固體、粉體激振力對離心機轉子振動的影響

常 穎 李 聰 于洪偉 劉英莉

（軍事科學院防化研究院）

旋轉機械設備轉子不平衡是轉子動力學常見的故障問題［1］。 由于加工精度或者機械設備運行磨損致使軸系產生不平衡質量，破壞了軸系結構的平衡精度，導致振動特性發生巨變，嚴重時會導致軸系失穩。 對于剛性轉子運動行為且工作轉速遠低于一階臨界轉速的工況，軸系不平衡激振力對軸系彎曲穩定性影響較小，其平衡研究主要是分析軸承支承位置的力和力矩的平衡問題［2～6］。軸系不平衡量引起的激振力作用行為致使軸系結構振動響應具有典型特征，該載荷激勵與其他諧波激振原因不同，它具有與轉速激勵頻率相同的頻率成分特征，并且不平衡動載荷激振力與轉速平方成正比。 但在旋轉機械設備中由于轉子質量分布或者支承結構特性不同，軸承等結構支承所受動載荷也存在著不對稱性，導致系統存在失穩因素［7～9］。離心機轉子動平衡技術的目的在于減小或消除轉子工頻諧波激振產生的軸系撓曲變形，同時降低軸承支承結構上的不平衡作用力和力矩，提高轉子運行工作過程中的系統穩定性［10，11］。

1 離心機軸系動平衡作用機理

本項目中離心機利用離心原理對小筒內粉體進行壓縮，提高表觀密度和裝量。 離心機轉子系統包括轉子主軸、轉盤、吊杯、小筒和筒內粉體。 由于小筒和筒內粉體屬于隨機匹配，轉子系統運行過程中存在動不平衡［12］。 另外，轉盤與轉子在裝配中采用插接過盈配合，離心機運行時振動幅值過大會導致轉盤從轉子端部跳出脫離的故障發生，造成安全事故。

軸系動平衡參數識別主要是指轉子轉動時產生的不平衡量（離心力和離心力偶）的位置和大小并加以消除。 不平衡量會引起轉子的橫向振動，并使轉子受到不必要的動載荷，該參數不利于轉子正常運轉，嚴重影響了軸系的運動穩定性［13，14］。

離心機由于結構比較特殊，而且裝入粉體時產生的不均勻性等因素會使軸系動平衡品質發生改變，從而影響軸系的運動穩定性。 軸系中所有造成不平衡量的因素都屬于隨機性質。 因此，通過重力試驗（靜平衡）和旋轉試驗（動平衡）來測定和校正，使之降低到允許的程度。 假定不平衡質量G存在于軸系離心半徑為r、圓周相對參考角度為α的位置，則所產生的離心力Fb為［13］：

式中 Ω——轉子旋轉角速度，rad/s。

通常為了分析方便，定義不平衡量為G和r的乘積，即：

則離心力Fb為：

可見，離心力Fb與不平衡量|U|存在著線性關系。

不平衡量是矢量，工程實際中通常表示為：

旋轉機械設備動平衡分為剛性動平衡和柔性動平衡。 剛性動平衡即轉子在旋轉過程中沒有明顯的彎曲變形行為，其動平衡模型受力分析如圖1所示。

圖1 剛性動平衡模型受力示意圖

轉子質量為M， 軸系不平衡量偏心距為ε，則軸系旋轉中離心力Fb為：

分析軸承的承載力可知，軸承支反力為：

根據牛頓第一定律可知：

即：

分析剛性轉子平衡技術可知，動不平衡主要是中心主慣性軸與轉子回轉軸線既不相交也不平行的不平衡狀態。 從不平衡量作用效果上可以簡化為一個靜不平衡量和一個力偶不平衡量共同作用的結果［15，16］。

為了排除轉子質量的影響，工程實際中使用不平衡量除以轉子質量表示軸系不平衡量偏心距，即：

式中 U——不平衡量，g·mm。

軸系中旋轉部件不平衡量分布函數如下：

采用矢量表達形式，則軸系平衡方程為：

式中 W——力偶不平衡量。

由式（12）、（13）可知，只有當n=2時，方程才有唯一解，即剛性轉子動平衡時僅有兩個校正面進行動平衡測試標定即可。

2 軸系動平衡試驗前期準備

離心機電機采用精密伺服電機， 定位精度在±0.1°范圍內， 確保每次停車后能回到原來位置。通過設置控制面板參數，在0～900r/min范圍內采集轉子系統的動態運動特性。 筆者研究的旋轉系統經測試屬于剛性轉子，因此僅考慮剛性動平衡參數的影響。

2.1 試驗儀器

試驗儀器主要包括［12］：

a. DASP智能信號采集處理分析系統、 振動測試傳感器等；

b. 一套INV3018C型8通道24位高精度采集分析儀，用于完成大容量數據示波采集與數據存儲；

c. DASP-V10旋轉機械測試分析、 模態測試等功能軟件模塊，用于離心機的實時監測，高效準確地完成軸心軌跡、時域、頻域、傳遞函數、模態參數分析及其他多種功能；

d. INV9821ICP型加速度傳感器1只， 測量動態范圍0～100g，測量頻帶范圍0.5～5 000Hz；

e. 電渦流位移傳感器4只， 測量動態范圍4mm，測量頻帶范圍0～4 000Hz，測試基準向、水平x、y向和垂直z向的振動位移。

2.2 軸系調試分析

考慮到軸系運動行為特點，對監測點進行了合理性分析：轉子作為軸系的主要激勵源，其運動行為和動態特性對軸系影響較大，并且軸承座位置是主要關鍵支撐位置，因此在軸承座上設置x、y、z3向振動位移量監測。

離心機轉子系統及其傳感器測試布置如圖2所示。

圖2 離心機轉子系統

對軸系進行動平衡測試，采用動平衡軟件模塊進行試驗。 首先拆除吊杯和小筒，只進行轉盤動平衡。 啟動離心機，通過采集轉子轉速和轉子位移振動響應，建立軸系影響系數，經過配置計算和配置分解，最終軸系經過動平衡測試，振動量降低了80%左右（圖3）；在900r/min工況下，徑向振幅在25μm附近，曲線平緩，振動控制在指標許可范圍內。

圖3 軸系動平衡測試結果

2.3 試驗工況

在軸承-轉子系統運行參數調試正常穩定的前提下，分別開展小筒不平衡量和粉體不平衡量振動對比試驗研究。 根據需要，配置了相應的小筒、粉體不平衡質量，開展兩種工況下不平衡狀態和初始平衡狀態下的轉子振動特性對比分析，具體內容如下：

a. 小筒不平衡質量對轉子系統運動特性的影響試驗，包括軸承-轉子系統動平衡狀態下的基礎振動特性測試以及基于固體不平衡激振力的轉子系統運行狀態下振動特性測試分析；

b. 粉體不平衡質量對軸承-轉子系統運動特性的影響試驗，包括軸承-轉子-小筒系統動平衡狀態下的振動特性測試分析以及基于粉體不平衡激振力的軸承-轉子-小筒系統不平衡響應測試分析。

離心機穩定性研究采取的試驗工況見表1。

表1 試驗工況

2.4 空載測試結果分析

轉子從開機逐步升到900r/min，在900r/min時運行2min后逐漸降速，升速和降速過程均勻。 x向和y向測試同一個平面上互相垂直的徑向振動，z向測試軸向振動。

為研究不平衡質量對轉子系統位移響應的影響， 對轉子同一位置處x、y、z3個相互垂直方向測得的位移信息特征進行分析，綜合評價不平衡質量對各轉速下轉子振動響應的影響。

轉盤對稱懸掛兩個重量相同的吊杯和小筒，空載狀態下啟動離心機運行測試分析x、y、z3向振動情況，所得結果如圖4所示。 由圖4可見，對稱懸掛一組吊杯和小筒且均等配重時，轉子不平衡響應曲線比較平緩，沒有出現較大幅度波動；x向最大振幅32μm；y向最大振幅33μm；z向運行不平穩，在運行開始階段振動較大，后逐漸趨于平穩，最大振幅121μm，最小振幅42μm。

圖4 空載荷軸系振動幅值曲線

3 軸系動平衡試驗研究

3.1 固體不平衡載荷對轉子系統的振動響應試驗

根據試驗設計，按照先后順序將小筒的不平衡量逐漸增加（2、4、6、8g），對徑向振動較大的x向進行數據分析，所得結果如圖5所示，振動數據統計分析結果見表2。

圖5 固體不平衡載荷水平x向振動特性

表2 固體載荷水平x向振動數據統計分析結果

從圖5和表2可以看出， 隨著在小筒上施加固體載荷值的不斷增大，x向振動幅值均呈現遞增趨勢。 在離心機啟動階段20s（轉速300r/min）附近出現局部峰值，之后運行過程中趨于平穩，在降速階段130s（轉速300r/min）附近出現了局部峰值，振動幅值總體相對較低，最大振幅小于70μm。

z向（軸向）振動特性如圖6所示，振動特征分析結果見表3。

圖6 固體載荷z向振動特性

表3 固體載荷z向振動數據統計分析結果

從圖6和表3可以看出，在小筒上加載不平衡固體載荷作用并產生一定的不平衡激振力，隨著轉速的提高z向振幅逐漸增大并出現多個峰值。其中在開機啟動階段有局部峰值，隨后趨于平穩并在500r/min附近出現振動位移峰-峰值最大振幅，總體上軸向不平衡響應遠大于徑向。 當載荷為6、8g時出現了振幅急劇增大現象，最大振幅為92.1μm。 如果振幅多次超過臨界值，則會對離心機軸系造成嚴重損害，導致轉軸出現扭曲甚至斷裂，從而發生安全事故。 同時由于轉盤與轉子連接方式為插接過盈配合，沒有固定約束，這種情況可能會導致離心機運行時出現轉盤從主軸頂部跳動脫離的故障現象。 可見轉子系統軸向穩定性較差， 應重點進行轉子和轉盤結構連接優化，并選擇合適型號的軸承約束來控制軸向振動位移。

3.2 粉體不平衡載荷對轉子系統的振動響應試驗

根據粉體壓縮試驗設計，在吊杯和小筒配重相同的情況下，按照先后順序將粉體配重不平衡量逐漸增加進行振動響應測試， 取徑向x向振動結果進行分析，測試結果如圖7所示，振動數據統計分析結果見表4。

圖7 粉體載荷x向振動特性

表4 粉體載荷x向振動數據統計分析結果

由粉體壓縮不平衡響應測試可知： 固體、粉體不平衡載荷相同的初值狀態下同一方向的振動幅值比較接近。 粉體載荷激起的振動幅值稍低于固體載荷激起的振動幅值，這是因為粉體作為粘-彈性體更易吸收能量，降低振幅。 同時隨著離心壓縮不斷排出大量氣體，使得載荷差值也逐漸減小，激起的振動響應逐漸降低。 固體和粉體兩種激振力條件下的不平衡響應試驗結果表明，軸向振幅均明顯高于徑向振幅， 在500r/min附近出現區域共振峰值，該峰值的出現對粉體壓縮效果具有一定影響，通過工業CT技術對產品進行線陣掃描，然后數字成像檢測粉體密度梯度呈現局部集中和不均勻性，在離心機使用中應快速通過或極力避免在該轉速下長時間運行。

4 結論

4.1 通過對不平衡量產生機理、作用形式和平衡技術的分析，研究了軸系動平衡控制技術。 對離心機轉子進行穩定性試驗測試，結果表明：在加載不平衡固體載荷時，隨著轉速的提高，軸向振幅逐漸增大并出現多個峰值。 其中在啟動階段有局部峰值， 隨后趨于平穩并在500r/min附近出現振動位移峰-峰值， 總體上軸向不平衡響應遠大于徑向，在加載6、8g不平衡量時出現了振幅急劇增大的現象。

4.2 經過對粉體壓縮不平衡狀態的試驗測試可知： 當粉體與固體不平衡載荷初值狀態相同時，同一方向的振動幅值比較接近，即兩者對系統的動不平衡影響基本等效。 但粉體不平衡載荷激起的振動幅值要略低于固體不平衡載荷振動幅值，這是因為粉體本身具有耗能特性，可以吸收一定的振動能量，降低振幅。 固體和粉體兩種不平衡激振力條件下的振動響應結果均表現出軸向振幅明顯高于徑向振幅的特點， 特別是在500r/min附近出現區域共振峰值。

4.3 試驗測試結果表明，離心轉子系統的軸向穩定性是研究和控制的重點，主要進行轉子和轉盤結構優化、改變連接配合方式，選擇合適型號的軸承配置來約束軸向振動位移，調整轉子質心的位置使之位于回轉軸線上，以滿足工程實際穩定性標準。 本試驗研究結果對未來新型離心粉體壓縮機研制、結構優化和粉體壓縮產品質量控制具有一定的指導意義。