多曲盤旋轉霧化裝置設計及振動試驗

劉忠飛，彭超華，倪培永，喜冠南

(南通大學機械工程學院，南通 226019)

旋轉圓盤霧化器是一類重要的霧化裝置，依靠圓盤的旋轉，強化表面液體與空氣之間的傳質過程。旋轉圓盤霧化器的霧化質量相對于噴嘴易于控制，并且具有流量上限高、處理黏性液體能力強等優點，廣泛應用于乳制品加工[1]、噴漆[2]、發動機燃油霧化[3]、納米材料制備以及農藥噴灑[4]等領域。

中外眾多學者對圓盤性能進行了研究。葉典[5]對旋轉圓盤光催化反應裝置處理工業廢水進行了研究，總結出圓盤在不同轉速工況下對于傳質效率的影響不同。吳相森[6]對定子旋轉圓盤反應器表面流體流動與性能進行了研究，總結出液體在空腔區域的四種流型并擬合了流型發生改變的經驗公式。王鼎銘等[7]對旋轉圓盤表面的油膜流動特性進行了分析研究，總結出圓盤轉速、供油量和黏度對表面油膜厚度的不同影響程度。周良富等[8]設計了組合圓盤式果園風送噴霧機，并對其性能進行了試驗研究，該裝置顯著提高了果園噴灑農藥的質量與效率。魏佳奇等[9]對超聲霧化過硫酸鈉溶液，聯合氫氧化鈣進行煙氣的脫硫脫硝進行了研究，并總結出超聲霧化可以加速過硫酸鈉溶液分解，提供污染物的脫除效率。朱傳強等[10]對利用噴槍霧化無軟水稀釋的氨水，還原NOx的工藝進行了研究，總結出噴槍壓力為0.3 MPa時，脫硝效率明顯。雷嘉梁[11]對霧化超重力技術在柴油機尾氣脫硝中的應用進行了研究，凈化裝置對柴油機尾氣的脫硝效率峰值達到了80%。Hao等[12]利用高速攝像可視化系統研究了旋轉圓盤結構對熔渣韌帶造粒液滴特性的影響，總結出弧形邊緣的圓盤結構有助于產生更窄尺寸范圍的液滴。Bagherpou等[13]研究了旋轉霧化器在農林業的噴灑農藥的應用，總結出流向上不同距離的噴霧液滴速度。Gianfrancesco等[14]研究了旋轉霧化器用于麥芽糖溶液的干燥，總結出麥芽糖在接近霧化器處快速干燥，在低于玻璃化轉變溫度時處于穩定的非黏性狀態。Ellwoodk等[15]研究了旋轉鐘形噴霧器對噴灑油漆的應用，總結出流體流速、鐘形速度和鐘形半徑均會影響噴漆質量。

上述研究多集中于直盤，而對于曲形圓盤的研究較少。因此，現針對盤的形狀進行設計，研制一套多曲盤旋轉霧化裝置，以用于船舶柴油機NOx排放的凈化。此外，還對研制的裝置進行振動測試，檢驗裝置的動態性能。

1 方案選擇與裝置結構設計

1.1 方案選擇

為滿足裝置的功能需求，本裝置的供液系統采用在主軸內部供液，根據旋轉主軸的布置方式不同，初步確定以下兩種方案，如圖1所示。

圖1 多曲盤旋轉霧化裝置設計方案示意圖

旋轉主軸采用立式布置。該方案依靠反應臺架的4個撐腳與地面接觸進行支撐，其余零部件包括圓錐轉子軸承、曲盤、軸承座、外殼、皮帶輪，旋流器以及電機。電機通過皮帶輪和皮帶帶動旋轉主軸的運行。該方案具有裝置運行平穩、液滴分布均勻等特點。

對于旋轉主軸采用臥式布置。該方案依靠反應架下方4個撐腳與地面接觸進行支撐，其余零部件包括殼體、深溝球軸承、曲盤、旋流器、彈性聯軸器以及電機。電機通過彈性聯軸器帶動主軸一同旋轉，該傳動方式效率高、結構簡單。

考慮到零部件加工的難易程度、裝置重心、方便研究等因素，最終裝置采用臥式方案設計。

1.2 曲盤與主軸的設計及裝配

為了方便安裝曲盤，曲盤的形狀設計采取先直再曲的方案，直盤部分可利用鎖緊螺母配合鎖緊在旋轉主軸上。為了增加裝置的霧化效果，裝置設計安裝10個曲盤，曲盤見用擋塊隔開，擋塊上開有通孔可便于液體噴射到各曲盤表面。曲盤的材料選用304不銹鋼。

相應地，在旋轉主軸軸上開有10個出液孔，分兩側對稱布置，每兩個孔之間的軸向間距為21 mm，具體開孔位置及尺寸如圖2所示。主軸材料選用經表面熱處理后的45號鋼。

圖2 旋轉主軸結構示意

在SolidWorks軟件中完成主軸與曲盤的建模與材料屬性的設置，并且在軟件中進行裝配，裝配時每個曲盤之間采用墊塊隔開，軸向采用鎖緊螺母固定，裝配完成后打開軟件自身攜帶的質量屬性評估，了解該裝配體的質量、體積、表面積、慣性主軸以及慣性主力矩，該慣性主力矩即為組裝后零件的轉動慣量。完成裝配后的主軸如圖3所示，質量屬性的信息如表1所示。

1為鎖緊螺母；2為曲盤；3為墊塊；4為主軸

表1 旋轉主軸質量屬性信息

1.3 伺服電機的選型

該旋轉主軸的設計轉速最高可達3×103r/min，轉軸可以在30 s的時間內達到目標轉速。根據表1的質量屬性信息，可知該主軸繞軸線旋轉的轉動慣量為0.234 kg·m2。扭矩的計算公式為

ω=2πn/60

(1)

α=ω/t

(2)

M=jα

(3)

式中：n為主軸轉速，r/min；ω為轉動角速度，rad/s；t為加速時間，s；α為角加速度，rad/s2；j為轉動慣量，kg·m2。計算得到最大扭矩為2.45 N·m。選用三相220 V變頻交流電機，該電機扭矩可達3.4 N·m電機的額定功率、額定轉速分別為1.1 kW和3×103r/min。

1.4 總裝設計

完成軸承、聯軸器的選型，在SolidWorks中完成支撐結構、外殼以及其他零部件的建模，按照自底向上的裝配原則在軟件中完成裝配，并在軟件中進行轉動調試，確認零部件之間無影響裝置正常運轉的干涉存在。裝配模型示意如圖4所示。為了方便裝置的移動，加工時在支撐架的4個底腳處各裝有一個萬向輪，該萬向輪可被鎖死，防止裝置在水平面內的運動。

圖4 裝配示意圖

2 試驗儀器和試驗方法

試驗選用的振動傳感器型號為GM63B，該傳感器經過嚴格的校準并且配有三種不同的高靈敏探頭以適應不同的應用場合，分別為磁性探頭、長探頭以及短探頭。可用于振動位移、振動速度和振動加速度的測量，加速度的測量范圍為0.1～199.9 m/s2，速度測量范圍為0.1～199.9 mm/s2,位移測量范圍為0.001～1.999 mm，數據更替周期為1 s。傳感器收集的信息為振動位移的峰-峰值、振動速度的有效值和振動加速度的峰值。

該裝置的振動主要是由主軸旋轉引起。通常軸的振動主要測量軸承與軸之間的位移，測量方向一般為軸承的水平和垂直方向，輔助測點為軸向。對于一些大型旋轉機械還要輔助測量一些機殼的振動，由于本裝置較小，考慮測試點的選擇應是設備的敏感點且是距機械設備近距離的關鍵點，選擇在兩軸承處進行垂直和水平方向上的振動測量，輔助測量軸向振動。測試時，將磁性探頭吸附在裝置表面或者將短探頭附在裝置表面。選取裝置上6個點進行測量，圖5所示為3個振動測試選取點，其余3個點A2、B2、C2分別與A1、B1、C1對稱布置。

A1與A2點測試裝置運行時的軸向振動，B1與B2點測試裝置運行時水平方向上振動，C1與C2點測試裝置運行時垂直方向上的振動；在每個位置點分別測試振動位移量、振動速度以及振動加速度。每一個數據點都是多次測量后取平均值。

考慮到變頻器的調頻范圍為0～50 Hz，本研究選取10個頻率點，每兩個頻率點間隔5 Hz來對裝置運行時的振動特性進行測試和記錄。

3 結果與分析

A1與A2點的振動位移、速度、加速度隨伺服電機轉動頻率變化的結果如圖6所示。由圖6看出，兩點的振動位移趨勢大致相同，峰值存在略微的差異。在電機轉動頻率為10 Hz，裝置在軸向方向存在一個振動位移變化的峰值，峰值大小為0.163 mm，在15～30 Hz范圍內運行時位移變化較為平穩；35～50 Hz范圍內位移量存在一定波動，且波動峰值均未超過10 Hz時測得數據，除去10 Hz振動異常點后，軸向振動位移的變化范圍為0.008～0.083 mm。研究發現，振動速度在10 Hz時仍是一個波動較大的點，出現一個小峰值后開始回落，到達35 Hz時又顯著增加，45 Hz時達到測試數據的峰值，峰值為8.8 m/s，在15～30 Hz范圍內運轉時裝置的振動速度變化范圍為0.7～1.75 m/s，遠小于裝置振動速度的峰值。由圖6(c)可知，振動加速度在5～30 Hz范圍內接近線性增長，35 Hz時出現急劇增長后，40 Hz時達到峰值，峰值為8.1 m/s2，之后振動加速度有小幅度下降。

圖6 A1點和A2點測試數據

B1與B2點測試所得振動位移、速度、加速度隨伺服電機轉動頻率變化的結果如圖7所示。由圖7看出，在10 Hz時裝置的振動在水平方向上有最大位移0.308 mm，在15～50 Hz范圍內，位移量變化較小，整體維持在一個較低的水平范圍。研究還發現，在10 Hz和35 Hz時，振動速度存在兩個波峰。發生在35 Hz時，最大振動速度4.9 m/s，小于軸向方向上的8.8 m/s。研究還發現，振動能量整體呈一個逐漸上升的趨勢，35Hz時急劇增加，此后時略有下降。雖然在10 Hz時振動位移與振動速度均較為明顯，但振動能量處于一個較低的水平，振動加速度整體變化范圍為0.1～5.9 m/s2。

圖7 B1點和B2點測試數據

C1與C2點測試所得振動位移、速度、加速度隨伺服電機轉動頻率變化的結果如圖8所示。由圖8看出，垂直方向的位移在5～30 Hz時增長較為平緩，在10 Hz時并無明顯的波動存在，在35 Hz時達到垂直方向位移的波峰，峰值為0.242 mm。此后隨著頻率的增加，兩點的振動位移均呈下降趨勢。由振動速度圖看出，在5～25 Hz范圍內，振動速度變化不大，在0.1～2.1 m/s范圍內。此后隨著頻率的增加，振動速度急劇增加，在35 Hz時達到最高值11.9 m/s。隨后速度出現下降趨勢，但仍維持在一個較高水平，其原因是裝置與測試所在房間地面產生一定的共振。從圖8(c)看出，隨著頻率的增加，兩點的振動加速度均逐漸升高，在40 Hz時達到最大值10.5 m/s2。此時的振動加速度為3個測試方向上的最大值。

圖8 C1點和C2點測試數據

由圖8看出，裝置在電機運轉頻率為35～50 Hz范圍時振動速度和振動加速度均較大，原因可能為電機電流增大后電機與霧化裝置上的軸承引起了諧波，導致裝置在該頻段振動明顯。研究還發現，在10 Hz時運轉時，在垂直方向上振動位移并無明顯增大，且在該頻率下所有測試點的振動加速度均較小。其原因可能是裝置在該頻率時雖在軸向與水平方向上有較大位移，但振動能量較小，裝置的自重足以抑制這部分能量，所以垂直方向上無較大位移。

4 結論

(1)綜合考慮霧化裝置的加工難易程度、穩定性和便于研究等因素，選用主軸臥式布置方案。

(2)在裝置的水平方向上有最大振動位移，為10 Hz時的0.308 mm；最大振動速度在裝置垂直方向，為35 Hz時的11.9 m/s；最大振動加速度在裝置垂直方向，為40 Hz時的10.5 m/s2。

(3)在10 Hz與高于35 Hz時，裝置運轉時存在較大振動建議裝置在15～30 Hz范圍內運轉。

(4)裝置在垂直方向上存在較大振動，應考慮垂直方向減震，現裝置垂直方向除自重外，無其他約束，因此可考慮在裝置垂直方向上增加約束。