空氣分離機(jī)多跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性

韓彥龍

(承德石油高等專科學(xué)校 機(jī)械工程系， 河北 承德 067000)

如今旋轉(zhuǎn)機(jī)械向大型化、多跨、高速方向發(fā)展，大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生故障帶來(lái)的損失也日益慘重[1-3]。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的分析，預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)強(qiáng)度薄弱區(qū)域和振動(dòng)劇烈部位，進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)或加強(qiáng)支撐，提高強(qiáng)度，可以有效提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性能，降低轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障率[4,5]。

1 多跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

以某空氣分離機(jī)多跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為研究對(duì)象，如圖1所示，借助有限元分析軟件ANSYS對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析及動(dòng)力學(xué)參數(shù)匹配，研究結(jié)論為改良結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性和故障診斷提供理論依據(jù)。

Pro/E建立多跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型，搭建Pro/E與有限元分析軟件ANSYS之間數(shù)據(jù)無(wú)縫聯(lián)接，可有效彌補(bǔ)有限元軟件建模功能的不足[6]，建立轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型如圖2所示。選用solid95單元將轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實(shí)體模型劃分為有限元模型，彈性模量設(shè)置為2.1×105MPa，泊松比0.3，密度7 800 kg/m3。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)選用承載能力強(qiáng)的滑動(dòng)軸承為支撐，用COMBIN214單元模擬軸承支撐。

1.1 多跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模態(tài)分析

BlockLanczos法提取多跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)前6階固有頻率和振型圖，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)前6階振動(dòng)固有頻率如表1所示。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速為4 300 r/min，恰處于第二階和第三階臨界轉(zhuǎn)速中間位置，有效地避開了各階臨界轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)工作時(shí)不會(huì)因共振而劇烈振動(dòng)或毀壞。

多跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)各階振型如圖3所示，其中第二、三階振型中，中壓缸和汽輪機(jī)連接處、汽輪機(jī)和增壓機(jī)連接處振動(dòng)幅度最大，需加強(qiáng)這兩薄弱區(qū)域的連接可靠性，同時(shí)也是故障診斷應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域?？諝夥蛛x機(jī)啟動(dòng)過(guò)程跨越第一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)會(huì)振動(dòng)劇烈，應(yīng)迅速跨越該轉(zhuǎn)速并重點(diǎn)關(guān)注增壓機(jī)軸段強(qiáng)度。

表1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)前6階振動(dòng)固有頻率

1.2 多跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡響應(yīng)分析

多跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)受軸承油膜力、轉(zhuǎn)子不平衡不對(duì)中等作用導(dǎo)致正常工作時(shí)出現(xiàn)動(dòng)不平衡，可能會(huì)誘發(fā)系統(tǒng)故障。在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，采用模態(tài)疊加法進(jìn)行不平衡響應(yīng)分析，ANSYS諧響應(yīng)分析獲取各標(biāo)記節(jié)點(diǎn)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，多跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)系各軸段節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)如表2示。

諧響應(yīng)分析得到各節(jié)點(diǎn)施加激勵(lì)后幅頻響應(yīng)曲線如圖4示。

由幅頻響應(yīng)曲線可知，各節(jié)點(diǎn)均有振幅極值，各極值對(duì)應(yīng)頻率值分別為708 Hz、88 Hz、49 Hz、43 Hz。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)工作頻率為72 Hz，故應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注節(jié)點(diǎn)b振動(dòng)。b節(jié)點(diǎn)振幅極值由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)第三階共振時(shí)汽輪機(jī)共振引起，設(shè)備維護(hù)及故障診斷中需重點(diǎn)關(guān)注汽輪機(jī)軸段強(qiáng)度。

2 多跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)匹配

動(dòng)力學(xué)參數(shù)匹配旨在結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)階段優(yōu)化臨界轉(zhuǎn)速及振型，改善結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。通過(guò)概念設(shè)計(jì)階段動(dòng)力學(xué)參數(shù)優(yōu)化，使得所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)各階臨界轉(zhuǎn)速及振型與目標(biāo)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)各階臨界轉(zhuǎn)速與振型精確匹配[7]。多跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)各軸段直徑隨迭代次數(shù)增加而逐漸趨于恒定，如圖5所示。當(dāng)直徑取該恒定值時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速和振型精確匹配。動(dòng)力學(xué)匹配技術(shù)對(duì)概念設(shè)計(jì)具有技術(shù)指導(dǎo)的作用。

3 結(jié)論

以某空氣分離機(jī)低壓缸、中壓缸、汽輪機(jī)、齒式增壓機(jī)構(gòu)成的多跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為分析對(duì)象，分析了多跨轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)特性并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)匹配，得到以下結(jié)論。

1)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速介于第二、三階臨界轉(zhuǎn)速中間，有效避開了各階臨界轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)正常工作時(shí)不會(huì)因共振而劇烈振動(dòng)或毀壞；

表2 多跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)系各軸段節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)

2)空氣分離機(jī)啟動(dòng)時(shí)需要跨越第一階臨界轉(zhuǎn)速，會(huì)引起增壓機(jī)軸段振動(dòng)劇烈，需加強(qiáng)增壓機(jī)軸段支撐的可靠性；

3)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)第三階共振引起汽輪機(jī)振動(dòng)劇烈，設(shè)備維護(hù)及故障診斷中需重點(diǎn)關(guān)注汽輪機(jī)軸段強(qiáng)度；

4)運(yùn)用動(dòng)力學(xué)參數(shù)匹配技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)各階臨界轉(zhuǎn)速及振型與目標(biāo)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)各階臨界轉(zhuǎn)速及振型的精確匹配，使設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具備良好的動(dòng)力學(xué)性能。