基于ISFD的滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡振動(dòng)抑制研究*

路凱華,耿斌斌,何立東,陳 釗,王五四,張嘉洋

(1.北京航天動(dòng)力研究所,北京 100076;2.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,北京 100029)

0 引 言

如今,液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵、燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)組和壓縮機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備正朝著高轉(zhuǎn)速、大功率、高效率、高精度等方向發(fā)展,苛刻的工作環(huán)境致使設(shè)備轉(zhuǎn)子的同步振動(dòng)響應(yīng)較大,也使次同步振動(dòng)易失穩(wěn)問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重。

在我國(guó)“兩機(jī)專項(xiàng)”中,燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和振動(dòng)控制技術(shù)被列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目;而我國(guó)某型號(hào)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)也將歷次熱試車中渦輪泵轉(zhuǎn)子的同步和次同步振動(dòng)作為重點(diǎn)考察對(duì)象。這說(shuō)明轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)是影響設(shè)備安全可靠和高效運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

在轉(zhuǎn)子的振動(dòng)故障中,不平衡故障是最常見(jiàn)的故障之一[1]。在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)工作中,設(shè)備交付出廠時(shí),都會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡處理,以確保其穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。如果工作過(guò)程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的不平衡振動(dòng),一般的處理方法是讓設(shè)備停車,對(duì)其進(jìn)行動(dòng)平衡處理。這種處理方式不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力,也會(huì)影響企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益[2]。對(duì)于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)備而言,在其出現(xiàn)不平衡振動(dòng)時(shí),無(wú)法使其停車以進(jìn)行動(dòng)平衡處理,一般要在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中采取振動(dòng)控制措施(如鼠籠式擠壓油膜阻尼器、金屬橡膠阻尼器等),進(jìn)行振動(dòng)抑制。

整體式擠壓油膜阻尼器(ISFD)的油膜阻尼可以大大提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)阻尼比。國(guó)外的研究及工程應(yīng)用結(jié)果表明,ISFD可以有效抑制轉(zhuǎn)子的同步振動(dòng)響應(yīng),解決次同步振動(dòng)失穩(wěn)問(wèn)題[3-6]。和傳統(tǒng)的擠壓油膜阻尼器(squeeze film damper,SFD)相比,ISFD具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式。它采用電火花線切割加工技術(shù),將彈性支承結(jié)構(gòu)和擠壓油膜結(jié)構(gòu)集成于一體,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于拆卸安裝等優(yōu)點(diǎn),因而在工程應(yīng)用方面的前景較好。

國(guó)內(nèi)對(duì)ISFD的研究目前尚處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段。黃文超[7]采用試驗(yàn)的方式,研究了ISFD對(duì)單跨和多跨轉(zhuǎn)子過(guò)臨界振動(dòng)的控制效果,結(jié)果表明,ISFD可以有效控制單跨和多跨轉(zhuǎn)子的過(guò)臨界振動(dòng)。余棟棟等人[8-9]開(kāi)展了ISFD對(duì)轉(zhuǎn)子不對(duì)中振動(dòng)的抑制試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,ISFD可以較好地降低轉(zhuǎn)子的不對(duì)中故障振動(dòng)。萬(wàn)方騰等人[10]以雙盤懸臂轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象,研究了ISFD進(jìn)油方式對(duì)減振效果的影響。閆偉等人[11]將ISFD用于抑制密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的流體激振,試驗(yàn)結(jié)果表明,基于ISFD的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)減振效果良好。LI Geng等人[12]運(yùn)用CFD方法,對(duì)ISFD的阻尼系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。路凱華等人[13-17]采用理論計(jì)算和試驗(yàn)研究的方式,探明了ISFD可以較好地控制齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)(由嚙合激勵(lì)和軸系故障引起的)。DONG Huai-yu等人[18]采用試驗(yàn)的方式,研究了齒輪軸系安裝中心距存在誤差情況時(shí),基于ISFD的齒輪軸系減振效果。

總體而言,以上研究中的ISFD均是基于滾動(dòng)軸承進(jìn)行設(shè)計(jì)的,且試驗(yàn)臺(tái)規(guī)模較小,試驗(yàn)條件相對(duì)較為理想;而現(xiàn)在很多設(shè)備由于高轉(zhuǎn)速和大功率的需要,設(shè)計(jì)時(shí)往往是基于滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)的,因而由不平衡故障引起的振動(dòng)是影響這些設(shè)備安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

筆者以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)一種安裝有滑動(dòng)軸承的ISFD阻尼支承;對(duì)ISFD的減振機(jī)理進(jìn)行介紹,并對(duì)ISFD阻尼支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì);運(yùn)用有限元方法,對(duì)該支承結(jié)構(gòu)中ISFD彈性體的徑向剛度特性進(jìn)行研究。

為探究該阻尼支承對(duì)滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡故障振動(dòng)的抑制效果,筆者搭建單盤對(duì)稱轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái),在轉(zhuǎn)子上模擬不平衡故障;對(duì)比剛性支承和ISFD阻尼支承兩種支承下轉(zhuǎn)子的振動(dòng),研究該阻尼支承結(jié)構(gòu)對(duì)滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡振動(dòng)的控制效果,以期為ISFD的實(shí)際工程應(yīng)用提供借鑒。

1 ISFD阻尼支承設(shè)計(jì)

1.1 ISFD減振機(jī)理分析

ISFD是一種被動(dòng)減振裝置。它主要包括ISFD彈性體和位于其兩側(cè)的擋油板。

ISFD彈性體基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ISFD彈性體基本結(jié)構(gòu)

圖1中,ISFD彈性體由內(nèi)、外邊緣組成,內(nèi)、外邊緣之間是環(huán)向布置的S形彈簧和被S形彈簧隔斷的擠壓油膜區(qū)域。ISFD彈性體的外邊緣與軸承座配合安裝,內(nèi)邊緣安裝軸承。潤(rùn)滑油進(jìn)入擠壓油膜區(qū)域,然后由彈性體與兩側(cè)擋油板之間的縫隙流出[19]。環(huán)向布置的S形彈簧可以降低支承的徑向剛度,用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。

ISFD的能量耗散機(jī)理為:

轉(zhuǎn)子運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的徑向振動(dòng),通過(guò)軸承作用在ISFD彈性體上,擠壓油膜產(chǎn)生流動(dòng);同時(shí),在潤(rùn)滑油流出彈性體與兩側(cè)擋油板之間的縫隙會(huì)產(chǎn)生憋壓,即油膜流動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生黏性阻尼力和活塞效應(yīng)阻尼力,以此耗散轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)能量。

此外,ISFD中分割的油膜結(jié)構(gòu),使得潤(rùn)滑油不會(huì)沿著環(huán)向流動(dòng),只能軸向流動(dòng)。因此,相比于傳統(tǒng)SFD,這種隔斷油膜結(jié)構(gòu)將大大減小轉(zhuǎn)子的非線性油膜力(大渦動(dòng)工況下),從而提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2 ISFD阻尼支承結(jié)構(gòu)安裝

筆者以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的轉(zhuǎn)子軸承支承為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了適配的ISFD阻尼支承。

ISFD阻尼支承具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ISFD阻尼支承

ISFD阻尼支承主要由ISFD彈性體和2個(gè)擋油板組成。ISFD彈性體上設(shè)計(jì)有油槽,用于儲(chǔ)存潤(rùn)滑油。彈性體通過(guò)油槽兩側(cè)的環(huán)形臺(tái)階安裝于軸承座上,并使用螺釘固定擋油板和ISFD彈性體。

筆者設(shè)計(jì)的ISFD彈性體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 ISFD彈性體

在彈性體的內(nèi)環(huán)安裝有可傾瓦滑動(dòng)軸承。沿著彈性體環(huán)向,布置有8個(gè)S形彈簧,S形彈簧之間是擠壓油膜區(qū)域。

ISFD彈性體S形彈簧和擠壓油膜區(qū)域的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 ISFD彈性體S形彈簧和擠壓油膜區(qū)域結(jié)構(gòu)參數(shù)

筆者采用電火花線切割工藝加工S形彈簧和擠壓油膜區(qū)域。其中,S形彈簧可以降低軸承支承的徑向剛度,擠壓油膜區(qū)域的油膜阻尼可以提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的阻尼比,減小轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)。

沿著彈性體徑向,設(shè)計(jì)有8個(gè)進(jìn)油孔。其中,4個(gè)長(zhǎng)進(jìn)油孔為滑動(dòng)軸承和長(zhǎng)擠壓油膜提供潤(rùn)滑油,4個(gè)短進(jìn)油孔為短擠壓油膜提供潤(rùn)滑油。

轉(zhuǎn)子運(yùn)行過(guò)程中,潤(rùn)滑油通過(guò)軸承座上的進(jìn)油孔,以一定壓力進(jìn)入ISFD彈性體的環(huán)向油槽,其經(jīng)過(guò)8個(gè)進(jìn)油孔分別進(jìn)入擠壓油膜區(qū)域和滑動(dòng)軸承。進(jìn)入擠壓油膜的潤(rùn)滑油沿著彈性體向兩側(cè)軸向流動(dòng),從ISFD彈性體和擋油板之間的縫隙中流出。

1.3 ISFD彈性體徑向剛度特性

筆者運(yùn)用有限元分析軟件Workbench,對(duì)所設(shè)計(jì)的ISFD彈性體的徑向靜剛度進(jìn)行計(jì)算。

設(shè)置彈性體的材料為不銹鋼,其材料力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 ISFD彈性體材料力學(xué)參數(shù)

此處網(wǎng)格類型選擇四面體網(wǎng)格,采用自適應(yīng)劃分方法,設(shè)置單元尺寸為2 mm。

筆者建立的有限元模型如圖4所示。

圖4 ISFD彈性體有限元模型

邊界條件設(shè)置:將ISFD彈性體的環(huán)形外邊緣設(shè)置為固定約束,在彈性體內(nèi)環(huán)的徑向設(shè)置靜態(tài)載荷,計(jì)算彈性體對(duì)應(yīng)方向上的位移。

筆者在ISFD彈性體內(nèi)圈徑向施加3 000 N～7 000 N的靜載荷,通過(guò)計(jì)算得到彈性體的位移值,如表3所示。

表3 ISFD彈性體的靜位移

ISFD彈性體在3 000 N下的靜位移云圖如圖5所示。

圖5 ISFD彈性體在3 000 N下的靜位移云圖

根據(jù)表3中的載荷和位移數(shù)據(jù),筆者繪制彈性體靜載荷位移曲線,如圖6所示。

圖6 ISFD彈性體靜載荷位移曲線

由圖6可知:筆者設(shè)計(jì)的ISFD彈性體在較寬的載荷范圍內(nèi),其位移值與靜載荷呈線性關(guān)系,即表明ISFD彈性體具有優(yōu)良的線性剛度特性。

2 振動(dòng)抑制實(shí)驗(yàn)

2.1 兩種軸承支承結(jié)構(gòu)

為了研究設(shè)計(jì)的ISFD阻尼支承對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡故障振動(dòng)的抑制效果,筆者提出了一種參照支承結(jié)構(gòu),即剛性支承。

兩種軸承支承結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 兩種軸承支承結(jié)構(gòu)

筆者對(duì)比兩種軸承支承工況下轉(zhuǎn)子的振動(dòng)值,以研究ISFD對(duì)滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡故障振動(dòng)的抑制效果。

2.2 試驗(yàn)臺(tái)與參數(shù)設(shè)置

筆者在實(shí)驗(yàn)室搭建了單盤對(duì)稱轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái),如圖8所示。

圖8 單盤對(duì)稱轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)

該試驗(yàn)臺(tái)包括三相異步電動(dòng)機(jī)、柔性聯(lián)軸器、軸承支承、軸、轉(zhuǎn)盤和油泵。

其中,轉(zhuǎn)盤安裝于轉(zhuǎn)軸的中間位置。聯(lián)軸器采用捆扎式柔性聯(lián)軸器,變頻調(diào)速器用來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。油泵通過(guò)兩根進(jìn)油管分別給2個(gè)軸承座供給潤(rùn)滑油,為ISFD和滑動(dòng)軸承供油壓力為0.7 MPa,潤(rùn)滑油牌號(hào)為L(zhǎng)-TSA 32。

試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)如表4所示。

表4 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)

試驗(yàn)臺(tái)所用設(shè)備的型號(hào)如表5所示。

表5 試驗(yàn)用設(shè)備型號(hào)

滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)如表6所示。

表6 滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)參數(shù) (單位:mm)

試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)由LC-8000機(jī)械故障診斷系統(tǒng)、前置器、1個(gè)光電轉(zhuǎn)速傳感器和2個(gè)電渦流位移傳感器組成。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速靠光電傳感器進(jìn)行測(cè)量。

此外,筆者在轉(zhuǎn)子的水平和豎直方向分別設(shè)置一個(gè)電渦流傳感器,實(shí)現(xiàn)振動(dòng)位移測(cè)量。測(cè)量信號(hào)傳入前置器和LC-8000故障診斷系統(tǒng),用于顯示和分析。LC-8000的采樣點(diǎn)數(shù)為256,分析頻率為100 Hz。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在開(kāi)展試驗(yàn)前,筆者采用動(dòng)平衡儀對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)平衡處理,以盡量減少轉(zhuǎn)子本身的不平衡對(duì)其響應(yīng)的影響。

筆者在轉(zhuǎn)盤0°相位的螺栓孔上安裝一個(gè)質(zhì)量為27.4 g的螺栓,用來(lái)模擬轉(zhuǎn)子的不平衡故障。該螺栓孔到轉(zhuǎn)盤中心的距離為120 mm(即在轉(zhuǎn)盤上施加的不平衡量為3.29 kg·mm)。

3.1 不同轉(zhuǎn)速工況下轉(zhuǎn)子的振動(dòng)

筆者通過(guò)調(diào)節(jié)變頻調(diào)速器來(lái)改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。在試驗(yàn)過(guò)程中,設(shè)置轉(zhuǎn)速范圍為900 r/min～2 200 r/min,轉(zhuǎn)速每增加100 r/min,測(cè)量系統(tǒng)存儲(chǔ)1次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和振動(dòng)數(shù)據(jù)。

不同轉(zhuǎn)速工況下,轉(zhuǎn)子安裝剛性支承和ISFD阻尼支承時(shí),其在x和y方向的振動(dòng)、位移峰峰值如圖9所示。

由圖9的振動(dòng)數(shù)據(jù)曲線可知:在剛性支承工況下,隨著轉(zhuǎn)速的提高,轉(zhuǎn)子的振動(dòng)值呈現(xiàn)增大的趨勢(shì);安裝ISFD支承后,每個(gè)轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子的振動(dòng)值相比剛性支承工況時(shí)都有所降低。隨著轉(zhuǎn)速的提高,轉(zhuǎn)子振動(dòng)值所呈現(xiàn)的增大趨勢(shì)有所減緩。

以1 800 r/min轉(zhuǎn)速工況為例,剛性支承下,轉(zhuǎn)子在x和y方向的振動(dòng)峰峰值分別為87.06 μm和79.38 μm;改裝ISFD阻尼支承后,轉(zhuǎn)子在x和y方向的振動(dòng)峰峰值分別為53.6 μm和40.2 μm,振動(dòng)降幅分別為38.4%和49.4%。

這表明,ISFD阻尼支承可以較好地抑制不同轉(zhuǎn)速工況下滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡振動(dòng)。

3.2 頻域分析

為了更加深入地研究ISFD阻尼支承對(duì)不平衡轉(zhuǎn)子的減振特性,筆者提取了1 600 r/min轉(zhuǎn)速工況下轉(zhuǎn)子振動(dòng)的時(shí)域和頻域波形。

在1 600 r/min轉(zhuǎn)速工況下,轉(zhuǎn)子振動(dòng)的時(shí)域波形如圖10所示。

圖10 轉(zhuǎn)子振動(dòng)時(shí)域波形(1 600 r/min)

在1 600 r/min轉(zhuǎn)速工況下,轉(zhuǎn)子振動(dòng)的頻域波形如圖11所示。

圖11 轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻域波形(1 600 r/min)

從圖10的時(shí)域波形可知:相比剛性支承,ISFD阻尼支承下的轉(zhuǎn)子振幅有明顯的衰減。

由圖11的頻域波形可知:由于設(shè)置了不平衡故障,轉(zhuǎn)子在27 Hz(工頻1X)位置的振幅較大。此外,圖11中出現(xiàn)了2X、3X諧頻成分,表明由于試驗(yàn)臺(tái)制造和安裝的誤差,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中存在一定的不對(duì)中和碰磨故障。

此處筆者只研究不平衡故障對(duì)應(yīng)的1X頻率振動(dòng)成分。

1 600 r/min工況下,兩種支承下的1X頻率振動(dòng)幅值如表7所示。

表7 1 600 r/min工況兩種支承下1X頻率處的幅值

由表7可知:ISFD阻尼支承可以有效抑制滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡故障導(dǎo)致的工頻振動(dòng),且其減振的效果良好。

此外,由圖11也可看出:ISFD阻尼支承可使轉(zhuǎn)子因不對(duì)中和碰磨故障產(chǎn)生的振動(dòng)有所降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了研究ISFD對(duì)滑動(dòng)軸承支承的轉(zhuǎn)子因不平衡故障產(chǎn)生的振動(dòng)抑制效果,筆者根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái),設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的ISFD阻尼支承結(jié)構(gòu);運(yùn)用有限元方法,分析了ISFD彈性體的徑向剛度特性;搭建了單跨對(duì)稱轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái),研究了該ISFD阻尼支承對(duì)轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)的控制效果。

研究結(jié)果如下:

1)所設(shè)計(jì)的ISFD彈性體,其在較寬的載荷范圍內(nèi)的位移值與靜載荷呈線性關(guān)系,具有優(yōu)良的線性剛度特性;

2)ISFD具有優(yōu)良的阻尼特性,可以較好地抑制不同轉(zhuǎn)速工況下滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡振動(dòng);其中在1 800 r/min工況下,轉(zhuǎn)子在x和y方向的振動(dòng)降幅分別為38.4%和49.4%;

3)ISFD可以有效抑制滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡故障導(dǎo)致的工頻振動(dòng),且減振效果良好;其中在1 600 r/min工況下,轉(zhuǎn)子在x和y方向的工頻振動(dòng)降幅分別為19.5%和29.4%。

上述研究成果可以為ISFD在滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中的實(shí)際工程應(yīng)用提供借鑒,具有較好的應(yīng)用前景。筆者后續(xù)將研究ISFD對(duì)其他結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)子的振動(dòng)抑制效果,比如,單盤懸臂轉(zhuǎn)子、兩盤懸臂轉(zhuǎn)子等。