高速離心機撓性軸系設計

趙穎濤，楚江鋒，嚴松

（西安捷盛電子技術有限責任公司,西安 710119）

引言

離心試驗機的的旋轉軸系采用剛性軸系，剛性軸心主要應用于低速、重載場合。在高速情況下，由于臨界轉速和旋轉的自對中現象（工作負載的質量幾何中心與主軸的回轉中心趨于重合），此時軸需要發生彎曲，軸承需要能夠產生徑向移動，但軸為剛性，軸承也為剛性，變形量都很小。此時軸和軸承都要產生很大的內力來抵消發生變形的力，如果軸承強度不夠或軸的強度不夠都會引發失穩，造成整個系統的崩潰。隨著軍工航天事業的不斷蓬勃發展，電子元器件的可靠性試驗要求加速度越來越高，生產任務由原來的產品抽檢篩選試驗變為整體全部試驗，對離心機性能和試驗效率提出了很大的要求，隨著要求不斷提高，剛性軸系離心機的設計已經遠遠不能滿足要求。總結剛性軸離心機的缺點有：振動噪聲很大、承載能力很差、容易發生軸承失穩和對工作轉盤的動平衡要求很高。基于以上原因，設計開發能夠高速穩定運行的軸系尤為重要。撓性軸系是一種工作在臨界轉速之上的軸系結構，其工作轉速高，設計合理的撓性軸承載能力和運行可靠性也大大提高。

1 撓性軸系的實施方式

撓性軸系統由彈性軸承座和細長軸部件組成，其結構如圖1撓性軸系統結構。彈性軸承座采用彈性體8與金屬材料嵌套結構，此結構的軸承座在徑向和軸向均有一定量的彈性位移，用于細長軸5的擺動支撐。

細長軸部件的主體為細長軸5，細長軸5為細長結構，自身強度高，剛度小，正好滿足了設計的需要，細長軸部件采用主軸上軸承7和張緊套6兩處固定支撐，底部與卸荷軸4通過連接套6連為一體，上端通過軸承與彈性軸承座固定。

2 撓性軸系運動分析

根據圖1建立撓性軸系的力學模型見圖2。系統X與Y 方向的總剛度可以表示為式（1）：

圖2中CV、CW表示主軸上下支承在X方向的剛度；

Cb、Ch表示主軸上下支承在Y方向的剛度。

建立設計的軸系運動微分方程：

式中：

M—轉子質量；

χ—軸系轉動慣量；

ε—軸系不平衡度。

從圖1可看出

根據已知條件求解得

式中：

Ω—軸系運動的轉速；

wx,wy—軸系在X和Y方向的一階臨界轉速。

由于轉子在X，Y方向各向同性，因此有：

整理軸心軌跡運動方程可得

分析式（6）的軸心運動軌跡方程知，在轉子角速度Ω一定的情況下，運動軌跡為一個圓心在軸心，半徑為的圓。通過式（6）繪制圖3振動幅值—角速度曲線，從圖3振動幅值—角速度曲線可以得出：

當0＜Ω＜wn時，軸系隨著角速度Ω的不斷增大，振動加劇；

當Ω=wn時，出現圓的半徑無窮大的情況，也就是系統軸系發生了共振；

當wn＜Ω＜∞時，軸系隨著角速度Ω的不斷增大，振動的半徑愈來愈趨近不平衡量ε。

圖1 撓性軸系結構圖

圖2 撓性軸系力學模型

3 試驗分析

試驗中需要分析：

a.軸心軌跡是不是一個標準的圓形；

b.軸心軌跡是不是按照圖3 中的曲線運動。

在圖1的撓性軸結構中加入用于檢測主軸擺動的擺動傳感器，擺動傳感器的檢測圖如圖4所示。

在X和Y方向分別安裝擺動位移傳感器。實驗時將探頭距離被測軸距離0.5 mm，將距離0.6～1 mm之間的距離劃分為20量級，相鄰的兩個量級中大量級比小量級大0.025 mm。檢測數據表見表1。

從表1中的X方向對應的距離和 Y方向對應的距離可以看出在相同的轉速條件下，在X方向和Y方向的振動偏移距離是一致的，這說明，軸心運動軌跡曲線是一個標準的圓形軌跡。

從表1中的各個轉速對應的偏移距離來看，系統的臨界轉速wn=2 820 r/min，此時振動量級最大，達到20，通過拆卸下來的傳感器發現，在傳感器的探測前端有明顯的擦痕，說明軸的擺動有可能要大于振動量級測量值20，為了使設備能夠安全的通過臨界轉速可以提高系統的升速時間，使其快速通過臨界轉速。

在軸系轉速處于0＜Ω＜2 820時，在65 r/min的轉速時，量級相對較大，然后隨著轉速升高，量級慢慢回落，再慢慢增大直到臨界轉速時達到17，在65 r/min時振動較大的原因可以歸結為系統啟動時轉盤的轉動慣量較大，出現軸的扭轉引起。為了減小離心機升速過程中共振現象對設備的損害，在設計升速中應該采取快速升速方法，快速通過共振轉速區。通過試驗監測發現軸心軌跡復合理論分析結果：

圖3 振動幅值—角速度曲線

在軸系轉速處于2 820＜Ω＜19 850時，振動量級從17快速回落到14、8最后固定在3，可以說明在這個階段的主軸的振動慢慢趨于不平衡量ε，出現自對中現象。與理論分析結果相同。

圖4 擺動傳感器檢測示意圖

表1 軸心軌跡振動量級表

4 結論

高速離心試驗機撓性軸系應用彈性軸承座和撓性軸，解決了轉子運動過程中的力和變形位移的補償問題。主軸的臨界轉速低，系統在此時快速通過臨界轉速對設備的安全和可靠性影響不大，在高速旋轉時，振動趨于自對中，噪聲很小，轉動很平穩，解決了以往離心機振動大，噪聲大，轉子系統不穩定的弊端，推動了離心試驗機的整體向前發展。