利用ANSYS動力學計算實現燒結風機現場動平衡一次配重法

吳潘越++郎博+金穎+范驍龍

摘 要：利用ANSYS轉子動力學計算工具，可對燒結風機轉子進行動力特性分析，較為準確地計算出當前失衡模式與所需配重，使試重效果更為明顯，大大減少啟停機次數，縮短現場檢修時間與費用。該文介紹了如何通過ANSYS對燒結機主要尺寸和質量參數進行建模，從而精確計算引發不平衡的質量，并結合影響系數法對燒結機轉子進行現場動平衡，通過結合現場實際案例，證實該方法可大量減少現場工作時間及成本。該方法目前在實際工作中得到了廣泛的應用，在實際現場平衡中極大的提升了試重效果。

關鍵字：ANSYS 轉子動力學分析 燒結現場風機平衡

中圖分類號：TH4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（c）-0047-01

燒結鼓風機作為燒結機配套的主抽煙機，在鋼鐵企業直接影響燒結礦產量的主要生產設備，因工作介質通常含有大量雜質，因結垢不均勻或局部脫落易造成不平衡故障，引起機組強烈振動，影響正常運行。現場動平衡是有效校正燒結轉子不平衡的常用方法，但每次聘用專業平衡人員進行，價格較高，該文利用有限元模型計算方法，通過一次建模可計算出轉子平衡響應系數，基本可實現一次停機配重準確，大大的節約了現場實施動平衡的費用及時間。

1 現場動平衡技術

目前現場運用最廣泛的方法是影響系數法。該法不必將轉子從機器上拆卸下來，在現場就可進行平衡，這是一種快速、高效、高精度的現場平衡法。一般情況下，影響系數是通過實驗（或試驗）獲取的，但有的影響系數直接使用后平衡效果很好，而另一些影響系數直接使用后平衡效果不甚理想，這是因為影響系數本身受到平衡實驗過程的影響，比如試重大小和加裝位置的不同，都會導致所得到的影響系數在品質和質量上存在差異。

2 ANSYS 11.0 轉子動力學模塊簡介

ANSYS 11.0 轉子動力學分析模塊是高級分析技術中的一部分，即為“Rotating Structural dynamics”。其求解的理論基礎為考慮了轉動效應的動力學方程：其中[M]，[C]，和[K]分別為結構的質量、阻尼和剛度矩陣，為旋轉軟化矩陣，[G]是由于旋轉引起的附加阻尼矩陣。基于轉子動力學思想的軸系建模過程可參見用戶手冊，如圖1是建立的燒結機葉輪有限元模型。然后可進行轉子動力學的相關計算。

3 利用有限元建模進行現場動平衡輔助

首先利用ANSYS有限元軟件根據燒結機轉子主要尺寸、質量參數進行建模，有限元模型中取螺旋槳所在位置為坐標系原點，以軸線的方向為作為坐標系x軸。根據軸系的特點，軸采用BEAM188梁單元模擬；葉輪作為集中質量處理，使用質量單元MASS21模擬；在ANSYS 11.0中新增加了軸承單元COMBI214，在此使用其來模擬不同位置的兩個軸承支撐。當軸系繞軸線以工作轉速（通常為1 500rpm 25Hz）旋轉時，會在旋轉過程中產生陀螺效應和科氏力，ANSYS 11.0 中采用了兩種坐標框架來考慮旋轉軸系的轉動效應，它們分別是固定參考框架和旋轉框架。當軸系中僅有某部分組件旋轉或者軸系中不同組件的旋轉速度不同時，則可采用固定參考框架，其適用的單元有BEAM4，MASS21，SOLID45，SOLID95， SOLID185，BEAM188等；旋轉框架坐標系則要求整個結構都繞某一軸旋轉。由于在該研究中，軸承是不參與轉動的，因此采用固定參考框架坐標系，將模擬軸的BEAM188單元和模擬集中質量的MASS21 單元組成一個組件，在其上施加旋轉角速度，而軸承則無轉動角速度。當燒結葉輪上有質量偏心時，相當于在葉輪失衡位置所在的節點處引入了“不平衡力”。在ANSYS 11.0 中當不平衡力是由質量引起時，則將“不平衡力”的幅值定義為質量與其和轉軸距離的乘積。

⑴

隨著偏心質量引起的不平衡載荷的增大，會導致軸系在大部分轉速上的響應幅值增大，產生不良影響。利用測得的振幅（節點振動位移）作為葉輪配重處節點與轉軸距離，代入（1）式，可求出應加質量，根據剛性轉子特性，由測得的工頻相位推算出加重相位可實現一次加重降低風機振動。如對平衡結果要求較高，可利用第一次加重結果，利用影響系數法再次精調配重。

4 應用案例

山西某鋼廠燒結主風機經檢修后再次投運時機組振動值嚴重超標，軸承箱水平測點振動速度最高達10mm/s。現場對各項安裝參數進行復查，并對基礎穩定性重新檢驗并未發現問題。排除安裝與其他可能存在的原因后，為保證用戶盡快投產，最后決定進行現場動平衡矯正。

現場采用BENTLY速度傳感器進行數據采集，風機兩側軸承箱分別設置水平和垂直兩個測點，表1各測點采集的初始數據。

根據現場轉子的實際尺寸及重量利用ANSYS建模分析，計算出所需配重質量為370g，根據所測得的相位實施配重后，最大測點振幅不超過2mm/s，當日該機組便投入運行。若采用估算試重配重，至少會多一次起停機。

5 結語

對于燒結轉子現場動平衡，研究針對目前常用的近似公式、傳遞矩陣法等方法計算工作量大且簡化較多的問題，提出利用大型商用有限元分析軟件ANSYS 11.0，結合轉子動力學特性如回旋運動、偏心影響等進行分析，對軸系的動態特性進行計算，直觀、方便，同時進行了參數的優化分析，計算結果可直接用于現場配重計算，可明顯縮短停機檢修時間。

參考文獻

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