基于ISFD的滑動軸承轉子系統不平衡振動抑制研究*

路凱華,耿斌斌,何立東,陳 釗,王五四,張嘉洋

(1.北京航天動力研究所,北京 100076;2.北京化工大學 機電工程學院,北京 100029)

0 引 言

如今,液體火箭發動機渦輪泵、燃氣輪機、汽輪發電機組和壓縮機等旋轉設備正朝著高轉速、大功率、高效率、高精度等方向發展,苛刻的工作環境致使設備轉子的同步振動響應較大,也使次同步振動易失穩問題愈發嚴重。

在我國“兩機專項”中,燃氣輪機轉子結構動力學設計和振動控制技術被列為重點研究項目;而我國某型號液體火箭發動機也將歷次熱試車中渦輪泵轉子的同步和次同步振動作為重點考察對象。這說明轉子系統的振動響應是影響設備安全可靠和高效運行的關鍵因素。

在轉子的振動故障中,不平衡故障是最常見的故障之一[1]。在現實生產工作中,設備交付出廠時,都會對轉子進行動平衡處理,以確保其穩定運轉。如果工作過程中出現了嚴重的不平衡振動,一般的處理方法是讓設備停車,對其進行動平衡處理。這種處理方式不但費時費力,也會影響企業的生產效率和經濟效益[2]。對于液體火箭發動機和航空發動機等設備而言,在其出現不平衡振動時,無法使其停車以進行動平衡處理,一般要在轉子系統中采取振動控制措施(如鼠籠式擠壓油膜阻尼器、金屬橡膠阻尼器等),進行振動抑制。

整體式擠壓油膜阻尼器(ISFD)的油膜阻尼可以大大提高轉子系統阻尼比。國外的研究及工程應用結果表明,ISFD可以有效抑制轉子的同步振動響應,解決次同步振動失穩問題[3-6]。和傳統的擠壓油膜阻尼器(squeeze film damper,SFD)相比,ISFD具有獨特的結構形式。它采用電火花線切割加工技術,將彈性支承結構和擠壓油膜結構集成于一體,具有結構簡單、便于拆卸安裝等優點,因而在工程應用方面的前景較好。

國內對ISFD的研究目前尚處于實驗室試驗階段。黃文超[7]采用試驗的方式,研究了ISFD對單跨和多跨轉子過臨界振動的控制效果,結果表明,ISFD可以有效控制單跨和多跨轉子的過臨界振動。余棟棟等人[8-9]開展了ISFD對轉子不對中振動的抑制試驗研究,結果表明,ISFD可以較好地降低轉子的不對中故障振動。萬方騰等人[10]以雙盤懸臂轉子為研究對象,研究了ISFD進油方式對減振效果的影響。閆偉等人[11]將ISFD用于抑制密封-轉子系統的流體激振,試驗結果表明,基于ISFD的轉子系統減振效果良好。LI Geng等人[12]運用CFD方法,對ISFD的阻尼系數進行了計算。路凱華等人[13-17]采用理論計算和試驗研究的方式,探明了ISFD可以較好地控制齒輪傳動系統的振動(由嚙合激勵和軸系故障引起的)。DONG Huai-yu等人[18]采用試驗的方式,研究了齒輪軸系安裝中心距存在誤差情況時,基于ISFD的齒輪軸系減振效果。

總體而言,以上研究中的ISFD均是基于滾動軸承進行設計的,且試驗臺規模較小,試驗條件相對較為理想;而現在很多設備由于高轉速和大功率的需要,設計時往往是基于滑動軸承設計的,因而由不平衡故障引起的振動是影響這些設備安全運行的關鍵因素。

筆者以實驗室現有的轉子試驗臺為基礎,設計一種安裝有滑動軸承的ISFD阻尼支承;對ISFD的減振機理進行介紹,并對ISFD阻尼支承結構進行設計;運用有限元方法,對該支承結構中ISFD彈性體的徑向剛度特性進行研究。

為探究該阻尼支承對滑動軸承轉子系統不平衡故障振動的抑制效果,筆者搭建單盤對稱轉子試驗臺,在轉子上模擬不平衡故障;對比剛性支承和ISFD阻尼支承兩種支承下轉子的振動,研究該阻尼支承結構對滑動軸承轉子系統不平衡振動的控制效果,以期為ISFD的實際工程應用提供借鑒。

1 ISFD阻尼支承設計

1.1 ISFD減振機理分析

ISFD是一種被動減振裝置。它主要包括ISFD彈性體和位于其兩側的擋油板。

ISFD彈性體基本結構如圖1所示。

圖1 ISFD彈性體基本結構

圖1中,ISFD彈性體由內、外邊緣組成,內、外邊緣之間是環向布置的S形彈簧和被S形彈簧隔斷的擠壓油膜區域。ISFD彈性體的外邊緣與軸承座配合安裝,內邊緣安裝軸承。潤滑油進入擠壓油膜區域,然后由彈性體與兩側擋油板之間的縫隙流出[19]。環向布置的S形彈簧可以降低支承的徑向剛度,用于調節轉子的臨界轉速。

ISFD的能量耗散機理為:

轉子運行過程中產生的徑向振動,通過軸承作用在ISFD彈性體上,擠壓油膜產生流動;同時,在潤滑油流出彈性體與兩側擋油板之間的縫隙會產生憋壓,即油膜流動過程中會產生黏性阻尼力和活塞效應阻尼力,以此耗散轉子系統的振動能量。

此外,ISFD中分割的油膜結構,使得潤滑油不會沿著環向流動,只能軸向流動。因此,相比于傳統SFD,這種隔斷油膜結構將大大減小轉子的非線性油膜力(大渦動工況下),從而提高轉子系統的穩定性。

1.2 ISFD阻尼支承結構安裝

筆者以實驗室現有的轉子軸承支承為基礎,設計了適配的ISFD阻尼支承。

ISFD阻尼支承具體結構如圖2所示。

圖2 ISFD阻尼支承

ISFD阻尼支承主要由ISFD彈性體和2個擋油板組成。ISFD彈性體上設計有油槽,用于儲存潤滑油。彈性體通過油槽兩側的環形臺階安裝于軸承座上,并使用螺釘固定擋油板和ISFD彈性體。

筆者設計的ISFD彈性體結構如圖3所示。

圖3 ISFD彈性體

在彈性體的內環安裝有可傾瓦滑動軸承。沿著彈性體環向,布置有8個S形彈簧,S形彈簧之間是擠壓油膜區域。

ISFD彈性體S形彈簧和擠壓油膜區域的具體結構參數如表1所示。

表1 ISFD彈性體S形彈簧和擠壓油膜區域結構參數

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

沿著彈性體徑向,設計有8個進油孔。其中,4個長進油孔為滑動軸承和長擠壓油膜提供潤滑油,4個短進油孔為短擠壓油膜提供潤滑油。

轉子運行過程中,潤滑油通過軸承座上的進油孔,以一定壓力進入ISFD彈性體的環向油槽,其經過8個進油孔分別進入擠壓油膜區域和滑動軸承。進入擠壓油膜的潤滑油沿著彈性體向兩側軸向流動,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

筆者運用有限元分析軟件Workbench,對所設計的ISFD彈性體的徑向靜剛度進行計算。

設置彈性體的材料為不銹鋼,其材料力學參數如表2所示。

表2 ISFD彈性體材料力學參數

此處網格類型選擇四面體網格,采用自適應劃分方法,設置單元尺寸為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

邊界條件設置:將ISFD彈性體的環形外邊緣設置為固定約束,在彈性體內環的徑向設置靜態載荷,計算彈性體對應方向上的位移。

筆者在ISFD彈性體內圈徑向施加3 000 N～7 000 N的靜載荷,通過計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

根據表3中的載荷和位移數據,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:筆者設計的ISFD彈性體在較寬的載荷范圍內,其位移值與靜載荷呈線性關系,即表明ISFD彈性體具有優良的線性剛度特性。

2 振動抑制實驗

2.1 兩種軸承支承結構

為了研究設計的ISFD阻尼支承對轉子不平衡故障振動的抑制效果,筆者提出了一種參照支承結構,即剛性支承。

兩種軸承支承結構如圖7所示。

圖7 兩種軸承支承結構

筆者對比兩種軸承支承工況下轉子的振動值,以研究ISFD對滑動軸承轉子系統不平衡故障振動的抑制效果。

2.2 試驗臺與參數設置

筆者在實驗室搭建了單盤對稱轉子試驗臺,如圖8所示。

圖8 單盤對稱轉子試驗臺

該試驗臺包括三相異步電動機、柔性聯軸器、軸承支承、軸、轉盤和油泵。

其中,轉盤安裝于轉軸的中間位置。聯軸器采用捆扎式柔性聯軸器,變頻調速器用來實現電機轉速的調節。油泵通過兩根進油管分別給2個軸承座供給潤滑油,為ISFD和滑動軸承供油壓力為0.7 MPa,潤滑油牌號為L-TSA 32。

試驗臺結構參數和材料參數如表4所示。

表4 試驗臺結構參數和材料參數

試驗臺所用設備的型號如表5所示。

表5 試驗用設備型號

滑動軸承結構參數如表6所示。

表6 滑動軸承結構參數 (單位:mm)

試驗臺測量系統由LC-8000機械故障診斷系統、前置器、1個光電轉速傳感器和2個電渦流位移傳感器組成。轉子的轉速靠光電傳感器進行測量。

此外,筆者在轉子的水平和豎直方向分別設置一個電渦流傳感器,實現振動位移測量。測量信號傳入前置器和LC-8000故障診斷系統,用于顯示和分析。LC-8000的采樣點數為256,分析頻率為100 Hz。

3 實驗結果與分析

在開展試驗前,筆者采用動平衡儀對轉子系統進行動平衡處理,以盡量減少轉子本身的不平衡對其響應的影響。

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

3.1 不同轉速工況下轉子的振動

筆者通過調節變頻調速器來改變轉子的轉速。在試驗過程中,設置轉速范圍為900 r/min～2 200 r/min,轉速每增加100 r/min,測量系統存儲1次轉子轉速和振動數據。

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

由圖9的振動數據曲線可知:在剛性支承工況下,隨著轉速的提高,轉子的振動值呈現增大的趨勢;安裝ISFD支承后,每個轉速下轉子的振動值相比剛性支承工況時都有所降低。隨著轉速的提高,轉子振動值所呈現的增大趨勢有所減緩。

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

這表明,ISFD阻尼支承可以較好地抑制不同轉速工況下滑動軸承轉子系統的不平衡振動。

3.2 頻域分析

為了更加深入地研究ISFD阻尼支承對不平衡轉子的減振特性,筆者提取了1 600 r/min轉速工況下轉子振動的時域和頻域波形。

在1 600 r/min轉速工況下,轉子振動的時域波形如圖10所示。

圖10 轉子振動時域波形(1 600 r/min)

在1 600 r/min轉速工況下,轉子振動的頻域波形如圖11所示。

圖11 轉子振動頻域波形(1 600 r/min)

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

由圖11的頻域波形可知:由于設置了不平衡故障,轉子在27 Hz(工頻1X)位置的振幅較大。此外,圖11中出現了2X、3X諧頻成分,表明由于試驗臺制造和安裝的誤差,轉子轉動過程中存在一定的不對中和碰磨故障。

此處筆者只研究不平衡故障對應的1X頻率振動成分。

1 600 r/min工況下,兩種支承下的1X頻率振動幅值如表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軸承轉子系統的不平衡故障導致的工頻振動,且其減振的效果良好。

此外,由圖11也可看出:ISFD阻尼支承可使轉子因不對中和碰磨故障產生的振動有所降低。

4 結束語

為了研究ISFD對滑動軸承支承的轉子因不平衡故障產生的振動抑制效果,筆者根據實驗室現有的轉子試驗臺,設計了對應的ISFD阻尼支承結構;運用有限元方法,分析了ISFD彈性體的徑向剛度特性;搭建了單跨對稱轉子試驗臺,研究了該ISFD阻尼支承對轉子不平衡振動的控制效果。

研究結果如下:

1)所設計的ISFD彈性體,其在較寬的載荷范圍內的位移值與靜載荷呈線性關系,具有優良的線性剛度特性;

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

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

上述研究成果可以為ISFD在滑動軸承轉子系統中的實際工程應用提供借鑒,具有較好的應用前景。筆者后續將研究ISFD對其他結構的滑動軸承轉子的振動抑制效果,比如,單盤懸臂轉子、兩盤懸臂轉子等。