基于磁流變阻尼器的密封減振技術實驗研究

郭詠雪， 何立東， 李 寬

(北京化工大學 機電工程學院 高端機械裝備健康監測與自愈化北京市重點實驗室，北京 100029)

隨著汽輪機、壓縮機等透平機械向著高速、高效的方向發展，流體激振成為了造成轉子振動加劇、葉片斷裂等重大設備故障的重要原因之一。根據密封流體激振的形成機理，目前對于此種類型的振動防治主要有兩條途徑：第一是減小間隙流體的周向速度[1]，主要措施有反旋流法[2]和阻尼密封[3]減振方法，在工業中的應用較為廣泛；第二是調整轉子密封系統的偏心率，避免密封周向的不均勻壓力分布，目前，偏心自調裝置尚處于實驗階段，尚無應用[4]。何立東[5]分析了反旋流抑制密封流體激振的原理，呂江等[6]和呂成龍等[7]通過數值模擬和實驗研究，驗證得到反旋流噴嘴數量、噴射位置和噴射流量等對抑制密封間隙內流體激振的影響。阻尼密封[8]通過增加靜子密封環內孔表面的粗糙度，降低密封腔中流體的周向速度，從而增大阻尼，減小密封的交叉剛度，抑制轉子振動，其中蜂窩密封已成功應用于多種透平機械中[9]。

磁流變阻尼器作為一種新型的阻尼減振裝置，能夠對任意因素引起的機械結構振動起到良好的控制作用，在建筑、船舶和車輛領域[10]已得到了實驗驗證和應用。2001年，汪建曉等[11-13]開始將磁流變液引入轉子系統，磁流變阻尼器在旋轉機械上的應用，研究人員搭建了單盤懸臂轉子系統，設計了一種環形剪切式磁流變阻尼器作為懸臂端轉子支撐，對其減振性能進行了測試，結果表明磁流變阻尼器可以降低原臨界轉速附近振動降低。王锎等[14]將一種剪切式磁流變阻尼器引入齒輪平行軸系，研究磁流變阻尼器對齒輪傳動軸系振動的控制規律，驗證了磁流變阻尼器的阻尼可調特性。

本文基于密封流體激振的研究現狀，將磁流變阻尼器應用至密封的減振當中，設計和搭建了相應的可安裝磁流變阻尼器的立式密封轉子減振實驗臺，開展了基于磁流變阻尼器的密封轉子減振實驗研究，取得了良好的實驗效果。

1 基于磁流變阻尼器的密封轉子減振實驗臺

1.1 磁流變阻尼器結構及工作原理

本文應用的磁流變阻尼器結構如圖1和圖2所示，主要由外殼、線圈、阻尼片、內環軸承和磁流變液等組成。

圖1 磁流變阻尼器立體模型Fig.1 Three-dimensional map of magnetorheological damper

圖2 磁流變阻尼器剖面示意圖Fig.2 The profile of magnetorheological damper

磁流變液是磁流變阻尼器的主要工作部件。磁流變液具有磁流變效應，無磁場作用時，磁性顆粒在磁流變液中分散而雜亂；有磁場作用時，磁流變液會在幾毫秒內發生明顯變化，磁場使顆粒聚在一起并且形成鏈狀結構，一定程度地增加黏度，并抵抗一定程度的剪切應力使其不發生斷裂，能夠對振動起到明顯的抑制作用。除此之外，磁流變液產生的剪切應力或阻尼力隨其所在的磁場強度的大小而變化，故磁流變液也具有良好的可調控性能。本實驗所用的磁流變阻尼器的磁場來源于帶電的控制線圈，當輸入線圈的電流不同時，阻尼器即可產生不同大小的阻尼力。由此，便可通過改變控制線圈的電流大小來改變磁場的大小，從而改變阻尼器產生的阻尼力的大小。這一控制過程，有助于在設備運轉過程中，針對不同程度的振動，提供對應的、適宜的阻尼力進行減振。

1.2 密封轉子減振實驗臺

本文將磁流變阻尼器與密封轉子系統相結合，設計和搭建了基于磁流變阻尼器的密封轉子減振實驗臺，具體結構如圖3和圖4所示。

圖3 實驗臺轉子及阻尼器Fig.3 Test bench rotor and damper

圖4 密封轉子減振實驗臺整體Fig.4 Overall sealing rotor damping test bench

電機垂直安裝在支架上，主動軸由電機經聯軸器進行驅動，磁流變阻尼器與主軸通過其內部的滑動軸承進行連接。主軸末端連接有不銹鋼圓筒，兩者通過主軸自帶螺紋及螺母及進行連接；不銹鋼圓筒用以模擬密封轉子，與轉軸同步轉動；密封轉子的外側套有另一個不銹鋼圓筒以模擬密封靜子，該密封靜子固定在盛水容器上，不發生轉動；密封轉子與密封靜子共同模擬了光滑密封結構，兩者之間的間隙為密封間隙，實驗中的單邊間隙值為5 mm。密封靜子的外側為盛水容器，在密封間隙和盛水容器中填滿水，作為密封介質。阻尼器線圈接入了直流電壓輸出器，為磁流變阻尼器提供工作電流。同時，在轉軸末端安裝有豎直方向和水平方向的電渦流傳感器，以測試轉子的振動位移幅值；在轉子其他位置安裝有光電傳感器，以實時測試轉子轉速。各測點示意圖如圖5所示。

圖5 電渦流傳感器及光電傳感器測點示意圖Fig.5 Location of the measuring point

在電渦流傳感器進行轉子振幅采集的同時，利用基于Labview的數據分析及控制程序對數采集卡所采集的振動數據進行實時計算和分析，得到轉子的振動情況，若振動較大，利用NI模塊調控直流可調穩壓電源的輸出電壓，改變阻尼器的輸入電流，使阻尼器產生相應的阻尼力對密封轉子振動進行控制，如此便可形成一個對密封轉子振動的閉環控制系統。

2 基于磁流變阻尼器的密封轉子減振實驗研究

2.1 磁流變阻尼器對不同轉速下密封轉子的減振規律

密封轉子轉速的增加，會使得間隙流體的周向速度增加，而周向速度是引起激振的重要因素之一。本節通過改變轉速來增加密封轉子的振動，考察了磁流變阻尼器的抑振作用。實驗測定了轉速分別為40 r/min，60 r/min，80 r/min，100 r/min，120 r/min，140 r/min，160 r/min，180 r/min和200 r/min時密封轉子的原始振動幅值和安裝磁流變阻尼器之后的振動幅值。并對每種轉速下，控制線圈電流分別為0.5 A，1.0 A，1.5 A和2.0 A時的磁流變阻尼器抑振效果進行了實驗研究，獲得了各轉速的密封轉子在不同電流下的振幅變化規律，如圖6所示。

圖6 不同電流下密封轉子在測點1方向的振幅對比Fig.6 Comparison of the amplitude of the sealed rotor in the direction of measuring point 1 at different currents

圖6中，電流為0 A時的振幅為原始振動。對比幅值可以看出，當磁流變阻尼器通入電流時，轉子的振幅明顯減小。其中，控制線圈的電流為0.5 A時，測點1和測點2分別在各轉速下的振動幅值比原始振幅平均降低了30.19%；電流為1.0 A時，降低了59.24%；電流為1.5 A時，降低了65.44%；電流為2.0 A時，降低了66.65%?？梢园l現，振動降幅隨著電流的增大而增大。

2.2 磁流變阻尼器對不同偏心率下密封轉子的減振規律

密封轉子系統的偏心率是引發激振的另一個重要因素，本文通過調整密封的偏心率，增大密封轉子的振動，考察了磁流變阻尼器對由偏心率增大引起的密封轉子振動的控制規律。實驗中，將轉子轉速定為90 r/min，測定了密封轉子偏心率為0，0.2，0.3，0.4和0.6五種工況下的原始振幅，并改變磁流變阻尼器的線圈電流，測定了控制線圈電流為0.5 A，1.0 A，1.5 A，2.0 A時的轉子振幅，對測點1和測點2的振幅進行矢量求和，得到的測量結果如圖7所示。

圖7 轉速為90 r/min時不同偏心率下阻尼器對密封 轉子的振動控制規律Fig.7 Rotation control effect of the damper on the sealed rotor at different eccentricity at 90 r/min

圖7中，控制電流為0 A時的振幅曲線為各偏心率下密封轉子的原始振動。由圖7可以看出，隨著偏心率的增大，轉子振幅明顯增大。為磁流變阻尼器的控制線圈通入電流后，振動得到明顯抑制，并且通入的電流越大，振動降幅越大。其中，電流為0.5 A時，轉子在各偏心率下的振幅相比原始振幅的下降幅度平均為15.8%；電流為1.0 A時，降幅平均為45.4%；電流為1.5 A時，平均降幅為61.48%；電流為2.0 A時，平均降幅為65.02%；可以發現，隨著控制線圈電流的增大，轉子的振動降幅也增大。當控制線圈的電流為2.0 A時，振幅幾乎不隨偏心率的增大而增大，有力驗證了磁流變阻尼器對由偏心率增大而引起的密封轉子振動的有效控制。

3 基于磁流變阻尼器的密封轉子振動開關控制實驗

由上節可知，密封轉子轉速的增加和偏心率的增加均會引起密封系統振動的增大，而磁流變阻尼器可以對該類振動實施簡單有效的控制?；诖?，本文進一步將由Labview軟件平臺開發的開關控制程序引入了磁流變阻尼器的電流控制當中，以實現對磁流變阻尼器線圈電流的開關控制，從而實現對密封轉子系統振動的在線開關控制，其控制策略如圖8所示，控制流程圖如圖9所示。

圖8 基于磁流變阻尼器的密封轉子振動開關控制原理圖Fig.8 Schematic diagram of vibration control of sealed rotor based on magnetorheological damper

圖9 基于磁流變阻尼器的密封轉子振動開關控制流程圖Fig.9 Switch control flow chart of seal rotor vibration based on MR damper

3.1 不同轉速下密封轉子振動開關控制實驗

由圖6可知，密封轉子的振幅隨轉速的增大而增大，在40～100 r/min的振幅增速較快，在這個區間可以采用開關控制策略對其進行振動控制，設定振幅的門檻值為370 μm，當轉子振幅超過370 μm時，Labview開關程序打開電流開關，為磁流變阻尼器的控制線圈通入電流。其中電流值可以自行設定，本實驗設定了兩種電流值，即0.5 A和1.0 A，分別對這兩種電流值進行了開關控制實驗，實驗結果如圖10所示。

圖10 磁流變阻尼器對不同轉速下的密封轉子振動 的控制效果Fig.10 Magnetorheological damper for different speed of the sealed rotor vibration control effect

從圖10可以看出，當密封轉子的振幅開始超過370 μm時，基于Labview的開關程序能夠及時打開電流開關，使電流值迅速到位，磁流變阻尼器及時作用于轉子，轉子振幅開始下降，最終分別在300 μm和160 μm左右保持平衡。其中電流為0.5 A時，控制后的密封轉子振幅相對于原始振幅的最終平均下降率為31.15%；電流為1.0 A時最終下降率為58.94%。這一現象充分表明，基于磁流變阻尼器開展的開關控制，能夠對不同轉速下的密封轉子系統的振動起到顯著的抑制作用。

3.2 偏心引起的密封轉子振動的開關控制實驗

進一步對轉子轉速為90 r/min時由偏心率增大引起的密封轉子振動進行開關控制實驗。從圖7可以發現，轉速為90 r/min時密封轉子的振幅隨偏心率的增大而增大，在偏心率為0.2～0.4的振幅增長較快，在這一區間可以采用開關控制對幅度增大的振動情況進行控制。根據原始振動曲線，將打開電流的振動門檻值設定為349 μm，當轉子振幅超過349 μm時，Labview開關程序打開電流開關，給磁流變阻尼器的控制線圈通入電流。電流值可以自行設定，本實驗設定了兩種電流值，即0.5 A和1.0 A，分別對這兩種電流值進行了開關控制實驗，實驗結果如圖11所示。

圖11 磁流變阻尼器對由偏心率增大引起的密封 轉子振動的控制效果Fig.11 The control effect of magnetorheological damper on the sealed rotor vibration caused by the eccentricity increase

由圖11可以發現，對于由偏心率增大引起的密封轉子振動，基于磁流變阻尼器的開關控制程序也能夠起到良好的抑制作用。當轉子振幅超過349 μm時，控制程序打開電流開關，磁流變阻尼器接入電流，轉子振幅明顯下降，兩種電流工況最終分別在250 μm和120 μm左右保持平穩。其中控制電流為0.5 A時，各偏心率下控制后的振幅相對于原始振幅的平均下降率為35.38%；電流為1.0 A時，平均下降率為68.71%。實驗發現，基于磁流變阻尼器開展的開關控制，能夠成功抑制由偏心率引起的密封轉子系統的振動。

4 結 論

將磁流變阻尼器引入密封轉子系統進行振動控制，設計和搭建了安裝有磁流變阻尼器的密封轉子減振實驗臺，實驗研究了磁流變阻尼器對不同轉速和偏心率下的密封轉子振動的抑制規律。結合磁流變阻尼器的可控性能，應用基于Labview的開關控制程序，對密封系統開展開關控制實驗，獲得了其控制規律。實驗的主要結論如下：

(1) 磁流變阻尼器可以對密封流體激振起到顯著的抑制作用。無論是由轉速引起的轉子振動，還是偏心引起的密封激振，均可以通過磁流變阻尼器進行控制，振動降幅最高達到65.02%。且這一降幅隨著線圈工作電流的增加而增大，在減振過程中可以通過增加阻尼器的工作電流來增加抑振效果。

(2) 將基于Labview的開關控制引入磁流變阻尼器對密封轉子的振動控制當中，通過改變轉速和改變偏心率來增大轉子的振幅，在線監測這一幅值并對其進行了開關控制實驗，取得了良好的抑振效果。最高降幅可達68.71%，驗證了將基于磁流變阻尼器的開關控制作為密封轉子系統振動控制方法的可行性。