李 超 牛洪濤 雷 杰 任燕玲

(蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院)

渦旋壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性測試裝置*

李 超**牛洪濤 雷 杰 任燕玲

(蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院)

為研究渦旋壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力特性，以曲軸為研究對(duì)象，分別建立了渦旋壓縮機(jī)曲軸力學(xué)模型和試驗(yàn)裝置，并運(yùn)用ANSYS 軟件得出樣機(jī)和試驗(yàn)裝置轉(zhuǎn)子受力和位移變化量；再根據(jù)渦旋壓縮機(jī)的工作原理，搭建基于電渦流傳感器的試驗(yàn)、測試平臺(tái)，并應(yīng)用LabVIEW分別對(duì)試驗(yàn)裝置轉(zhuǎn)子振動(dòng)位移信號(hào)進(jìn)行采集、分析和存儲(chǔ)。該試驗(yàn)裝置能及時(shí)反饋渦旋壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)特性，實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)子的軸心軌跡、相互垂直位移信號(hào)的波形及功率譜等；并通過軸心軌跡形狀來判別轉(zhuǎn)子的故障類型，對(duì)預(yù)防機(jī)器故障和故障診斷有著重要的理論意義和實(shí)際意義。

渦旋壓縮機(jī) 轉(zhuǎn)子振動(dòng) 傳感器 LabVIEW

渦旋壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、容積效率高、噪聲低及運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在制冷及空調(diào)等領(lǐng)域[1,2]。曲軸轉(zhuǎn)子是渦旋壓縮機(jī)的重要部件之一，曲軸轉(zhuǎn)子運(yùn)行的平穩(wěn)性直接影響渦旋壓縮機(jī)的工作性能。為研究曲軸轉(zhuǎn)子傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力特性問題，文獻(xiàn)[3]對(duì)渦旋壓縮機(jī)曲軸建立了機(jī)構(gòu)模型和力學(xué)模型，利用ANSYS軟件分析了曲軸轉(zhuǎn)子在不同工況下的應(yīng)力和應(yīng)變，并給出了曲軸的最大應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)生部位。文獻(xiàn)[4]利用試驗(yàn)?zāi)B(tài)方法和有限元方法分別對(duì)渦旋壓縮機(jī)曲軸轉(zhuǎn)子固有特性進(jìn)行了分析，給出了各自前5階固有頻率的分析結(jié)果，并對(duì)兩種方法進(jìn)行了比較。文獻(xiàn)[5]利用有限元方法和多體動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)渦旋壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了有限元模態(tài)分析，獲得了渦旋壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的固有頻率和振型。文獻(xiàn)[6]從有限元仿真角度分析，建立了渦旋壓縮機(jī)曲軸轉(zhuǎn)子軸系數(shù)學(xué)模型，分別對(duì)曲軸動(dòng)力載荷、施加軸系邊界條件和約束條件進(jìn)行了討論與動(dòng)力分析。筆者以具有曲柄銷防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的渦旋壓縮機(jī)為研究對(duì)象，通過理論建模和分析，設(shè)計(jì)了一種由電渦流傳感器和虛擬儀器構(gòu)成的轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性測試系統(tǒng)。

1 轉(zhuǎn)子力學(xué)模型

渦旋壓縮機(jī)的工作原理是在曲軸銷防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的約束下，使動(dòng)渦旋盤做公轉(zhuǎn)平動(dòng)，從而使動(dòng)靜渦旋之間形成的封閉容積呈周期性變化，完成對(duì)氣體的吸入、壓縮和排氣過程[7]。x坐標(biāo)方向曲軸受力簡圖如圖1所示。在實(shí)際工況下曲軸轉(zhuǎn)子受到的力主要有主軸承、副軸承的支反力Fb,upp、Fb,low，主平衡鐵、副平衡鐵產(chǎn)生的離心慣性力Fc,upp、Fc,low，曲柄銷與曲軸軸心偏心而產(chǎn)生的離心慣性力Fc,csh以及動(dòng)渦旋盤對(duì)曲柄銷的反作用力Fb,cr。

圖1 曲軸x方向受力分析

在x方向列力平衡式得：

Fbx,upp+Fcx,ucw-Fbx,cr-Fcx,csh-Fbx,low-Fcx,low=0

x方向分別對(duì)主軸承和副軸承取矩得：

Fbx,cr·Lbx,cr+Fcx,csh·Lcx,csh-Fcx,ucw·Lcx,ucw-Fbx,low·Lbx,low-Fcx,low·Lcx,low=0

Fbx,cr·(Lbx,cr+Lbx,low)+Fcx,csh·(Lcx,csh+Lbx,low)-Fcx,ucw·(Lcx,ucw+Lbx,low)-Fbx,upp·Lbx,low-Fcx,low·(Lcx,low-Lbx,low)=0

同理對(duì)y方向分別列力平衡式，主軸承、副軸承取矩得：

Fby,upp+Fcy,ucw-Fby,cr-Fcy,csh-Fby,low-Fcy,low=0

Fby,cr·Lby,cr+Fcy,csh·Lcy,csh-Fcy,ucw·Lcy,ucw-Fby,low·Lby,low-Fcy,low·Lcy,low=0

Fby,cr·(Lby,cr+Lby,low)+Fcy,csh·(Lcy,csh+Lby,low)-Fcy,ucw·(Lcy,ucw+Lby,low)-Fby,upp·Lby,low-Fcy,low·(Lcy,low-Lby,low)=0

已知：

2 轉(zhuǎn)子的有限元分析

根據(jù)曲柄銷防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的渦旋壓縮機(jī)，試驗(yàn)裝置中設(shè)計(jì)的動(dòng)渦旋盤、曲柄銷和主軸承質(zhì)量之和md=7.03kg，主平衡鐵質(zhì)量mb1=1.54kg，副平衡鐵質(zhì)量mb2=0.51kg，主軸偏心量r=5mm，主平衡鐵質(zhì)心至主軸中心線的距離r1=50.71mm，副平衡鐵質(zhì)心至主軸中心線的距離r2=29.84mm，將不同轉(zhuǎn)速下md、mb1、mb2作用在偏心主軸上的離心力作為載荷導(dǎo)入ANSYS中，計(jì)算出不同轉(zhuǎn)速下曲軸軸肩的最大應(yīng)力和變形量，則最大應(yīng)力值和位移變形量隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系如圖2所示。

a. 最大應(yīng)力

b. 位移變形量

由圖2可以看出，整個(gè)曲軸轉(zhuǎn)子承受的最大應(yīng)力和由載荷引起的軸變形量均隨轉(zhuǎn)速的增大而不斷增加。為了探究轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律和曲柄銷防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與曲軸的協(xié)同性，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測曲軸轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，研究曲軸轉(zhuǎn)子的軸心軌跡及曲柄銷軸心運(yùn)行狀態(tài)，獲取影響轉(zhuǎn)軸動(dòng)力特性的影響因素，為渦旋壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論參考。

為了能夠準(zhǔn)確地反映出實(shí)際渦旋壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性，對(duì)試驗(yàn)裝置轉(zhuǎn)子和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行受力分析和有限元計(jì)算，并將兩者的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

通過Pro/E軟件對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行實(shí)體建模，三維模型如圖3所示，應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)渦旋壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行受力分析，分別如圖4、5所示。

由圖4a和圖5a可知：轉(zhuǎn)子發(fā)生變形的最大部位分別在動(dòng)渦旋盤連接部位和電機(jī)連接部位。由圖4b、c和圖5b、c可知：曲軸上發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象的部位分別在退刀槽和軸肩處，最大應(yīng)力集中在曲軸的曲拐部位，該部位可為本試驗(yàn)裝置中電渦流傳感器的安裝位置提供參考。

圖3 曲軸三維模型

圖4 樣機(jī)轉(zhuǎn)子位移、應(yīng)力、應(yīng)變圖

圖5 試驗(yàn)裝置轉(zhuǎn)子位移、應(yīng)力、應(yīng)變圖

由筆者所選的渦旋壓縮機(jī)樣機(jī)和本試驗(yàn)裝置的轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性分析可知，兩轉(zhuǎn)子最大變形部位和最大應(yīng)力集中處較為一致，因此該試驗(yàn)裝置可以準(zhǔn)確地反映實(shí)際轉(zhuǎn)子的動(dòng)力特性。

3 試驗(yàn)裝置的構(gòu)建

對(duì)渦旋壓縮機(jī)曲軸轉(zhuǎn)子和曲柄銷的監(jiān)測，需從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行研究。圖6為試驗(yàn)臺(tái)整體構(gòu)造簡圖。試驗(yàn)裝置主要由電機(jī)、曲軸、支架、電渦流傳感器、曲柄銷、動(dòng)渦旋盤、靜渦旋盤及砝碼等組成。在試驗(yàn)工況下通過調(diào)節(jié)變頻器來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，固定在支架上同一平面且相互垂直的兩個(gè)電渦流傳感器分別把曲軸轉(zhuǎn)子和曲柄銷的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成電量，并將渦流信號(hào)送入前置器中，進(jìn)行信號(hào)的放大、濾波及隔離等過程，處理過的渦流信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D(模擬信號(hào)/數(shù)字信號(hào))轉(zhuǎn)換并進(jìn)入計(jì)算機(jī)，供LabVIEW程序分析和處理，其軸心軌跡測試系統(tǒng)如圖7所示，該系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)變頻器來實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速下曲軸轉(zhuǎn)子和曲柄銷軸心軌跡的特性研究。

圖6 試驗(yàn)臺(tái)整體構(gòu)造簡圖

圖7 軸心軌跡測試系統(tǒng)示意圖

對(duì)于互成90°安裝的兩個(gè)電渦流傳感器，設(shè)其檢測的轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)分別為X(t)、Y(t)，在復(fù)數(shù)平面內(nèi)對(duì)這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行組合，得Z(t)=X(t)+jY(t)，則Z(t)即為轉(zhuǎn)子的軸心軌跡[8]，由于Z(t)有機(jī)地綜合了X(t)和Y(t)信號(hào)中的內(nèi)在聯(lián)系，故Z(t)更能真實(shí)地刻畫轉(zhuǎn)子的振動(dòng)行為。

3.1 硬件

3.1.1電渦流傳感器

電渦流傳感器是一種根據(jù)渦流效應(yīng)制成的傳感器，其最大特點(diǎn)就是能對(duì)位移、厚度及表面溫度等進(jìn)行非接觸式測量[9]。選用的某電渦流傳感器主要參數(shù)為：

工作溫度 -50～175℃

最大工作壓力 12MPa

探頭直徑 5mm

線性范圍 0.25～1.25mm

線性量程 1mm

響應(yīng)頻率 0～10kHz

平均靈敏度 8V/mm

最小被測面 15mm(直徑)

安裝形式 M8螺紋連接

靈敏度誤差 ±5%

3.1.2信號(hào)調(diào)理

信號(hào)調(diào)理是為了分離噪聲等干擾信號(hào)，以便準(zhǔn)確提取出有關(guān)被測對(duì)象的有用信息。在本系統(tǒng)曲軸轉(zhuǎn)子和曲柄銷振動(dòng)信號(hào)采集過程中，采集的信號(hào)強(qiáng)度通常很微弱并伴有噪聲等干擾信號(hào)，故在A/D轉(zhuǎn)換前須經(jīng)信號(hào)調(diào)理，信號(hào)調(diào)理包括對(duì)信號(hào)的放大、隔離、濾波及線性化等。本系統(tǒng)采用NI公司的SCXI調(diào)理模塊，該模塊有4個(gè)均帶有激勵(lì)源的輸入通道，并為測量系統(tǒng)提供0.1mA恒定電流。

3.1.3數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡是外界信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)的橋梁，在這個(gè)橋梁中要完成A/D轉(zhuǎn)換以及信號(hào)放大等功能[10]。本系統(tǒng)采用NI公司的PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡。該卡具有差分模擬輸入和兩路模擬輸出，輸入電壓范圍±10V，采樣率250kS/s，通道數(shù)單端16路，雙端8路，數(shù)字觸發(fā)。

3.2 軟件

LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，它用圖標(biāo)表示函數(shù)，連線表示數(shù)據(jù)流向，一個(gè)LabVIEW的VI由前面板、程序框圖和連線板組成[11]。本試驗(yàn)編程采用模塊化編程方法，將該系統(tǒng)的各個(gè)功能進(jìn)行分解，然后逐一編程，LabVIEW的主要功能模塊有：曲軸轉(zhuǎn)子和曲柄銷軸心軌跡的信號(hào)采集，數(shù)據(jù)讀寫及軸心軌跡信號(hào)的顯示、分析和存儲(chǔ)等(圖8)。

圖8 軸心軌跡信號(hào)采集系統(tǒng)流程

軸心軌跡信號(hào)采集部分可對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如對(duì)x軸和y軸兩路信號(hào)采用雙通道進(jìn)行采集，使用DAQmx模塊下的相關(guān)VI編程采集電渦流傳感器傳入的數(shù)據(jù)，兩路信號(hào)采用Index Array函數(shù)分別進(jìn)行索引。由于周期信號(hào)之間存在譜泄漏，為解決這一現(xiàn)象對(duì)采集信號(hào)采用加窗處理，本試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)了Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗、Triangle窗及Flap Top窗等19種窗函數(shù)類型可供不同工況的測試。本試驗(yàn)裝置還設(shè)計(jì)了Bandstop、Bandpass、Lowpass、Highpass 4種濾波器類型，可分別對(duì)外界不同干擾信號(hào)進(jìn)行濾波等設(shè)定。設(shè)定完后點(diǎn)擊LabVIEW中的運(yùn)行按鈕進(jìn)行測量采集，在整個(gè)軟件界面中可實(shí)時(shí)采集曲軸轉(zhuǎn)子和曲柄銷的軸心軌跡信號(hào)及x方向、y方向振動(dòng)信號(hào)等。數(shù)據(jù)讀寫部分用Graph控件分別顯示x、y方向的信號(hào)，同時(shí)采用XY Graph控件顯示x、y方向的疊加信號(hào)，并采用TDMS文件對(duì)波形圖中顯示的軸心軌跡信號(hào)進(jìn)行讀寫和存儲(chǔ)。信號(hào)分析則通過前面板上顯示的波形圖(x、y兩路信號(hào)的功率譜圖、自相關(guān)圖及互相關(guān)圖等)對(duì)曲軸轉(zhuǎn)子和曲柄銷軸心軌跡進(jìn)行分析，并利用express VI函數(shù)呈現(xiàn)出已采集軸心軌跡信號(hào)的x、y向正峰值、反峰值以及峰峰值。圖9為曲軸軸心軌跡測試系統(tǒng)的前面板圖，該程序可通過設(shè)置前面板上的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速下的曲軸軸心軌跡位移信號(hào)的采集與分析。

圖9 曲軸轉(zhuǎn)子測試系統(tǒng)前面板

由圖9可知：渦旋壓縮機(jī)曲軸轉(zhuǎn)子的軸心軌跡包含了豐富的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)信息，通過改變模擬試驗(yàn)條件，可以分別獲得曲軸轉(zhuǎn)子在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的軸心軌跡圖、曲軸轉(zhuǎn)子的振動(dòng)幅值及其方向、低通截止頻率和高通截止頻率等，從而可以定性以及定量地判斷曲柄銷防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與曲軸轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的協(xié)同性和渦旋壓縮機(jī)曲軸轉(zhuǎn)子的平衡與非平衡狀態(tài)及其故障類型。如由x、y方向功率譜圖形關(guān)系知，x、y方向振動(dòng)信號(hào)的主要頻率分別為19.1、19.7Hz，接近轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻20.0Hz，說明這是由于電機(jī)周期性激發(fā)所引起的振動(dòng)。由x、y方向自相關(guān)、互相關(guān)圖形關(guān)系知，x、y方向上的振動(dòng)信號(hào)存在較大的相關(guān)性并且兩信號(hào)都含有周期成分。

4 結(jié)束語

根據(jù)渦旋壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性和工作原理，通過理論建模和分析，設(shè)計(jì)了一種由電渦流傳感器和虛擬儀器構(gòu)成的轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性試驗(yàn)測試平臺(tái)。該平臺(tái)可判斷曲柄銷防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與曲軸轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的協(xié)同性并分析引起渦旋壓縮機(jī)曲軸轉(zhuǎn)子振動(dòng)的原因，對(duì)預(yù)防機(jī)器故障和故障診斷有著重要的理論意義和實(shí)際意義。相比于傳統(tǒng)的信號(hào)采集系統(tǒng)，由電渦流傳感器和虛擬儀器構(gòu)成的轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性測試系統(tǒng)具有測量精度高、自動(dòng)化程度高、成本低廉及便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

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TestingDeviceforRotorDynamicCharacteristicsofScrollCompressors

LI Chao, NIU Hong-tao, LEI Jie, REN Yan-ling

(SchoolofPetrochemicalEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China)

For purpose of investigating rotor’s dynamic property of scroll compressors, the crankshaft was taken as the object of study and the crankshaft’s mechanical model and the test device were established for scroll compressors; and ANSYS software was adopted to have force and displacement variation of the prototype and the test device’s rotor obtained; and according to scroll compressor’s working principle and based on the eddy current sensor, the test platform was built and LabVIEW programming was applied to collect, analyze and store the test device rotor’s vibration displacement signals. The test device can timely reflect rotor’s motion characteristics of the scroll compressor and display rotor’s locus and waveforms and power spectrum of the vertical displacement signals as well as determine rotor’s fault type upon the orbit of shaft center. This has theoretical and practical significance to the prevention of machine fault and fault diagnosis.

scroll compressor, rotor vibration, sensor, LabVIEW

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51265026)。

**李 超，男，1958年3月生，教授。甘肅省蘭州市，730050。

TQ051.21

A

0254-6094(2016)04-0446-06

2015-09-17)