新型離心萃取機(jī)轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與振動(dòng)特性分析

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230088）

0 引言

離心萃取機(jī)是一種高效的液液萃取分離設(shè)備，利用轉(zhuǎn)鼓高速回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使具有密度差的兩液相進(jìn)行混合傳質(zhì)并分離，屬于回轉(zhuǎn)機(jī)械，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于化工、石油、核能、醫(yī)藥、生物、食品、濕法冶金、環(huán)保等各個(gè)領(lǐng)域[1]。高速回轉(zhuǎn)機(jī)械在運(yùn)行過(guò)程中常出現(xiàn)振動(dòng)，會(huì)降低機(jī)械設(shè)備的工作性能，加速機(jī)械零部件的磨損，縮短機(jī)械的使用壽命，對(duì)周?chē)h(huán)境造成不良影響，更有甚者引起安全事故[2-3]，因此需要對(duì)機(jī)械的振動(dòng)特性進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)時(shí)常通過(guò)計(jì)算軸系的臨界轉(zhuǎn)速，使其工作轉(zhuǎn)速避開(kāi)共振區(qū)，以減小機(jī)器在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)。離心萃取機(jī)是在吸收和借鑒國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品，相關(guān)理論分析資料較少，沒(méi)有成熟的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算方法，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)一定難度。

本文設(shè)計(jì)新型離心萃取機(jī)轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)，并參考離心機(jī)臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算方法，對(duì)2種支撐結(jié)構(gòu)的離心萃取機(jī)進(jìn)行振動(dòng)特性分析。

1 新型離心萃取機(jī)轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有離心萃取機(jī)的轉(zhuǎn)子采用上下支撐結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子兩端設(shè)有軸承，下軸承位于機(jī)殼下方，其上設(shè)有機(jī)械密封如圖1所示。轉(zhuǎn)子上下支撐的穩(wěn)固結(jié)構(gòu)，可以使離心萃取機(jī)達(dá)到較高的參數(shù)，轉(zhuǎn)鼓的長(zhǎng)徑比較大，對(duì)密度差較小的物料有很好的萃取分離效果，且設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

圖1 現(xiàn)有轉(zhuǎn)子上下支撐結(jié)構(gòu)離心萃取機(jī)

當(dāng)物料體系含固體或萃取過(guò)程中有固相生成的時(shí)候，固體雜質(zhì)易損壞密封面，造成機(jī)械密封失效[4-6]，一般3個(gè)月更換一次機(jī)械密封。針對(duì)上述情況，對(duì)于易分離的物料體系，研制出新型離心萃取機(jī)，轉(zhuǎn)子采用上懸支撐結(jié)構(gòu)如圖2所示。因底部無(wú)軸承和機(jī)械密封等易損件，故障率大大降低。

圖2 新型離心萃取機(jī)

新型離心萃取機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)子部件通過(guò)軸承以懸掛方式安裝在安裝座內(nèi)，轉(zhuǎn)子具有一定的擺動(dòng)度。安裝于安裝座內(nèi)的彈性元件，由于自身的阻尼和減振作用，使轉(zhuǎn)子的擺動(dòng)幅度控制在一定范圍內(nèi)，以使機(jī)器運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

2 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算

對(duì)于離心萃取機(jī)轉(zhuǎn)子體系，參考離心機(jī)臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算方法[7-8]，考慮轉(zhuǎn)子的臂長(zhǎng)效應(yīng)、回轉(zhuǎn)效應(yīng)和彈性支撐等因素的影響，分別對(duì)2種支撐結(jié)構(gòu)的離心萃取機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算。

2.1 轉(zhuǎn)子上下支撐結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子上下支撐結(jié)構(gòu)離心萃取機(jī)，轉(zhuǎn)子兩端均有軸承，其轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下：

式中 ω臨——臨界角速度，1/s；

n臨——臨界轉(zhuǎn)速，r/min；

Jx——轉(zhuǎn)子繞軸的極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

m——轉(zhuǎn)子質(zhì)量，kg；

Jη——轉(zhuǎn)子繞過(guò)其重心的直徑轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

α11——作用在上、下端軸與轉(zhuǎn)鼓的連接點(diǎn)處的單位力在相應(yīng)連接點(diǎn)處產(chǎn)生的撓度之和，m/N；

β11——作用在上、下端軸與轉(zhuǎn)鼓的連接點(diǎn)處的單位力在相應(yīng)連接點(diǎn)處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角之和，rad/N；

γ11——作用在上、下端軸與轉(zhuǎn)鼓的連接點(diǎn)處的單位力矩在相應(yīng)連接點(diǎn)處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角之和，rad/（m·N）；

L——上支撐與下支撐的距離，m；

L1——上支撐與轉(zhuǎn)鼓和上端軸的連接點(diǎn)的距離，m；

L2——下支撐與轉(zhuǎn)鼓和下端軸的連接點(diǎn)的距離，m；

d1——轉(zhuǎn)鼓和上端軸的連接點(diǎn)與轉(zhuǎn)子重心的距離，m；

d2——轉(zhuǎn)子重心與轉(zhuǎn)鼓和下端軸的連接點(diǎn)的距離，m；

E——軸的彈性模量，N/m2；

J1——上端軸的極慣性矩，m4；

J2——下端軸的極慣性矩，m4。

以現(xiàn)有大通量離心萃取機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算，型號(hào)為CTL800，轉(zhuǎn)子采用上下支撐結(jié)構(gòu)，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

分別計(jì)算轉(zhuǎn)子各部件的質(zhì)量、各部件的重心位置、各部件繞軸的極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和繞過(guò)其重心的直徑轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，然后得到轉(zhuǎn)子的總質(zhì)量、轉(zhuǎn)子的重心位置、轉(zhuǎn)子繞軸的極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與轉(zhuǎn)子繞過(guò)其重心的直徑轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的差值，最后利用上述公式計(jì)算空運(yùn)行時(shí)的臨界轉(zhuǎn)速，結(jié)果見(jiàn)表2。

負(fù)荷運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子總質(zhì)量為轉(zhuǎn)子本身的質(zhì)量與轉(zhuǎn)子內(nèi)物料的質(zhì)量之和，并將轉(zhuǎn)子內(nèi)圓柱環(huán)形物料看成一個(gè)整件，計(jì)算其繞軸的極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和繞過(guò)其重心的直徑轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，得到負(fù)荷時(shí)的Jx-Jη。由于萃取物料體系各異，本文僅以煤油（密度為800 kg/m3）、水（密度為1 000 kg/m3）、二氯甲烷（密度為1 300 kg/m3）和氯仿（密度為1 480 kg/m3）4種不同密度的物料為例進(jìn)行計(jì)算，得到各物料負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的臨界轉(zhuǎn)速，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 CTL800型離心萃取機(jī)技術(shù)參數(shù)

表2 轉(zhuǎn)子上下支撐結(jié)構(gòu)離心萃取機(jī)臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算

由表2可以看出，不論是空運(yùn)行還是負(fù)荷運(yùn)行，離心萃取機(jī)的工作轉(zhuǎn)速始終遠(yuǎn)低于一階臨界轉(zhuǎn)速，稱(chēng)之為剛性軸[9]。對(duì)于剛性軸，為保證機(jī)器安全而平穩(wěn)的工作，要求n≤0.75 n臨，其中n為工作轉(zhuǎn)速，n臨為一階臨界轉(zhuǎn)速[10]。經(jīng)計(jì)算，轉(zhuǎn)子上下支撐結(jié)構(gòu)離心萃取機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)速滿(mǎn)足要求，機(jī)器能夠平穩(wěn)運(yùn)行。

由表2可以看出，轉(zhuǎn)子上下支撐結(jié)構(gòu)離心萃取機(jī)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)其轉(zhuǎn)子重心位置較空運(yùn)行時(shí)有所下降，且物料密度越大，轉(zhuǎn)子重心位置越低。離心萃取機(jī)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的一階臨界轉(zhuǎn)速低于空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的一階臨界轉(zhuǎn)速，而二階臨界轉(zhuǎn)速大于空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的二階臨界轉(zhuǎn)速，且在所選物料密度范圍（800～1 480 kg/m3），隨著物料密度增大，一階臨界轉(zhuǎn)速有所下降，二階臨界轉(zhuǎn)速有所增加。

2.2 轉(zhuǎn)子上懸支撐結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子上懸支撐結(jié)構(gòu)離心萃取機(jī)，其轉(zhuǎn)子的臨界角速度計(jì)算公式如下：

式中 a11——作用在轉(zhuǎn)鼓和軸的連接點(diǎn)處的單位力在該處產(chǎn)生的撓度，m/N；

b11——作用在轉(zhuǎn)鼓和軸的連接點(diǎn)處的單位力在該處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角，rad/N；

c11——作用在轉(zhuǎn)鼓和軸的連接點(diǎn)處的單位力矩在該處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角，rad/（m·N）；

d——轉(zhuǎn)鼓和軸的連接點(diǎn)與轉(zhuǎn)子重心的距離，m；

l1——軸承室內(nèi)下軸承與轉(zhuǎn)鼓和軸的連接點(diǎn)的距離，m；

l2——軸承室內(nèi)上軸承與下軸承的距離，m；

J——軸的極慣性矩，m4。

以新設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子上懸支撐結(jié)構(gòu)新型離心萃取機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算，型號(hào)為CTX800，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。同理分別計(jì)算轉(zhuǎn)子上懸支撐結(jié)構(gòu)新型離心萃取機(jī)在空運(yùn)行和負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的臨界轉(zhuǎn)速，結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 CTX800型離心萃取機(jī)技術(shù)參數(shù)表

表4 轉(zhuǎn)子上懸支撐結(jié)構(gòu)新型離心萃取機(jī)臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算

由表4可以看出，不論是空運(yùn)行還是負(fù)荷運(yùn)行，新型離心萃取機(jī)在升速至額定轉(zhuǎn)速時(shí)，都會(huì)經(jīng)過(guò)一階臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，稱(chēng)之為撓性軸。對(duì)于撓性軸，為保證機(jī)器安全而平穩(wěn)的工作，要求1.4 n臨1≤n≤0.7 n臨2，其中 n為工作轉(zhuǎn)速，n臨1為一階臨界轉(zhuǎn)速，n臨2為二階臨界轉(zhuǎn)速。經(jīng)計(jì)算，新設(shè)計(jì)的CTX800型新型離心萃取機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)速滿(mǎn)足要求。

由表4可以看出，新型離心萃取機(jī)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)其轉(zhuǎn)子重心位置較空運(yùn)行時(shí)有所下降，且物料密度越大，轉(zhuǎn)子重心位置越低。新型離心萃取機(jī)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的一階臨界轉(zhuǎn)速低于空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的一階臨界轉(zhuǎn)速，在所選物料密度范圍（800～1 480 kg/m3），隨著物料密度增大，一階臨界轉(zhuǎn)速有所下降，二階臨界轉(zhuǎn)速下降最終趨于二階臨界轉(zhuǎn)速值附近。

3 轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)徑比的優(yōu)選

新型離心萃取機(jī)的轉(zhuǎn)子為上懸支撐結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對(duì)偏心比較敏感，在制造、安裝方面不可避免的會(huì)造成轉(zhuǎn)子的偏心，與轉(zhuǎn)子上下支撐結(jié)構(gòu)離心萃取機(jī)相比，轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)徑比較小，且應(yīng)盡量減小轉(zhuǎn)子的偏心。

轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部為兩相液體的分離區(qū)域，轉(zhuǎn)鼓直徑一定時(shí)，轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)徑比越大，分離區(qū)域越長(zhǎng)。對(duì)于難分離的物料體系，要求轉(zhuǎn)鼓分離區(qū)域盡可能的長(zhǎng)；對(duì)于易分離的物料體系，轉(zhuǎn)鼓分離區(qū)域則不需要太長(zhǎng)，轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)度的適當(dāng)縮短不會(huì)對(duì)兩相分離效果產(chǎn)生影響。

其他參數(shù)一定的情況下，轉(zhuǎn)鼓的長(zhǎng)徑比會(huì)影響轉(zhuǎn)子的總質(zhì)量和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的重心位置，經(jīng)計(jì)算，轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)徑比越大，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的重心位置（相較于軸承室位置）越低，一階臨界轉(zhuǎn)速和二階臨界轉(zhuǎn)速都會(huì)降低。

新設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子上懸支撐結(jié)構(gòu)新型離心萃取機(jī)CTX800，轉(zhuǎn)鼓直徑為800 mm，當(dāng)轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)徑比為1.3時(shí)，離心萃取機(jī)空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的工作轉(zhuǎn)速正好高于1.4 n臨1，負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的工作轉(zhuǎn)速也高于1.4 n臨1，機(jī)器能夠安全而平穩(wěn)的運(yùn)行。若轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)徑比小于1.3，則一階臨界轉(zhuǎn)速增大，機(jī)器的工作轉(zhuǎn)速將會(huì)落在共振區(qū)，同時(shí)分離區(qū)域的縮短，將會(huì)大大縮小物料體系的應(yīng)用范圍，不利于新型離心萃取機(jī)的推廣應(yīng)用；若轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)徑比大于1.3，則偏心對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響大大增加，不利于減振。綜上所述，對(duì)于CTX800型新型離心萃取機(jī)，優(yōu)選轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)徑比為1.3。

4 新型離心萃取機(jī)的減振措施

在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)CTX800型新型離心萃取機(jī)進(jìn)行振動(dòng)性能測(cè)試，配有變頻器，機(jī)器通過(guò)變頻器在負(fù)載狀態(tài)下啟動(dòng)，在電機(jī)頻率為25～35 Hz范圍內(nèi)，振動(dòng)幅度較大，與理論計(jì)算值相符，在50 Hz（額定轉(zhuǎn)速）時(shí)，振動(dòng)值僅為2.6 mm/s，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)《JB/T 11095-2011離心萃取機(jī)技術(shù)條件》規(guī)定：負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)速度應(yīng)不大于7.1 mm/s。

實(shí)際運(yùn)行中，新型離心萃取機(jī)加速或減速時(shí)應(yīng)盡可能迅速通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域，以防止產(chǎn)生共振現(xiàn)象及轉(zhuǎn)子的殘余變形。通過(guò)理論計(jì)算，得到臨界轉(zhuǎn)速，并結(jié)合振動(dòng)性能測(cè)試結(jié)果，在變頻器上進(jìn)行設(shè)置，選擇跳躍頻率和跳躍范圍，可以避免機(jī)器在該頻率范圍內(nèi)運(yùn)行，使機(jī)器在升速或降速過(guò)程中避開(kāi)共振區(qū)。

機(jī)器底部增設(shè)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的隔振器，內(nèi)置液態(tài)阻尼，可以有效地減小和消除振動(dòng)，使機(jī)器的振動(dòng)不會(huì)傳遞到基礎(chǔ)和周?chē)h(huán)境，起到積極隔振的作用。

5 結(jié)論

（1）給出轉(zhuǎn)子上下支撐結(jié)構(gòu)離心萃取機(jī)和轉(zhuǎn)子上懸支撐結(jié)構(gòu)新型離心萃取機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算方法，通過(guò)對(duì)臨界轉(zhuǎn)速的預(yù)測(cè)，可以使工作轉(zhuǎn)速避開(kāi)共振區(qū)。并計(jì)算得到轉(zhuǎn)鼓直徑為800 mm的大通量離心萃取機(jī)空運(yùn)行和在4種不同密度的物料下負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的臨界轉(zhuǎn)速。

（2）新型離心萃取機(jī)的轉(zhuǎn)子采用上懸支撐結(jié)構(gòu)，有效解決了物料體系含固體或萃取過(guò)程中生成固體引起機(jī)械密封失效的問(wèn)題，設(shè)備的故障率大大降低。對(duì)CTX800型新型離心萃取機(jī)的轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)徑比進(jìn)行優(yōu)選，得到長(zhǎng)徑比為1.3。

（3）新型離心萃取機(jī)為撓性支撐，工作轉(zhuǎn)速高于一階臨界轉(zhuǎn)速，在升速或降速過(guò)程中都會(huì)經(jīng)過(guò)共振區(qū)。實(shí)際運(yùn)行中，通過(guò)變頻器設(shè)置跳躍頻率和跳躍范圍，能夠有效避開(kāi)共振區(qū)，同時(shí)底部增設(shè)液態(tài)阻尼隔振器，從而減小和消除振動(dòng)。