高速離心機(jī)撓性軸系設(shè)計

趙穎濤，楚江鋒，嚴(yán)松

（西安捷盛電子技術(shù)有限責(zé)任公司,西安 710119）

引言

離心試驗(yàn)機(jī)的的旋轉(zhuǎn)軸系采用剛性軸系，剛性軸心主要應(yīng)用于低速、重載場合。在高速情況下，由于臨界轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)的自對中現(xiàn)象（工作負(fù)載的質(zhì)量幾何中心與主軸的回轉(zhuǎn)中心趨于重合），此時軸需要發(fā)生彎曲，軸承需要能夠產(chǎn)生徑向移動，但軸為剛性，軸承也為剛性，變形量都很小。此時軸和軸承都要產(chǎn)生很大的內(nèi)力來抵消發(fā)生變形的力，如果軸承強(qiáng)度不夠或軸的強(qiáng)度不夠都會引發(fā)失穩(wěn)，造成整個系統(tǒng)的崩潰。隨著軍工航天事業(yè)的不斷蓬勃發(fā)展，電子元器件的可靠性試驗(yàn)要求加速度越來越高，生產(chǎn)任務(wù)由原來的產(chǎn)品抽檢篩選試驗(yàn)變?yōu)檎w全部試驗(yàn)，對離心機(jī)性能和試驗(yàn)效率提出了很大的要求，隨著要求不斷提高，剛性軸系離心機(jī)的設(shè)計已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求?？偨Y(jié)剛性軸離心機(jī)的缺點(diǎn)有：振動噪聲很大、承載能力很差、容易發(fā)生軸承失穩(wěn)和對工作轉(zhuǎn)盤的動平衡要求很高?；谝陨显?，設(shè)計開發(fā)能夠高速穩(wěn)定運(yùn)行的軸系尤為重要。撓性軸系是一種工作在臨界轉(zhuǎn)速之上的軸系結(jié)構(gòu)，其工作轉(zhuǎn)速高，設(shè)計合理的撓性軸承載能力和運(yùn)行可靠性也大大提高。

1 撓性軸系的實(shí)施方式

撓性軸系統(tǒng)由彈性軸承座和細(xì)長軸部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1撓性軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。彈性軸承座采用彈性體8與金屬材料嵌套結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)的軸承座在徑向和軸向均有一定量的彈性位移，用于細(xì)長軸5的擺動支撐。

細(xì)長軸部件的主體為細(xì)長軸5，細(xì)長軸5為細(xì)長結(jié)構(gòu)，自身強(qiáng)度高，剛度小，正好滿足了設(shè)計的需要，細(xì)長軸部件采用主軸上軸承7和張緊套6兩處固定支撐，底部與卸荷軸4通過連接套6連為一體，上端通過軸承與彈性軸承座固定。

2 撓性軸系運(yùn)動分析

根據(jù)圖1建立撓性軸系的力學(xué)模型見圖2。系統(tǒng)X與Y 方向的總剛度可以表示為式（1）：

圖2中CV、CW表示主軸上下支承在X方向的剛度；

Cb、Ch表示主軸上下支承在Y方向的剛度。

建立設(shè)計的軸系運(yùn)動微分方程：

式中：

M—轉(zhuǎn)子質(zhì)量；

χ—軸系轉(zhuǎn)動慣量；

ε—軸系不平衡度。

從圖1可看出

根據(jù)已知條件求解得

式中：

Ω—軸系運(yùn)動的轉(zhuǎn)速；

wx,wy—軸系在X和Y方向的一階臨界轉(zhuǎn)速。

由于轉(zhuǎn)子在X，Y方向各向同性，因此有：

整理軸心軌跡運(yùn)動方程可得

分析式（6）的軸心運(yùn)動軌跡方程知，在轉(zhuǎn)子角速度Ω一定的情況下，運(yùn)動軌跡為一個圓心在軸心，半徑為的圓。通過式（6）繪制圖3振動幅值—角速度曲線，從圖3振動幅值—角速度曲線可以得出：

當(dāng)0＜Ω＜wn時，軸系隨著角速度Ω的不斷增大，振動加?。?/p>

當(dāng)Ω=wn時，出現(xiàn)圓的半徑無窮大的情況，也就是系統(tǒng)軸系發(fā)生了共振；

當(dāng)wn＜Ω＜∞時，軸系隨著角速度Ω的不斷增大，振動的半徑愈來愈趨近不平衡量ε。

圖1 撓性軸系結(jié)構(gòu)圖

圖2 撓性軸系力學(xué)模型

3 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)中需要分析：

a.軸心軌跡是不是一個標(biāo)準(zhǔn)的圓形；

b.軸心軌跡是不是按照圖3 中的曲線運(yùn)動。

在圖1的撓性軸結(jié)構(gòu)中加入用于檢測主軸擺動的擺動傳感器，擺動傳感器的檢測圖如圖4所示。

在X和Y方向分別安裝擺動位移傳感器。實(shí)驗(yàn)時將探頭距離被測軸距離0.5 mm，將距離0.6～1 mm之間的距離劃分為20量級，相鄰的兩個量級中大量級比小量級大0.025 mm。檢測數(shù)據(jù)表見表1。

從表1中的X方向?qū)?yīng)的距離和 Y方向?qū)?yīng)的距離可以看出在相同的轉(zhuǎn)速條件下，在X方向和Y方向的振動偏移距離是一致的，這說明，軸心運(yùn)動軌跡曲線是一個標(biāo)準(zhǔn)的圓形軌跡。

從表1中的各個轉(zhuǎn)速對應(yīng)的偏移距離來看，系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速wn=2 820 r/min，此時振動量級最大，達(dá)到20，通過拆卸下來的傳感器發(fā)現(xiàn)，在傳感器的探測前端有明顯的擦痕，說明軸的擺動有可能要大于振動量級測量值20，為了使設(shè)備能夠安全的通過臨界轉(zhuǎn)速可以提高系統(tǒng)的升速時間，使其快速通過臨界轉(zhuǎn)速。

在軸系轉(zhuǎn)速處于0＜Ω＜2 820時，在65 r/min的轉(zhuǎn)速時，量級相對較大，然后隨著轉(zhuǎn)速升高，量級慢慢回落，再慢慢增大直到臨界轉(zhuǎn)速時達(dá)到17，在65 r/min時振動較大的原因可以歸結(jié)為系統(tǒng)啟動時轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動慣量較大，出現(xiàn)軸的扭轉(zhuǎn)引起。為了減小離心機(jī)升速過程中共振現(xiàn)象對設(shè)備的損害，在設(shè)計升速中應(yīng)該采取快速升速方法，快速通過共振轉(zhuǎn)速區(qū)。通過試驗(yàn)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)軸心軌跡復(fù)合理論分析結(jié)果：

圖3 振動幅值—角速度曲線

在軸系轉(zhuǎn)速處于2 820＜Ω＜19 850時，振動量級從17快速回落到14、8最后固定在3，可以說明在這個階段的主軸的振動慢慢趨于不平衡量ε，出現(xiàn)自對中現(xiàn)象。與理論分析結(jié)果相同。

圖4 擺動傳感器檢測示意圖

表1 軸心軌跡振動量級表

4 結(jié)論

高速離心試驗(yàn)機(jī)撓性軸系應(yīng)用彈性軸承座和撓性軸，解決了轉(zhuǎn)子運(yùn)動過程中的力和變形位移的補(bǔ)償問題。主軸的臨界轉(zhuǎn)速低，系統(tǒng)在此時快速通過臨界轉(zhuǎn)速對設(shè)備的安全和可靠性影響不大，在高速旋轉(zhuǎn)時，振動趨于自對中，噪聲很小，轉(zhuǎn)動很平穩(wěn)，解決了以往離心機(jī)振動大，噪聲大，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不穩(wěn)定的弊端，推動了離心試驗(yàn)機(jī)的整體向前發(fā)展。