)，建立軸系影響系數(shù)，經(jīng)過配置計(jì)算和配置分解，最終軸系經(jīng)過動(dòng)平衡測試，振動(dòng)量降低了80%左右（圖3）；在900r/min工況下，徑向振幅在25μm附近，曲線平緩，振動(dòng)控制在指標(biāo)許可范圍內(nèi)。

圖3 軸系動(dòng)平衡測試結(jié)果

2.3 試驗(yàn)工況

在軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)調(diào)試正常穩(wěn)定的前提下，分別開展小筒不平衡量和粉體不平衡量振動(dòng)對比試驗(yàn)研究。 根據(jù)需要，配置了相應(yīng)的小筒、粉體不平衡質(zhì)量，開展兩種工況下不平衡狀態(tài)和初始平衡狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性對比分析，具體內(nèi)容如下：

a. 小筒不平衡質(zhì)量對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性的影響試驗(yàn)，包括軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)平衡狀態(tài)下的基礎(chǔ)振動(dòng)特性測試以及基于固體不平衡激振力的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下振動(dòng)特性測試分析；

b. 粉體不平衡質(zhì)量對軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性的影響試驗(yàn)，包括軸承-轉(zhuǎn)子-小筒系統(tǒng)動(dòng)平衡狀態(tài)下的振動(dòng)特性測試分析以及基于粉體不平衡激振力的軸承-轉(zhuǎn)子-小筒系統(tǒng)不平衡響應(yīng)測試分析。

離心機(jī)穩(wěn)定性研究采取的試驗(yàn)工況見表1。

表1 試驗(yàn)工況

2.4 空載測試結(jié)果分析

轉(zhuǎn)子從開機(jī)逐步升到900r/min，在900r/min時(shí)運(yùn)行2min后逐漸降速，升速和降速過程均勻。 x向和y向測試同一個(gè)平面上互相垂直的徑向振動(dòng)，z向測試軸向振動(dòng)。

為研究不平衡質(zhì)量對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)位移響應(yīng)的影響， 對轉(zhuǎn)子同一位置處x、y、z3個(gè)相互垂直方向測得的位移信息特征進(jìn)行分析，綜合評價(jià)不平衡質(zhì)量對各轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子振動(dòng)響應(yīng)的影響。

轉(zhuǎn)盤對稱懸掛兩個(gè)重量相同的吊杯和小筒，空載狀態(tài)下啟動(dòng)離心機(jī)運(yùn)行測試分析x、y、z3向振動(dòng)情況，所得結(jié)果如圖4所示。 由圖4可見，對稱懸掛一組吊杯和小筒且均等配重時(shí)，轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)曲線比較平緩，沒有出現(xiàn)較大幅度波動(dòng)；x向最大振幅32μm；y向最大振幅33μm；z向運(yùn)行不平穩(wěn)，在運(yùn)行開始階段振動(dòng)較大，后逐漸趨于平穩(wěn)，最大振幅121μm，最小振幅42μm。

圖4 空載荷軸系振動(dòng)幅值曲線

3 軸系動(dòng)平衡試驗(yàn)研究

3.1 固體不平衡載荷對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，按照先后順序?qū)⑿⊥驳牟黄胶饬恐饾u增加（2、4、6、8g），對徑向振動(dòng)較大的x向進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，所得結(jié)果如圖5所示，振動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表2。

圖5 固體不平衡載荷水平x向振動(dòng)特性

表2 固體載荷水平x向振動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

從圖5和表2可以看出， 隨著在小筒上施加固體載荷值的不斷增大，x向振動(dòng)幅值均呈現(xiàn)遞增趨勢。 在離心機(jī)啟動(dòng)階段20s（轉(zhuǎn)速300r/min）附近出現(xiàn)局部峰值，之后運(yùn)行過程中趨于平穩(wěn)，在降速階段130s（轉(zhuǎn)速300r/min）附近出現(xiàn)了局部峰值，振動(dòng)幅值總體相對較低，最大振幅小于70μm。

z向（軸向）振動(dòng)特性如圖6所示，振動(dòng)特征分析結(jié)果見表3。

圖6 固體載荷z向振動(dòng)特性

表3 固體載荷z向振動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

從圖6和表3可以看出，在小筒上加載不平衡固體載荷作用并產(chǎn)生一定的不平衡激振力，隨著轉(zhuǎn)速的提高z向振幅逐漸增大并出現(xiàn)多個(gè)峰值。其中在開機(jī)啟動(dòng)階段有局部峰值，隨后趨于平穩(wěn)并在500r/min附近出現(xiàn)振動(dòng)位移峰-峰值最大振幅，總體上軸向不平衡響應(yīng)遠(yuǎn)大于徑向。 當(dāng)載荷為6、8g時(shí)出現(xiàn)了振幅急劇增大現(xiàn)象，最大振幅為92.1μm。 如果振幅多次超過臨界值，則會(huì)對離心機(jī)軸系造成嚴(yán)重?fù)p害，導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)扭曲甚至斷裂，從而發(fā)生安全事故。 同時(shí)由于轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)子連接方式為插接過盈配合，沒有固定約束，這種情況可能會(huì)導(dǎo)致離心機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)盤從主軸頂部跳動(dòng)脫離的故障現(xiàn)象。 可見轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸向穩(wěn)定性較差， 應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)連接優(yōu)化，并選擇合適型號的軸承約束來控制軸向振動(dòng)位移。

3.2 粉體不平衡載荷對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)

根據(jù)粉體壓縮試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在吊杯和小筒配重相同的情況下，按照先后順序?qū)⒎垠w配重不平衡量逐漸增加進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)測試， 取徑向x向振動(dòng)結(jié)果進(jìn)行分析，測試結(jié)果如圖7所示，振動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表4。

圖7 粉體載荷x向振動(dòng)特性

表4 粉體載荷x向振動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

由粉體壓縮不平衡響應(yīng)測試可知： 固體、粉體不平衡載荷相同的初值狀態(tài)下同一方向的振動(dòng)幅值比較接近。 粉體載荷激起的振動(dòng)幅值稍低于固體載荷激起的振動(dòng)幅值，這是因?yàn)榉垠w作為粘-彈性體更易吸收能量，降低振幅。 同時(shí)隨著離心壓縮不斷排出大量氣體，使得載荷差值也逐漸減小，激起的振動(dòng)響應(yīng)逐漸降低。 固體和粉體兩種激振力條件下的不平衡響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果表明，軸向振幅均明顯高于徑向振幅， 在500r/min附近出現(xiàn)區(qū)域共振峰值，該峰值的出現(xiàn)對粉體壓縮效果具有一定影響，通過工業(yè)CT技術(shù)對產(chǎn)品進(jìn)行線陣掃描，然后數(shù)字成像檢測粉體密度梯度呈現(xiàn)局部集中和不均勻性，在離心機(jī)使用中應(yīng)快速通過或極力避免在該轉(zhuǎn)速下長時(shí)間運(yùn)行。

4 結(jié)論

4.1 通過對不平衡量產(chǎn)生機(jī)理、作用形式和平衡技術(shù)的分析，研究了軸系動(dòng)平衡控制技術(shù)。 對離心機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)測試，結(jié)果表明：在加載不平衡固體載荷時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，軸向振幅逐漸增大并出現(xiàn)多個(gè)峰值。 其中在啟動(dòng)階段有局部峰值， 隨后趨于平穩(wěn)并在500r/min附近出現(xiàn)振動(dòng)位移峰-峰值， 總體上軸向不平衡響應(yīng)遠(yuǎn)大于徑向，在加載6、8g不平衡量時(shí)出現(xiàn)了振幅急劇增大的現(xiàn)象。

4.2 經(jīng)過對粉體壓縮不平衡狀態(tài)的試驗(yàn)測試可知： 當(dāng)粉體與固體不平衡載荷初值狀態(tài)相同時(shí)，同一方向的振動(dòng)幅值比較接近，即兩者對系統(tǒng)的動(dòng)不平衡影響基本等效。 但粉體不平衡載荷激起的振動(dòng)幅值要略低于固體不平衡載荷振動(dòng)幅值，這是因?yàn)榉垠w本身具有耗能特性，可以吸收一定的振動(dòng)能量，降低振幅。 固體和粉體兩種不平衡激振力條件下的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果均表現(xiàn)出軸向振幅明顯高于徑向振幅的特點(diǎn)， 特別是在500r/min附近出現(xiàn)區(qū)域共振峰值。

4.3 試驗(yàn)測試結(jié)果表明，離心轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸向穩(wěn)定性是研究和控制的重點(diǎn)，主要進(jìn)行轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化、改變連接配合方式，選擇合適型號的軸承配置來約束軸向振動(dòng)位移，調(diào)整轉(zhuǎn)子質(zhì)心的位置使之位于回轉(zhuǎn)軸線上，以滿足工程實(shí)際穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。 本試驗(yàn)研究結(jié)果對未來新型離心粉體壓縮機(jī)研制、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和粉體壓縮產(chǎn)品質(zhì)量控制具有一定的指導(dǎo)意義。