磁流變阻尼器抑制轉子系統振動試驗*

何立東， 王 锎， 黃秀金

(北京化工大學化工安全教育部工程研究中心 北京, 100029)

?

磁流變阻尼器抑制轉子系統振動試驗*

何立東， 王 锎， 黃秀金

(北京化工大學化工安全教育部工程研究中心 北京, 100029)

針對大型旋轉機械通過臨界轉速時振動過大及運行中故障頻發等問題，搭建轉子試驗臺，模擬啟停機過程和碰摩、不對中故障。不改變原有支撐形式，安裝自主設計的磁流變阻尼器，在不停機的情況下，試驗研究阻尼器抑制轉子通過臨界轉速時振動過大及各類故障振動。試驗結果表明，阻尼器可以有效抑制轉子系統臨界轉速附近的振動，降幅在60%以上；轉子發生碰摩或不對中故障時，阻尼器可以降低其高倍頻振動。

磁流變阻尼器； 阻尼減振； 不平衡； 碰摩； 不對中

引 言

目前，能源、石化等領域的大型旋轉設備普遍存在故障率高、無法長周期安全運行等問題。解決故障的傳統方法是停機進行維修，但頻繁停機導致生產中斷，經濟損失嚴重。常見的故障主要有質量不平衡、碰摩、不對中等。其中，由于質量不平衡使轉子無法安全通過臨界轉速[1]的問題在工程中十分常見。

磁流變液[2]是一種智能材料，基于磁流變液的阻尼器是性能優良的半主動控制裝置，響應快、動態范圍大，既有一定的被動控制能力，又可以實現主動控制，在汽車減振[3-5]、橋梁拉索減振[4]及樓房建筑減振等方面應用廣泛。而這種智能材料能否解決轉子系統振動問題也引起廣泛關注，汪建曉等[6-8]在這方面做了大量的研究，將一種剪切式磁流變阻尼器作為轉子系統的支撐，研究對轉子系統剛度和阻尼的影響，發現阻尼器可以大幅改變系統剛度，增大轉子臨界轉速，從而降低了原來臨界轉速附近振動。

筆者設計了一種應用于轉子系統的磁流變阻尼器，并搭建磁流變阻尼轉子試驗臺。在不停機的情況下，研究阻尼器抑制轉子臨界轉速附近振動和轉子碰摩及不對中等各類故障振動。

1 磁流變阻尼器的結構與特性

磁流變阻尼器的工作原理是利用磁流變效應[2]，即磁流變液在無磁場的條件下呈現出低粘度的牛頓流體特性，而在強磁場的作用下，呈現出高粘度低流動性的流體特性。

磁流變阻尼器結構如圖1所示，由軸承、阻尼片、磁流變液、鐵芯和線圈組成。阻尼片上下交叉排列，分別與軸承和底板固定，阻尼片間有一定間隙，因轉軸振動而產生相對運動，鐵芯與試驗臺固定。

圖1 磁流變阻尼器結構Fig.1 Structure of damper

1.1 磁場強度計算

磁場磁路如圖1所示，忽略漏磁，由磁路基本定律，可得

H1L1+H2L2=NI

(1)

其中：H1,H2分別為鐵芯和磁流變液中的磁場強度；L1,L2分別為鐵芯磁路和磁流變液磁路的長度；N,I分別為線圈匝數和電流。

由于磁路各截面通過的磁通量相等，可得

B1A1=B2A2

(2)

其中：B1,B2分別為鐵芯和磁流變液的磁感應強度;A1,A2分別為鐵芯和磁流變液有效面積。

由于A1近似等于A2，所以磁感應強度B1近似等于B2。磁感應強度相同時，磁流變液中磁場強度H2約為鐵芯磁場強度H1的1 000倍以上，所以式(1)中第1項可以忽略不計，可得

H2=NI/L2

(3)

電流與磁場強度對應關系如表1所示。

表1 電流與磁場強度對應關系

Tab.1 Correspondence between the current and the magnetic field strength

電流/A磁場強度/(kA·m-1)磁感應強度/T電流/A磁場強度/(kA·m-1)磁感應強度/T0.5300.2401.5900.5681.0600.4402.01200.665

1.2 阻尼力計算

選用Bingham模型[9-10]來描述阻尼器的力學模型，阻尼力Fm(I,t)為

Fm(I,t)=Sηu(t)/h+Sτy(I)

(4)

其中：S為磁效面積;η為磁流變液粘度;I為電流；u(t)為剪切速率；h為阻尼片間隙;τy為磁流變液屈服應力。

式(4)表明了阻尼力與電流之間的關系。

2 試驗結果與討論

2.1 試驗臺參數

試驗臺轉子為經典的Jeffcott轉子，支撐軸承為兩個圓柱滑動軸承；轉子由直流電機驅動，可以實現無級調速；轉軸直徑為10 mm，轉軸跨度為460 mm；轉盤直徑為75 mm，寬度為15 mm。

2.2 磁流變阻尼器抑制轉子不平衡振動試驗

針對由于質量不平衡使機組無法安全通過臨界轉速的問題，目前常用的解決辦法是停機進行現場動平衡或者檢修。在不停機的情況下，研究阻尼器抑制轉子臨界轉速附近振動的效果，如圖2所示。

圖2 轉子不平衡試驗臺Fig. 2 Rotor bench of unbalance

由于轉子一階臨界轉速在2 800 r/min左右，所以選擇測量轉速為0～4 000 r/min。分別測得轉子在阻尼器電流為0(無阻尼), 0.66, 1.00和1.50 A下的振動數據，如圖3所示。

圖3 不同電流下的振動幅值對比Fig.3 Comparison of vibration amplitude at different current

可以看出：在轉速2 800 r/min處，圖3(a)中電流從0.66 A增加到1.50 A，振幅由539 μm降到326 μm，降幅由40.1%增加到63.8%；圖3(b)中電流從0.66 A增加到1.50 A，振幅由196 μm下降到87 μm，降幅由79.0%增加到90.2%；電流從0 A增加到1.5 A，臨界轉速由2 800 r/min增加到3 000 r/min左右，阻尼器小幅增大系統臨界轉速；由于阻尼器產生剛度及阻尼不均勻，x,y方向減振效果有一定差別。結果表明，阻尼器可以抑制轉子臨界轉速附近的振動，在不停機的情況下，通過改變阻尼器電流可以控制轉子振動。

2.3 磁流變阻尼器抑制轉子碰摩振動試驗

旋轉機械工作時，轉子有時會與定子發生碰摩，往往要停機檢修[11]。在不停機的情況下，筆者研究磁流變阻尼器抑制轉子碰摩振動效果，試驗臺如圖4所示。

圖4 轉子碰摩試驗臺Fig. 4 Rotor bench of rub

在轉盤右側安裝碰摩裝置，轉子在2 100 r/min時發生較為明顯的碰摩。分別測得轉子在阻尼器電流為0 A和2.0 A下的振動數據。轉速2 100 r/min下，頻譜數據對比如圖5所示，軸心軌跡數據對比如圖6所示。

綜合圖5和圖6中工況0 A數據可以看出：轉子振動二倍頻及多倍頻突出，二倍頻振幅達27.2 μm，軸心軌跡不規則，轉子發生碰摩。

對比圖5和圖6中工況0 A與工況2.0 A數據可以看出：阻尼器通入2.0 A電流后，轉子二倍頻振幅由27.2 μm降為8.5 μm，降幅達69%，其他多倍頻成分明顯減小，其軸心軌跡變為規則的橢圓；同時轉頻成分的振動由52.1 μm增加到57.7 μm，增幅約10%。結果表明，阻尼器可以降低碰摩引起的二倍頻及多倍頻振動；由于阻尼器性能不足等原因，部分能量未能耗散而發生轉移，轉頻振動小幅增加。

圖5 轉速2 100 r/min下頻譜數據對比Fig.5 Comparison of spectrum diagram at 2 100 r/min

圖6 轉速2 100 r/min下軸心軌跡數據對比Fig.6 Comparison of orbit at 2 100 r/min

2.4 磁流變阻尼器抑制轉子不對中振動試驗

汽輪機和煙氣透平等旋轉機械一般在冷態完成軸系對中，在運行中由于溫度升高等原因產生不對中故障，往往需要停機檢修。在不停機的情況下，筆者研究磁流變阻尼器抑制轉子不對中振動。

將靠近電機側軸承座墊起一定高度(0.8 mm)，轉子在1 500 r/min時不對中現象明顯；分別測得轉子在阻尼器電流為0 A和2.0 A下的振動數據。在轉速1 500 r/min下，時域數據對比如圖7所示，頻譜數據對比如圖8所示，軸心軌跡數據對比如圖9所示。

圖7 轉速1 500 r/min下時域數據對比Fig.7 Comparison of time domain at 1 500 r/min

圖8 轉速1 500 r/min下頻譜數據對比Fig.8 Comparison of spectrum diagram at 1 500 r/min

圖9 轉速1 500 r/min下軸心軌跡數據對比Fig.9 Comparison of orbit at 1 500 r/min

綜合圖7～圖9中工況0 A數據可以看出：轉子二倍頻振幅達到50 μm，軸心軌跡為“8字形”，轉子呈典型不對中故障現象。

對比圖7～圖9中工況0 A與工況2.0A數據可以看出：當阻尼器通入電流，轉子二倍頻振幅由50 μm下降到5.5 μm，降幅達90%；同時轉頻成分的振動由61.2 μm增加到67.1 μm，增幅約10%；“8字形”軸心軌跡變為較為規則的橢圓形狀。結果表明，阻尼器可以有效降低不對中引起的二倍頻振動；由于阻尼器性能不足等原因，部分能量未能耗散而是發生轉移，轉頻振動小幅增加。

3 結束語

筆者搭建轉子試驗臺，在不改變原有支撐形式的情況下，在轉子上安裝磁流變阻尼器，研究阻尼器抑制轉子系統振動的規律。試驗結果表明，磁流變阻尼器可以在不停機的情況下，有效降低轉子系統臨界轉速附近的振動，抑制轉子不平衡振動；消減由碰摩引起的二倍頻及多倍頻成分振動，抑制碰摩故障；消減不對中引起的二倍頻成分振動，抑制不對中故障。

[1] 孟光．轉子動力學研究的回顧與展望[J]．振動工程學報，2002， 15(1)： 1-9．

Meng Guang．Review and prospect of rotor dynamics[J].Journal of Vibration Engineering，2002，15(1)： 1-9．(in Chinese)

[2] Rabinow J.The magnetic fluid clutch[J].Electrical Engineering, 1948, 67(12): 1167.

[3] 廖昌榮，余淼，陳偉民,等．汽車磁流變減振器設計原理與實驗測試[J]．中國機械工程，2002， 13(16): 1391-1394．

Liao Changrong，Yu Miao，Chen Weimin，et al．Design theory and experimental test of a magnetorheological fluid shock absorber for automobile suspension systems[J]．China Mechanical Engineering， 2002，13(16): 1391-1394．(in Chinese)

[4] 王修勇，陳政清，高贊明，等．磁流變阻尼器對斜拉索振動控制研究[J]．工程力學，2002，19(6): 22-28,48．

Wang Xiuyong，Chen Zhengqing，Gao Zanming，et al．Study of mitigating vibration on stay cables using magneto-rheological damper[J]．Engineering Mechanics，2002， 19(6)：22-28,48．(in Chinese)

[5] 周云，譚平．磁流變阻尼控制理論與技術[M]．北京：科學出版社，2007: 1-10．

[6] 汪建曉，孟光．磁流變液阻尼器在轉子振動控制中的應用[J]．化學物理學報，2001， 14(5): 548-554．

Wang Jianxiao，Meng Guang．Application of magnetorheological fluid damper in rotor vibration control[J]．Chinese Journal of Chemical Physics，2001， 14(5): 548-554．(in Chinese)

[7] 汪建曉，孟光．磁流變液阻尼器用于轉子振動控制的實驗研究[J]．華中科技大學學報，2001， 29(7): 47-49．

Wang Jianxiao，Meng Guang．Vibration control of rotor by magneto-rheological fluid damper[J]．Journal of Huazhong University of Science and Technology，2001， 29(7): 47-49．(in Chinese)

[8] 汪建曉，孟光．磁流變液阻尼器用于振動控制的理論及實驗研究[J]．振動與沖擊，2001，20(2): 41-47,95．

Wang Jianxiao，Meng Guang.Theoretical and experimental study on the vibration control by magnetorheological fluid dampers[J]．Journal of Vibration and Shock，2001， 20(2): 41-47，95．(in Chinese)

[9] Carlson J D， Catanzarite D M，Clair K A.Commercial magnetorheo- logical fluid devices[J]．International Journal of Modern Physics B， 1996， 10(23-24): 2857-2865．

[10]Milecki A．Investigation and control of magneto-rheological fluid dampers[J]．International Journal of Machine Tools & Manufacture， 2001， 41(3): 379-391．

[11]劉耀宗，胡蔦慶．Jeffcott轉子碰摩故障試驗研究[J]．振動工程學報，2001， 14(1): 96-99．

Liu Yaozong，Hu Niaoqing．Some observations of rub-impact fault on Jeffcott rotor[J]．Journal of Vibration Engineering， 2001， 14(1): 96-99．(in Chinese)

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.05.007

*國家重點基礎研究發展計劃(“九七三”計劃)資助項目(2012CB026000)；教育部博士點基金資助項目(20110010110009)

2013-08-28；

2013-10-25

TH165+.3; TB535+.1

何立東，男，1963年2月生，研究員、博士生導師。主要研究方向為轉子自動平衡技術、高性能密封技術及故障診斷。曾發表《可控吸氣實時抑制葉頂密封氣流激振的研究》 (《振動、測試與診斷》2014年第34卷第2期)等論文。 E-mail：he63@263.net