多曲盤旋轉(zhuǎn)霧化裝置設(shè)計及振動試驗(yàn)

劉忠飛，彭超華，倪培永，喜冠南

(南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南通 226019)

旋轉(zhuǎn)圓盤霧化器是一類重要的霧化裝置，依靠圓盤的旋轉(zhuǎn)，強(qiáng)化表面液體與空氣之間的傳質(zhì)過程。旋轉(zhuǎn)圓盤霧化器的霧化質(zhì)量相對于噴嘴易于控制，并且具有流量上限高、處理黏性液體能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于乳制品加工[1]、噴漆[2]、發(fā)動機(jī)燃油霧化[3]、納米材料制備以及農(nóng)藥噴灑[4]等領(lǐng)域。

中外眾多學(xué)者對圓盤性能進(jìn)行了研究。葉典[5]對旋轉(zhuǎn)圓盤光催化反應(yīng)裝置處理工業(yè)廢水進(jìn)行了研究，總結(jié)出圓盤在不同轉(zhuǎn)速工況下對于傳質(zhì)效率的影響不同。吳相森[6]對定子旋轉(zhuǎn)圓盤反應(yīng)器表面流體流動與性能進(jìn)行了研究，總結(jié)出液體在空腔區(qū)域的四種流型并擬合了流型發(fā)生改變的經(jīng)驗(yàn)公式。王鼎銘等[7]對旋轉(zhuǎn)圓盤表面的油膜流動特性進(jìn)行了分析研究，總結(jié)出圓盤轉(zhuǎn)速、供油量和黏度對表面油膜厚度的不同影響程度。周良富等[8]設(shè)計了組合圓盤式果園風(fēng)送噴霧機(jī)，并對其性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，該裝置顯著提高了果園噴灑農(nóng)藥的質(zhì)量與效率。魏佳奇等[9]對超聲霧化過硫酸鈉溶液，聯(lián)合氫氧化鈣進(jìn)行煙氣的脫硫脫硝進(jìn)行了研究，并總結(jié)出超聲霧化可以加速過硫酸鈉溶液分解，提供污染物的脫除效率。朱傳強(qiáng)等[10]對利用噴槍霧化無軟水稀釋的氨水，還原NOx的工藝進(jìn)行了研究，總結(jié)出噴槍壓力為0.3 MPa時，脫硝效率明顯。雷嘉梁[11]對霧化超重力技術(shù)在柴油機(jī)尾氣脫硝中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，凈化裝置對柴油機(jī)尾氣的脫硝效率峰值達(dá)到了80%。Hao等[12]利用高速攝像可視化系統(tǒng)研究了旋轉(zhuǎn)圓盤結(jié)構(gòu)對熔渣韌帶造粒液滴特性的影響，總結(jié)出弧形邊緣的圓盤結(jié)構(gòu)有助于產(chǎn)生更窄尺寸范圍的液滴。Bagherpou等[13]研究了旋轉(zhuǎn)霧化器在農(nóng)林業(yè)的噴灑農(nóng)藥的應(yīng)用，總結(jié)出流向上不同距離的噴霧液滴速度。Gianfrancesco等[14]研究了旋轉(zhuǎn)霧化器用于麥芽糖溶液的干燥，總結(jié)出麥芽糖在接近霧化器處快速干燥，在低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時處于穩(wěn)定的非黏性狀態(tài)。Ellwoodk等[15]研究了旋轉(zhuǎn)鐘形噴霧器對噴灑油漆的應(yīng)用，總結(jié)出流體流速、鐘形速度和鐘形半徑均會影響噴漆質(zhì)量。

上述研究多集中于直盤，而對于曲形圓盤的研究較少。因此，現(xiàn)針對盤的形狀進(jìn)行設(shè)計，研制一套多曲盤旋轉(zhuǎn)霧化裝置，以用于船舶柴油機(jī)NOx排放的凈化。此外，還對研制的裝置進(jìn)行振動測試，檢驗(yàn)裝置的動態(tài)性能。

1 方案選擇與裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 方案選擇

為滿足裝置的功能需求，本裝置的供液系統(tǒng)采用在主軸內(nèi)部供液，根據(jù)旋轉(zhuǎn)主軸的布置方式不同，初步確定以下兩種方案，如圖1所示。

圖1 多曲盤旋轉(zhuǎn)霧化裝置設(shè)計方案示意圖

旋轉(zhuǎn)主軸采用立式布置。該方案依靠反應(yīng)臺架的4個撐腳與地面接觸進(jìn)行支撐，其余零部件包括圓錐轉(zhuǎn)子軸承、曲盤、軸承座、外殼、皮帶輪，旋流器以及電機(jī)。電機(jī)通過皮帶輪和皮帶帶動旋轉(zhuǎn)主軸的運(yùn)行。該方案具有裝置運(yùn)行平穩(wěn)、液滴分布均勻等特點(diǎn)。

對于旋轉(zhuǎn)主軸采用臥式布置。該方案依靠反應(yīng)架下方4個撐腳與地面接觸進(jìn)行支撐，其余零部件包括殼體、深溝球軸承、曲盤、旋流器、彈性聯(lián)軸器以及電機(jī)。電機(jī)通過彈性聯(lián)軸器帶動主軸一同旋轉(zhuǎn)，該傳動方式效率高、結(jié)構(gòu)簡單。

考慮到零部件加工的難易程度、裝置重心、方便研究等因素，最終裝置采用臥式方案設(shè)計。

1.2 曲盤與主軸的設(shè)計及裝配

為了方便安裝曲盤，曲盤的形狀設(shè)計采取先直再曲的方案，直盤部分可利用鎖緊螺母配合鎖緊在旋轉(zhuǎn)主軸上。為了增加裝置的霧化效果，裝置設(shè)計安裝10個曲盤，曲盤見用擋塊隔開，擋塊上開有通孔可便于液體噴射到各曲盤表面。曲盤的材料選用304不銹鋼。

相應(yīng)地，在旋轉(zhuǎn)主軸軸上開有10個出液孔，分兩側(cè)對稱布置，每兩個孔之間的軸向間距為21 mm，具體開孔位置及尺寸如圖2所示。主軸材料選用經(jīng)表面熱處理后的45號鋼。

圖2 旋轉(zhuǎn)主軸結(jié)構(gòu)示意

在SolidWorks軟件中完成主軸與曲盤的建模與材料屬性的設(shè)置，并且在軟件中進(jìn)行裝配，裝配時每個曲盤之間采用墊塊隔開，軸向采用鎖緊螺母固定，裝配完成后打開軟件自身攜帶的質(zhì)量屬性評估，了解該裝配體的質(zhì)量、體積、表面積、慣性主軸以及慣性主力矩，該慣性主力矩即為組裝后零件的轉(zhuǎn)動慣量。完成裝配后的主軸如圖3所示，質(zhì)量屬性的信息如表1所示。

1為鎖緊螺母；2為曲盤；3為墊塊；4為主軸

表1 旋轉(zhuǎn)主軸質(zhì)量屬性信息

1.3 伺服電機(jī)的選型

該旋轉(zhuǎn)主軸的設(shè)計轉(zhuǎn)速最高可達(dá)3×103r/min，轉(zhuǎn)軸可以在30 s的時間內(nèi)達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。根據(jù)表1的質(zhì)量屬性信息，可知該主軸繞軸線旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量為0.234 kg·m2。扭矩的計算公式為

ω=2πn/60

(1)

α=ω/t

(2)

M=jα

(3)

式中：n為主軸轉(zhuǎn)速，r/min；ω為轉(zhuǎn)動角速度，rad/s；t為加速時間，s；α為角加速度，rad/s2；j為轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2。計算得到最大扭矩為2.45 N·m。選用三相220 V變頻交流電機(jī)，該電機(jī)扭矩可達(dá)3.4 N·m電機(jī)的額定功率、額定轉(zhuǎn)速分別為1.1 kW和3×103r/min。

1.4 總裝設(shè)計

完成軸承、聯(lián)軸器的選型，在SolidWorks中完成支撐結(jié)構(gòu)、外殼以及其他零部件的建模，按照自底向上的裝配原則在軟件中完成裝配，并在軟件中進(jìn)行轉(zhuǎn)動調(diào)試，確認(rèn)零部件之間無影響裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)的干涉存在。裝配模型示意如圖4所示。為了方便裝置的移動，加工時在支撐架的4個底腳處各裝有一個萬向輪，該萬向輪可被鎖死，防止裝置在水平面內(nèi)的運(yùn)動。

圖4 裝配示意圖

2 試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用的振動傳感器型號為GM63B，該傳感器經(jīng)過嚴(yán)格的校準(zhǔn)并且配有三種不同的高靈敏探頭以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合，分別為磁性探頭、長探頭以及短探頭。可用于振動位移、振動速度和振動加速度的測量，加速度的測量范圍為0.1～199.9 m/s2，速度測量范圍為0.1～199.9 mm/s2,位移測量范圍為0.001～1.999 mm，數(shù)據(jù)更替周期為1 s。傳感器收集的信息為振動位移的峰-峰值、振動速度的有效值和振動加速度的峰值。

該裝置的振動主要是由主軸旋轉(zhuǎn)引起。通常軸的振動主要測量軸承與軸之間的位移，測量方向一般為軸承的水平和垂直方向，輔助測點(diǎn)為軸向。對于一些大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械還要輔助測量一些機(jī)殼的振動，由于本裝置較小，考慮測試點(diǎn)的選擇應(yīng)是設(shè)備的敏感點(diǎn)且是距機(jī)械設(shè)備近距離的關(guān)鍵點(diǎn)，選擇在兩軸承處進(jìn)行垂直和水平方向上的振動測量，輔助測量軸向振動。測試時，將磁性探頭吸附在裝置表面或者將短探頭附在裝置表面。選取裝置上6個點(diǎn)進(jìn)行測量，圖5所示為3個振動測試選取點(diǎn)，其余3個點(diǎn)A2、B2、C2分別與A1、B1、C1對稱布置。

A1與A2點(diǎn)測試裝置運(yùn)行時的軸向振動，B1與B2點(diǎn)測試裝置運(yùn)行時水平方向上振動，C1與C2點(diǎn)測試裝置運(yùn)行時垂直方向上的振動；在每個位置點(diǎn)分別測試振動位移量、振動速度以及振動加速度。每一個數(shù)據(jù)點(diǎn)都是多次測量后取平均值。

考慮到變頻器的調(diào)頻范圍為0～50 Hz，本研究選取10個頻率點(diǎn)，每兩個頻率點(diǎn)間隔5 Hz來對裝置運(yùn)行時的振動特性進(jìn)行測試和記錄。

3 結(jié)果與分析

A1與A2點(diǎn)的振動位移、速度、加速度隨伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動頻率變化的結(jié)果如圖6所示。由圖6看出，兩點(diǎn)的振動位移趨勢大致相同，峰值存在略微的差異。在電機(jī)轉(zhuǎn)動頻率為10 Hz，裝置在軸向方向存在一個振動位移變化的峰值，峰值大小為0.163 mm，在15～30 Hz范圍內(nèi)運(yùn)行時位移變化較為平穩(wěn)；35～50 Hz范圍內(nèi)位移量存在一定波動，且波動峰值均未超過10 Hz時測得數(shù)據(jù)，除去10 Hz振動異常點(diǎn)后，軸向振動位移的變化范圍為0.008～0.083 mm。研究發(fā)現(xiàn)，振動速度在10 Hz時仍是一個波動較大的點(diǎn)，出現(xiàn)一個小峰值后開始回落，到達(dá)35 Hz時又顯著增加，45 Hz時達(dá)到測試數(shù)據(jù)的峰值，峰值為8.8 m/s，在15～30 Hz范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)時裝置的振動速度變化范圍為0.7～1.75 m/s，遠(yuǎn)小于裝置振動速度的峰值。由圖6(c)可知，振動加速度在5～30 Hz范圍內(nèi)接近線性增長，35 Hz時出現(xiàn)急劇增長后，40 Hz時達(dá)到峰值，峰值為8.1 m/s2，之后振動加速度有小幅度下降。

圖6 A1點(diǎn)和A2點(diǎn)測試數(shù)據(jù)

B1與B2點(diǎn)測試所得振動位移、速度、加速度隨伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動頻率變化的結(jié)果如圖7所示。由圖7看出，在10 Hz時裝置的振動在水平方向上有最大位移0.308 mm，在15～50 Hz范圍內(nèi)，位移量變化較小，整體維持在一個較低的水平范圍。研究還發(fā)現(xiàn)，在10 Hz和35 Hz時，振動速度存在兩個波峰。發(fā)生在35 Hz時，最大振動速度4.9 m/s，小于軸向方向上的8.8 m/s。研究還發(fā)現(xiàn)，振動能量整體呈一個逐漸上升的趨勢，35Hz時急劇增加，此后時略有下降。雖然在10 Hz時振動位移與振動速度均較為明顯，但振動能量處于一個較低的水平，振動加速度整體變化范圍為0.1～5.9 m/s2。

圖7 B1點(diǎn)和B2點(diǎn)測試數(shù)據(jù)

C1與C2點(diǎn)測試所得振動位移、速度、加速度隨伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動頻率變化的結(jié)果如圖8所示。由圖8看出，垂直方向的位移在5～30 Hz時增長較為平緩，在10 Hz時并無明顯的波動存在，在35 Hz時達(dá)到垂直方向位移的波峰，峰值為0.242 mm。此后隨著頻率的增加，兩點(diǎn)的振動位移均呈下降趨勢。由振動速度圖看出，在5～25 Hz范圍內(nèi)，振動速度變化不大，在0.1～2.1 m/s范圍內(nèi)。此后隨著頻率的增加，振動速度急劇增加，在35 Hz時達(dá)到最高值11.9 m/s。隨后速度出現(xiàn)下降趨勢，但仍維持在一個較高水平，其原因是裝置與測試所在房間地面產(chǎn)生一定的共振。從圖8(c)看出，隨著頻率的增加，兩點(diǎn)的振動加速度均逐漸升高，在40 Hz時達(dá)到最大值10.5 m/s2。此時的振動加速度為3個測試方向上的最大值。

圖8 C1點(diǎn)和C2點(diǎn)測試數(shù)據(jù)

由圖8看出，裝置在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為35～50 Hz范圍時振動速度和振動加速度均較大，原因可能為電機(jī)電流增大后電機(jī)與霧化裝置上的軸承引起了諧波，導(dǎo)致裝置在該頻段振動明顯。研究還發(fā)現(xiàn)，在10 Hz時運(yùn)轉(zhuǎn)時，在垂直方向上振動位移并無明顯增大，且在該頻率下所有測試點(diǎn)的振動加速度均較小。其原因可能是裝置在該頻率時雖在軸向與水平方向上有較大位移，但振動能量較小，裝置的自重足以抑制這部分能量，所以垂直方向上無較大位移。

4 結(jié)論

(1)綜合考慮霧化裝置的加工難易程度、穩(wěn)定性和便于研究等因素，選用主軸臥式布置方案。

(2)在裝置的水平方向上有最大振動位移，為10 Hz時的0.308 mm；最大振動速度在裝置垂直方向，為35 Hz時的11.9 m/s；最大振動加速度在裝置垂直方向，為40 Hz時的10.5 m/s2。

(3)在10 Hz與高于35 Hz時，裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時存在較大振動建議裝置在15～30 Hz范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。

(4)裝置在垂直方向上存在較大振動，應(yīng)考慮垂直方向減震，現(xiàn)裝置垂直方向除自重外，無其他約束，因此可考慮在裝置垂直方向上增加約束。