撓性轉子-軸承動力性能實驗裝置開發與應用

李 強, 張 碩, 許偉偉, 鄭水英

(1. 中國石油大學(華東) 化學工程學院, 山東 青島 266580;2. 中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院, 山東 青島 266580；3. 浙江大學 化工機械研究所, 浙江 杭州 310027)

撓性轉子-軸承動力性能實驗裝置開發與應用

李 強1, 張 碩1, 許偉偉2, 鄭水英3

(1. 中國石油大學(華東) 化學工程學院, 山東 青島 266580;2. 中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院, 山東 青島 266580；3. 浙江大學 化工機械研究所, 浙江 杭州 310027)

為了更深入地研究轉子-軸承系統耦合動力學性能,以及提升化工過程流體機械、機械設備故障診斷技術、機械振動等相關課程的教學效果,自主設計了一套撓性轉子-滑動軸承實驗裝置。實驗裝置由驅動裝置、振動測試系統、以及潤滑系統等組成。兩軸承座間的跨距可變,以適應支撐不同長度的工業用轉子；軸承座與軸承之間采用可拆卸工裝過渡,便于更換不同結構、不同尺寸的滑動軸承以比較其動力特性。該實驗裝置可以實現信號的時域分析和頻域分析,實現各種不同結構滑動軸承的軸心軌跡、內部流場壓力測試以及動平衡等功能。實踐表明,該實驗裝置可操作性強,既可以用于課題研究,又可開展多種教學實驗,具有較強的應用價值。

實驗教學; 實驗裝置； 轉子-軸承系統； 動力學性能

大型旋轉機械是國家基礎設施和基礎工業中最關鍵和最核心的設備之一,在國民經濟領域起著重要的作用。由于滑動軸承具有承載能力大、功耗小、耐沖擊、抗振性好、運轉精度高等優點,在大型高速旋轉機械中得到廣泛應用,其性能的好壞直接影響到整個機組的工作精度、壽命、可靠性和其他諸多技術經濟指標[1-2]。

隨著旋轉機械的大型化、高速化和大容量化發展,使得轉子系統穩定運行的難度增加,出現的振動故障也越來越多,越來越復雜,其中很多故障都是由轉子-軸承系統穩定裕度不足引發的。提高系統穩定性最好的方法是選擇合適的滑動軸承,但目前工程上對滑動軸承的選擇往往是根據經驗,對不同結構滑動軸承的潤滑承載機理及其動力性能缺乏深入研究[3-5]。因此,設計一套撓性轉子-滑動軸承實驗臺對研究不同結構滑動軸承的動力性能、提高滑動軸承的穩定性至關重要。

本文所設計的撓性轉子-軸承實驗臺可操作性強、研究創新性強,有助于學生加深化工過程流體機械、機械設備故障診斷技術及機械振動等課程中所學知識的理解,有助于學生自行設計實驗方案、開展實驗研究,增強學生的學習主動性和參與度,提高學生的動手能力、團隊合作能力以及創新能力。

1 實驗裝置設計

1.1 實驗裝置結構

實驗裝置結構如圖1所示,實驗研究用的轉子帶有6個圓盤(1#—6#),圓盤與轉軸以過盈配合連接,圓盤四周有螺紋孔,通過不同螺栓組合方式可以實現不同平衡量的施加,圓盤下端放置有電磁激振器,可以實現激振信號以及靜載荷的施加；轉軸兩端由滑動軸承支撐,潤滑油由液壓站加壓經輸油管道進入滑動軸承間隙,隨著轉子的旋轉,在收斂性間隙中形成承載油膜,油膜壓力可以通過布置在軸承四周的壓力傳感器測量；實驗轉子由直流電機經齒輪箱和中間過渡軸拖動,轉速通過西門子控制柜連續調節,可以實現任意速度的旋轉；利用4個電渦流傳感器,對兩端軸承近軸頸位置處的水平和垂直方向位移進行測量,測量不同結構滑動軸承的軸心軌跡隨轉速的變化過程。

圖1 撓性轉子-軸承實驗裝置結構

實驗裝置主要由驅動裝置、滑動軸承、測試系統和供油系統等組成。

1.2 驅動裝置

驅動裝置由西門子控制柜、電機、齒輪增速箱和聯軸器等組成,電機為上海南洋電機廠生產的22 kW的直流電機,額定轉速為3 090 r/min,其上安裝有編碼器,西門子控制柜通過編碼器的反饋信號控制直流電機的轉速,其穩速精度為1/10 000,具有連續可調、數碼設定等特性,齒輪增速器的轉速比為11.05,型號為Pwn-7302AM-42[6]。

1.3 滑動軸承

滑動軸承采用剖分式結構,如圖2所示。相對于整體式結構,該結構安裝方便,既可以用于圓柱軸承，又可以用于橢圓軸承的實驗研究。因為在工藝加工內軸瓦時先在油槽位置進行剖分處理,然后在上下軸瓦剖分面之間墊一定厚度的銅片,最后將內軸瓦加工成圓柱形狀,形成圓柱軸承,如果銅片移除的話就近似可以看成橢圓軸承。當因摩擦使軸承間隙變大時,剖分式結構還可以用切削上下軸瓦之間剖分面的方法進行調整。在滑動軸承內表面加工一定尺寸的測試孔,用來安裝壓力傳感器測量軸承間隙內部的流場壓力。

圖2 剖分式滑動軸承

為了能夠更靈活地更換不同結構和尺寸的滑動軸承而不改變軸承座,在軸承座和滑動軸承之間用工裝進行過渡處理。圖3為設計工裝的三維造型圖,從圖中可以看出,工裝結構的外面要和軸承座配合,為了保證潤滑油不外漏,內部與滑動軸承緊密配合,而且為了以后測量軸承內部流場壓力,在工裝的四周預留了裝傳感器的螺紋孔。通過軸承座、工裝和滑動軸承之間的緊密配合可以很容易地實現大的、工業用滑動軸承工作特性的研究。

圖3 工裝

1.4 測試系統

本實驗由自行開發的振動測試軟件進行實時數據采集和分析,該振動測試系統的硬件部分包括計算機、數據采集卡和傳感器,軟件部分包括數據采集、動平衡模塊和信號分析。

數據采集卡的任務是把模擬信號轉化為數字信號,形成計算機能處理的數據。該測試系統兼容了PCL和USB兩種系列的數據采集卡,在進行振動信號采集時采用了中泰研創公司生產的USB-7660b數據采集模塊,其帶有48路單端模擬輸入和24路差分模擬輸入,4路模擬輸出,3路計數器,16路數字量輸入,16路數字量輸出。最大采樣率為100 kHz,16位分辨率。程控增益分別為1倍、10倍和100倍。傳感器采用上海卓意的VB-Z980108電渦流傳感器。該電渦流傳感器的供電電壓為-15 V～+15 V,供電電源ZYW1791,輸出電壓為-5 V～+5 V,靈敏度為5 V/mm[7]。

圖4為測試系統的軟件主界面。該系統的開發基于Microsoft Visual C++6.0平臺,采用微軟基礎類庫(MFC)的單文檔應用程序框架(SDI)具體開發。數據采集功能分為適用于不同數據監測場合的單通道、雙通道和多通道數據采集3個子模塊;動平衡模塊支持單面和雙面動平衡;信號分析模塊包括時域分析和頻域分析兩部分。

圖4 振動測試軟件主界面

2 實驗裝置應用

2.1 計算機信號采集與處理實驗

該教學實驗的目的是使學生了解工程中信號測試、采集和分析的基本方法和過程,掌握固有頻率測試、觸發采樣、多通道采樣和整周期采樣的基本方法,以及學會對采樣后的數據處理方法,鞏固傅里葉變換、相關分析以及臨界轉速等知識,結合現場能夠了解各個相關參數變化對信號的采集和分析的影響。

該實驗模塊包括轉子固有頻率測試實驗,單、多通道采樣實驗,以及數據后處理。

(1) 轉子固有頻率測試。基于該實驗裝置,可以采用敲擊或者非接觸激振的方式實現轉子固有頻率的獲得。采用敲擊法時,首先接通傳感器,迅速敲擊轉子,采集單通道中的信號并保存,通過軟件自身的信號分析模塊自動計算轉子的固有頻率,并能計算出該轉子系統的臨界轉速。該實驗臺借助電磁激振器、A/D、D/A卡的支持能夠提供脈沖方波的輸出功能,在軟件中通過onTimer函數實現對脈沖時間的精確控制,施加能量足夠大的脈沖頻率后,轉子系統的固有頻率將很容易被激發出來。

(2) 單、多通道采樣實驗。掌握單、多通道采樣方法是對學生的最基本要求[8],而利用該實驗裝置能夠使學生很直觀地進行現場操作練習。

單通道采集能夠達到最快的采樣速率,不過每次只能檢測一個通道的數據,能夠選擇的通道數為16個。圖5為單通道采樣界面,其中需要注意采樣頻率的選擇。根據采樣定理,采樣頻率應該至少是輸入信號頻率的2倍。時域信號的輸入量程是根據數據采集卡的硬件設置來確定的,默認狀態下為- 5～+5 V, 當輸入信號超過此范圍時,圖形會出現失真。

圖5 單通道采樣界面

多通道采樣能夠同時檢測多個通道的信號,可選的通道范圍為1～2通道、1～4通道、1～8通道和1～16通道。多通道采集界面類似單通道采集界面,但多了通道范圍選擇項。

(3) 數據后處理。數據后處理是實驗過程的關鍵一環,也是對學生在課堂上學到的傅里葉變換、相關分析等概念的進一步鞏固過程。本實驗裝置可以實現導入外部數據和處理現場數據,包括時域分析和頻域分析兩大模塊。

時域分析包含時域統計分析、時域波形分析、時域相關分析以及時域幅值分析等內容,涵蓋了時域分析中經常使用的分析手段,如圖6所示。其中相關分析是非常重要的信號分析方法,用來研究2個信號的相似程度,如果隨機變量x、y是一個與事件有關的函數,即x(t)和y(t),如果令兩信號之間產生時差τ,則相關函數定義[9]為

(1)

圖6 時域分析界面

相關分析可以協助找出設備振動的振源,也可以在噪聲背景下提取有用信息,它是旋轉機械狀態監測與故障診斷重要的手段之一。

時域分析并不能給出信號中所包含的頻率成分,不能描述能量按頻率的分布規律,因此需將時間歷程通過傅里葉變換轉化為頻率域函數進行頻譜分析,如圖7所示。幅值譜表示了振動參數中的位移,速度,加速度的幅值隨頻率分布的情況,是旋轉機械故障診斷中重要的識別特征,進行幅值譜分析的基礎是傅里葉變換:

(2)

對于離散信號,離散傅里葉變換為

(3)

圖7 頻域分析界面

幅值譜分析就是將各頻率成分進行分離,找出影響大的頻率成分,從而有針對性地降低該頻率成分的幅值,使得整體振動幅值下降到允許范圍之內。以傅里葉分析為基礎,可以進行功率譜函數分析,用來表示振動參量的能量隨頻率的分布規律。

2.2 現場動平衡實驗

由于設計和結構方面的因素,材質不均勻以及制造安裝誤差等原因,實際轉子的中心慣性主軸或多或少地偏離其旋轉軸線,使得轉子不平衡。不平衡會引起轉子的撓曲和內應力,使機器產生振動和噪聲,加速軸承、轉子等零部件的磨損,降低機器的工作效率,嚴重時甚至會使元件斷裂,從而引起各種事故[10-11]。為了改善其工作狀況,轉子在制造、安裝調試或修理時,常要進行動平衡測試。為了使學生進一步了解剛性轉子與撓性轉子的區別,掌握不同動平衡方法,鍛煉學生的動手能力和理論聯系實際的能力,基于該實驗裝置對轉子系統進行雙面動平衡實驗。采用加試重的影響系數法,改變不平衡量的大小、位置和相位,測得至少4個測點的平衡響應,然后計算得到影響系數,把測得的不平衡折算到平衡面上再反向加不平衡量,從而消除不平衡的影響。雙面動平衡操作界面如圖8所示,程序提供數據采集、工頻信號提取、影響系數計算以及不平衡大小計算等功能。

圖8 雙面動平衡操作界面

根據計算得到的影響系數,在2#和5#轉盤(見圖1)上加載配重,完成動平衡以后對軸頸振動進行測試,將測得的振動響應與平衡前進行比較，如圖9所示。從圖9中可以看出,各點處的振動值經過動平衡后都降低了70%以上,動平衡效果非常理想。該實驗與工程現場結合非常緊密,為學生提供了一個從理論走向實踐的平臺,鍛煉了學生的理論聯系實際能力。

圖9 平衡前后軸承的振動比較

2.3 油膜渦動實驗

在化工、石化、電力、鋼鐵和航空工業部門中使用的許多高性能旋轉機器屬于高速輕載,高速輕載滑動軸承由于設計不良或使用中多種因素的影響,容易發生油膜不穩定,在某種工作狀態下,還會發生高速滑動軸承的一種特有故障，即油膜振蕩。轉子發生油膜振蕩時輸入的能量很大,足以引起轉子軸承系統零部件損壞[12]。為了進一步研究滑動軸承的油膜失穩機理,使學生了解它的故障特征和診斷方法,借助該實驗裝置對軸心軌跡隨著轉速的變化規律進行了研究,并最終得到了油膜振蕩時的軸心軌跡圖,如圖10所示(圖中A為幅值)。從圖10中可知,當轉速升高到576 rad/s時,軸心軌跡變得十分復雜,頻譜圖中的半頻峰值已經大于工頻峰值,這時振動頻率為轉速頻率的一半。如果這時轉速繼續增加一點點,軸心渦動軌跡就會突然變得很大,很快發生局部油膜破裂,引起軸頸與軸瓦之間摩擦,現場發出強烈的吼叫聲,嚴重損壞軸承和轉子。

油膜渦動實驗屬于開放探索性實驗,有一定難度,需要團隊合作才能最終完成,但可以充分發揮學生的自主性和創新性[13]。

圖10 轉速576 rad/s時的軸心渦動軌跡和頻譜圖

3 結語

撓性轉子-軸承實驗裝置可用于機械故障診斷相關課題研究型實驗,開展不同結構滑動軸承內部流場壓力測試、油膜渦動機理研究以及轉子系統穩定性研究；又可進行驗證性和開放性教學實驗,有助于學生加深在化工過程流體機械、機械設備故障診斷、機械振動等課程中所學知識的理解,有利于發揮學生的主觀能動性、增強學生實踐動手能力,有利于培養學生的敢于創新的探索精神,具有較強的應用價值。

References)

[1] 張衛. 轉子-滑動軸承穩定性及其分析方法的研究[D]. 西安:西安交通大學,1994.

[2] 李強,劉淑蓮,于桂昌,等.非線性轉子-軸承耦合系統潤滑及穩定性分析[J].浙江大學學報：工學版,2012,46(10):1729-1736.

[3] 焦映厚,李明章,陳照波. 不同油膜力模型下轉子圓柱軸承系統的動力學分析[J] .哈爾濱工業大學學報,2007,39(1):46-50.

[4] 童小忠,應光耀. 半山1號燃氣輪機組油膜渦動和油膜振蕩分析及處理[J].汽輪機技術,2006,48(1):63-66.

[5] 童宏仙. 改進型橢圓軸承分析研究[D].上海:上海交通大學,2009.

[6] 劉淑蓮. 轉子-軸承系統非線性特性研究及油膜振蕩的在線消除[D].杭州:浙江大學,2004.

[7] 劉振萍. 多級離心泵濕臨界轉速數值計算和測試技術[D].杭州:浙江大學,2014.

[8] 董甲瑞,黃松嶺,郝麗,等. 基于虛擬儀器的旋轉機械綜合實驗系統開發[J],實驗技術與管理,2007,24(7):88-90.

[9] 沈慶根,鄭水英. 設備故障診斷[M]. 北京:化學工業出版社,2013.

[10] 楊國安. 轉子動平衡實用技術[M].北京:中國石化出版社,2012.

[11] 黃弢,何嶺松,史鐵林. 基于虛擬儀器的轉子動平衡實驗[J].實驗技術與管理,2007,24(9):86-88.

[12] 裴俊峰,齊明俠,楊其俊. 機械故障診斷技術[M].東營:中國石油大學出版社,2010.

[13] 張潤鋒,李運濤,陳亮,等. 從科研訓練和科研立項內容開發綜合性實驗教學項目[J].實驗技術與管理,2013,30(11):37-39.

Development and application of experimental device with flexible rotor-bearing dynamic performance

Li Qiang1, Zhang Shuo1, Xu Weiwei2, Zheng Shuiying3

(1. College of Chemical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China; 2. College of Transportation and Storage and Civil Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China; 3. Research Institute of Chemical Machinery, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

To further study the coupling dynamics performance of rotor-bearing system, and enhance the teaching effect of Chemical Process Fluid Machinery, Mechanical Equipment Fault Diagnosis Technology, Mechanical Vibration and other related courses, a flexible rotor-bearing experimental device is independently designed, and applied to the experiment teaching. The device is composed of a driving device, experimental device, vibration testing system, lubricating system, etc. Between the bearing chock and the bearing, the removable tooling transition is adopted, which is easy to replace the sliding bearings of different structure and different size so as to compare their dynamic features. The experimental device can realize the time-domain analysis and frequency-domain analysis of signals, and also realize the test on the sliding bearing axis trajectories of the various and different structures, the pressure test on the internal flow field, and the test on dynamic balance and other functions. The practice shows that the experimental device has stronger operability, which can be used for not only the subject research, but also a variety of teaching experiments. Therefore, it has stronger application value.

experimental teaching; experimental device; rotor-bearing system; dynamics performance

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.024

2016-06-03

國家自然科學

(51506225)資助；山東省優秀中青年科學家科研獎勵基金項目(BS2014ZZ014)；青島市自主創新計劃(15-9-1-38-jch)；中央高校基本科研業務費專項(15CX02027A)

李強(1984—)，男，山東東營，博士，講師，從事轉子動力學、故障診斷等研究.

E-mail：liq@upc.edu.cn

TH133;G484

: A

: 1002-4956(2016)12-0095-05