何立東， 王 锎， 黃秀金

(北京化工大學(xué)化工安全教育部工程研究中心 北京, 100029)

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磁流變阻尼器抑制轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動試驗*

何立東， 王 锎， 黃秀金

(北京化工大學(xué)化工安全教育部工程研究中心 北京, 100029)

針對大型旋轉(zhuǎn)機械通過臨界轉(zhuǎn)速時振動過大及運行中故障頻發(fā)等問題，搭建轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)子通過臨界轉(zhuǎn)速時振動過大及各類故障振動。試驗結(jié)果表明，阻尼器可以有效抑制轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速附近的振動，降幅在60%以上；轉(zhuǎn)子發(fā)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(lǐng)域的大型旋轉(zhuǎn)設(shè)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(tǒng)方法是停機進(jìn)行維修，但頻繁停機導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，經(jīng)濟損失嚴(yán)重。常見的故障主要有質(zhì)量不平衡、碰摩、不對中等。其中，由于質(zhì)量不平衡使轉(zhuǎn)子無法安全通過臨界轉(zhuǎn)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(yōu)良的半主動控制裝置，響應(yīng)快、動態(tài)范圍大，既有一定的被動控制能力，又可以實現(xiàn)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(yīng)用廣泛。而這種智能材料能否解決轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動問題也引起廣泛關(guān)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(zhuǎn)子系統(tǒng)的支撐，研究對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)剛度和阻尼的影響，發(fā)現(xiàn)阻尼器可以大幅改變系統(tǒng)剛度，增大轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速，從而降低了原來臨界轉(zhuǎn)速附近振動。

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

1 磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)與特性

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

磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)軸振動而產(chǎn)生相對運動，鐵芯與試驗臺固定。

圖1 磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)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(shù)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(yīng)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(yīng)強度B1近似等于B2。磁感應(yīng)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(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 電流與磁場強度對應(yīng)關(guān)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(yīng)強度/T電流/A磁場強度/(kA·m-1)磁感應(yīng)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(xué)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(yīng)力。

式(4)表明了阻尼力與電流之間的關(guān)系。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 試驗臺參數(shù)

試驗臺轉(zhuǎn)子為經(jīng)典的Jeffcott轉(zhuǎn)子，支撐軸承為兩個圓柱滑動軸承；轉(zhuǎn)子由直流電機驅(qū)動，可以實現(xiàn)無級調(diào)速；轉(zhuǎn)軸直徑為10 mm，轉(zhuǎn)軸跨度為460 mm；轉(zhuǎn)盤直徑為75 mm，寬度為15 mm。

2.2 磁流變阻尼器抑制轉(zhuǎn)子不平衡振動試驗

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

圖2 轉(zhuǎn)子不平衡試驗臺Fig. 2 Rotor bench of unbalance

由于轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速在2 800 r/min左右，所以選擇測量轉(zhuǎn)速為0～4 000 r/min。分別測得轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)速由2 800 r/min增加到3 000 r/min左右，阻尼器小幅增大系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速；由于阻尼器產(chǎn)生剛度及阻尼不均勻，x,y方向減振效果有一定差別。結(jié)果表明，阻尼器可以抑制轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子振動。

2.3 磁流變阻尼器抑制轉(zhuǎn)子碰摩振動試驗

旋轉(zhuǎn)機械工作時，轉(zhuǎn)子有時會與定子發(fā)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(zhuǎn)子碰摩振動效果，試驗臺如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子碰摩試驗臺Fig. 4 Rotor bench of rub

在轉(zhuǎn)盤右側(cè)安裝碰摩裝置，轉(zhuǎn)子在2 100 r/min時發(fā)生較為明顯的碰摩。分別測得轉(zhuǎn)子在阻尼器電流為0 A和2.0 A下的振動數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)速2 100 r/min下，頻譜數(shù)據(jù)對比如圖5所示，軸心軌跡數(shù)據(jù)對比如圖6所示。

綜合圖5和圖6中工況0 A數(shù)據(jù)可以看出：轉(zhuǎn)子振動二倍頻及多倍頻突出，二倍頻振幅達(dá)27.2 μm，軸心軌跡不規(guī)則，轉(zhuǎn)子發(fā)生碰摩。

對比圖5和圖6中工況0 A與工況2.0 A數(shù)據(jù)可以看出：阻尼器通入2.0 A電流后，轉(zhuǎn)子二倍頻振幅由27.2 μm降為8.5 μm，降幅達(dá)69%，其他多倍頻成分明顯減小，其軸心軌跡變?yōu)橐?guī)則的橢圓；同時轉(zhuǎn)頻成分的振動由52.1 μm增加到57.7 μm，增幅約10%。結(jié)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(fā)生轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)頻振動小幅增加。

圖5 轉(zhuǎn)速2 100 r/min下頻譜數(shù)據(jù)對比Fig.5 Comparison of spectrum diagram at 2 100 r/min

圖6 轉(zhuǎn)速2 100 r/min下軸心軌跡數(shù)據(jù)對比Fig.6 Comparison of orbit at 2 100 r/min

2.4 磁流變阻尼器抑制轉(zhuǎn)子不對中振動試驗

汽輪機和煙氣透平等旋轉(zhuǎn)機械一般在冷態(tài)完成軸系對中，在運行中由于溫度升高等原因產(chǎn)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(zhuǎn)子不對中振動。

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

圖7 轉(zhuǎn)速1 500 r/min下時域數(shù)據(jù)對比Fig.7 Comparison of time domain at 1 500 r/min

圖8 轉(zhuǎn)速1 500 r/min下頻譜數(shù)據(jù)對比Fig.8 Comparison of spectrum diagram at 1 500 r/min

圖9 轉(zhuǎn)速1 500 r/min下軸心軌跡數(shù)據(jù)對比Fig.9 Comparison of orbit at 1 500 r/min

綜合圖7～圖9中工況0 A數(shù)據(jù)可以看出：轉(zhuǎn)子二倍頻振幅達(dá)到50 μm，軸心軌跡為“8字形”，轉(zhuǎn)子呈典型不對中故障現(xiàn)象。

對比圖7～圖9中工況0 A與工況2.0A數(shù)據(jù)可以看出：當(dāng)阻尼器通入電流，轉(zhuǎn)子二倍頻振幅由50 μm下降到5.5 μm，降幅達(dá)90%；同時轉(zhuǎn)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?yōu)檩^為規(guī)則的橢圓形狀。結(jié)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(fā)生轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)頻振動小幅增加。

3 結(jié)束語

筆者搭建轉(zhuǎn)子試驗臺，在不改變原有支撐形式的情況下，在轉(zhuǎn)子上安裝磁流變阻尼器，研究阻尼器抑制轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動的規(guī)律。試驗結(jié)果表明，磁流變阻尼器可以在不停機的情況下，有效降低轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速附近的振動，抑制轉(zhuǎn)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。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.05.007

*國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)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(dǎo)師。主要研究方向為轉(zhuǎn)子自動平衡技術(shù)、高性能密封技術(shù)及故障診斷。曾發(fā)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