（动力机械及工程专业论文）卧螺离心机双转子系统动力特性研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生躲仨竺垄吼鲨：攀 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除 在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部 内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：l 查查苴导师签名 研究生签名：# 业导师签名 摘要 摘要 卧式螺旋卸料离心机是微速差双转子结构的典型代表，这种离心机具有连续操作、对物 料适应性强、生产能力大、劳动强度小等优点，因而在国民经济的各个部门得到了广泛的 应用。近年来，为了有效提高卧螺离心机的分离效果和处理量，卧螺离心机向着大型化、 高参数方向发展的趋势十分明显。但随着转速的提高、长径比的增大，卧螺离心机转子系 统动力特性发生了较大的变化，因而有必要对其动力特性进行深入研究，为卧螺离心机动 力特性优化设计工作提供依据。 为了全面了解卧螺离心机这种复杂多转子多转速多支承结构的动力特性，本文以生产中 实用的某型卧螺离心机为研究对象，主要做了以下几个方面的工作：通过振动性能试验对 卧螺离心机进行了振动测试，根据测试数据对转子系统动力特性影响因素进行了全面分析； 利用有限元分析软件建立了卧螺离心机双转子耦合系统有限元计算模型，基于该模型对转 子系统固有频率进行了计算，分析了各结构技术参数变化对转子系统动力特性的影响；分 析了微速差双转子系统拍振信号，提出了在内外转子四个平面同时加重的微速差双转子系 统高效动平衡方法。这些结论将为卧螺离心机动力特性优化设计工作提供依据。 关键词：卧螺离心机动力特性振动优化设计动平衡 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eh o r i z o n t a ld e c a n t e rc e n t r i f u g ei sak i n do fs e p a r a t i o nm a c h i n e r y i ti sat y p i c a ld u a l r o t o r s t r u c t u r ew i t hl i t t l es p e e dd i f f e r e n c e i th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sc o n t i n u o u so p e r a t i o na n d s t r o n ga d a p t a b i l i t yo fm a t e r i a l sa sw e l la sp o w e r f u lp r o d u c t i v i t ya n dl o w e rl a b o ri n t e n s i t y i th a s b e e nw i d e l ya p p l i e di na l m o s te v e r yd e p a r t m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y i no r d e rt oi m p r o v ei t s s e p a r a t i o na n dp r o c e s s i n gc a p a c i t y , t h ep a r a m e t e ro ft h ed e c a n t e ri sb e c o m i n gh i g h e ra n dh i g h e r a n di t sc a p a c i t yi sb e c o m i n gl a r g e ra n dl a r g e r b u tw i t ht h ei m p r o v e m e n to f r o t a t i n gs p e e da n di t s s l e n d e r n e s sr a t i o ，t h er o t o rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sb e c o m em o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt os t u d yi t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s i ti st h eb a s i sf o rt h es t r u c t u r a l d e s i g na n do p t i m i z a t i o no ft h ed e c a n t e rc e n t r i f u g e i no r d e rt of u l l yu n d e r s t a n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e c a n t e rc e n t r i f u g e ac e r t a i nt y p e so f p r a c t i c a ld e c a n t e rh a v e b e e nr e s e a r c h e d f i r s t l y , t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ed e c a n t e r c e n t r i f u g eh a sb e e nb u i l t t h ed y n a m i cc h a r a c t e r ss u c ha sn a t u r a l 仔e q u e n c yh a v eb e e nc a l c u l a t e d a n dt h ei n f l u e n c eo fe a c hp a r a m e t e ro nt h er o t o rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sh a sb e e no b t a i n e d s e c o n d l y , t h ef i e l dv i b r a t i o np e r f o r m a n c e t e s t sh a v eb e e nd o n eu n d e rt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n d t h ei m p a c t so fv a r i o u sf a c t o r so nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e na n a l y z e d a tl a s t t h eb e a t v i b r a t i o ns i g n a l sw i t hi t sc a u s eh a v eb e e na n a l y z e d t h ee 币c i e n td y n a m i cb a l a n c em e t h o da n d c a l c u l a t i o ns o f t w a r ef o rd u a l r o t o rs y s t e mw i t hl i t t l e r o t a t i n gs p e e dd i f f e r e n c eh a sb e e np u t f o r w a r d r e s u l t so ft h et h e s i sp r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h es t r u c t u r a ld e s i g na n do p t i m i z a t i o no ft h e d e c a n t e rc e n t r i f u g e k e yw o r d s ：h o r i z o n t a ld e c a n t e rc e n t r i f u g e ，r o t o rd y n a m i c s ，v i b r a t i o n ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ， d y n a m i cb a l a n c e 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i e j 录i i i 第一章绪论1 1 1 离心机的应用和发展。l 1 2 卧式螺旋卸料沉降式离心机概况l 1 2 1 卧式螺旋卸料沉降式离心机特点和应用l 1 2 2 卧螺离心机结构和工作原理l 1 3 卧螺离心机双转子系统动力特性研究进展2 1 3 1 动力特性优化研究2 11 3 2 振动性能试验研究3 1 3 3 微速差动平衡方法研究3 1 4 本论文研究内容。4 第二章单圆盘转子动力特性分析5 2 1 转子振动机理5 2 2 本章小结7 第三章卧螺离心机振动性能试验分析8 3 1 振动测点布置8 3 2 卧螺离心机振动试验分析。8 3 2 1 转轴固有频率测试8 3 2 2 转轴跳动对机组振动影响分析9 3 2 3 转子不平衡响应灵敏度分析9 3 2 4 轴振和瓦振数据分析。l o 3 2 5 负荷试验数据分析1 0 3 2 6 升降速振动特性曲线分析1 l 3 2 7 振动信号频谱图分析1 2 3 2 8 不同型号减振器对机组振动影响分析1 2 3 2 9 不同轴承游隙对机组振动影响分析。1 3 3 2 1 0 轴承不同心对机组振动影响分析1 4 3 2 1l 传动皮带预紧力对机组振动影响分析1 4 3 2 1 2 差速器对机组振动影响分析1 5 3 2 1 3 不同机组轴振、瓦振数据分析1 5 3 - 2 1 4 不同机组加重影响系数分析1 6 3 2 1 5 不同台架振动特性分析1 6 3 3 试验结论l7 第四章卧螺离心机动力特性有限元分析1 8 4 1 转子系统动力特性分析1 8 4 1 1 梁轴单元1 8 4 1 2 轴承2l 4 1 3 不平衡广义力2l 4 1 4 运动方程。2 1 4 1 5 有限元方法求转子的临界转速2 2 4 2a n s y s 软件与转子动力学计算2 4 目录 4 2 1a n s y s 软件介绍2 4 4 2 2a n s y s 中转子动力学计算2 5 4 2 3 计算模型的建立。2 6 4 3 卧螺离心机模态分析2 9 4 3 1 卧螺离心机转子系统模态分析2 9 4 3 2 卧螺离心机整机模态分析。3 0 4 3 3 卧螺离心机整机结构改进方案3l 4 4 本章小结3l 第五章卧螺离心机转子系统动平衡方法研究3 3 5 1 动平衡技术理论基础3 3 5 1 1 刚( 柔) 性转子概念和划分依据3 3 5 1 2 刚性转子动平衡方法3 4 5 1 3 柔性转子动平衡方法3 5 5 2 研究微速差双转子系统动平衡方案的必要性3 8 5 3 微速差双转子系统拍振信号分析3 8 5 4 微速差双转子系统内外转子不平衡量计算方法4 0 5 4 1 内外转子各自不平衡量计算过程4 0 5 4 2 内外转子不平衡量计算实例4l 5 5 微速差高效双转子系统动平衡原理4 1 5 5 1 动平衡方案实施步骤4 l 5 5 2 动平衡方案现场试验实例4 2 5 6 动平衡方案进一步分析4 3 5 6 1 解体平衡与不解体平衡方案比较4 3 5 6 2 动平衡误差分析4 3 5 7 轴振瓦振平衡方案综合比较4 3 5 8 本章小结4 4 第六章论文工作总结与展望4 5 6 1 论文工作总结4 5 6 2 发展与展望4 5 参考文献4 6 作者在读硕士期间发表的论文4 8 致谢4 9 第一章绪论 1 1 离心机的应用和发展 第一章绪论 离心分离是利用离心力对液一固、液液固、液液等非均相混合物进行分离的过程，实 现离心分离操作的机械称为离心机。 离心机和其它分离机械相比，不仅能得到含湿量低的固相和高纯度的液相，而且具有节 省劳力、减轻劳动强度、改善劳动条件，具有连续运转、自动遥控、操作安全可靠和占地 面积小等优点。因此现在离心机已广泛用于化工、石油化工、石油炼制、轻工、医药、食 品、纺织、冶金、煤炭、选矿、船舶、军工等各个领域。例如湿法采煤中粉煤的回收，石 油钻井泥浆的回收，放射性元素的浓缩，三废治理中的污泥脱水，各种石油化工产品的制 造，各种抗菌素、淀粉及农药的造，牛奶、酵母、啤酒、果汁、砂糖、桔油、食用动物油、 米糠油等食品的制造，织品、纤维脱水及合成纤维的制造，各种润滑油、燃料油的提纯等 都使用离心机。目前各种类型的离心机品种繁多，各有特色，并正在向提高技术参数、系 列化、自动化方向发展，且组合转鼓结构增多，专用机种越来越多。离心机已成为国民经 济各个部门广泛应用的一种通用机械。 离心机基本上属于后处理设备，主要用于脱水、浓缩、分离、澄清、净化及固体颗粒分 级等工艺过程，它是随着各工业部门的发展而相应发展起来的。例如1 8 世纪产业革命后， 随着纺织工业的迅速发展，1 8 3 6 年出现了棉布脱水机。1 8 7 7 年为适应乳酪加工工业的需要， 发明了用于分离牛奶的分离机。进入2 0 世纪之后，随着石油综合利用的发展，要求把水、 同体杂质、焦油状物料等除去，以便使重油当作燃料油使用，5 0 年代研制成功了自动排渣的 碟式活塞排渣分离机，到6 0 年代发展成完善的系列产品。随着近代环境保护、三废治理 发展的需要，对于工业废水和污泥脱水处理的要求都很高，因此促使卧式螺旋卸料沉降离 心机、碟式分离机和三足式下部卸料沉降离心机有了进一步的发展，特别是卧式螺旋卸料 沉降离心机的发展尤为迅速l l j 。 1 2 卧式螺旋卸料沉降式离心机概况 1 2 1 卧式螺旋卸料沉降式离心机特点和应用 卧式螺旋卸料沉降离心机( 以下简称卧螺离心机) 是高速运转、连续进料、分离分级、 螺旋输送器卸料的离心机，是一种高效离心分离设备【2 圳。自从第一台卧螺离心机诞生以来， 由于它具有连续操、无滤网和滤布、能长期运转、维修方便、应用范围广、对物料的适应 能力大、结构紧凑、易于密封、分离因数高、单机生产能力大、单位产量能耗低等突出优 点，因而得到了迅速的发展l 孓1 1 1 。 在卧螺离心机的发展中，结构、性能、参数变化很大，分离质量、生产能力不断提高， 应用范围更加广泛，在离心机领域中一直占有重要地位，因而被广泛应用于石油、化工、 采矿、冶金、医药、食品、轻工及环境保护等多种工业部门【1 2 1 3 】。 1 2 2 卧螺离心机结构和工作原理 卧螺离心机主要由柱锥形转鼓、螺旋输送器、差速器、大小皮带轮、轴承、机壳和机座 东南大学硕士学位论文 等零部件组成，其主要结构如图1 1 所示【1 4 】。 澄清波 图1 - 1卧螺离心机结构示意图 l 、差速器2 、主轴承3 、油封4 、左右铜轴瓦5 、油封 6 、机壳7 、螺旋8 、转鼓9 、油封l o 、轴承1 1 、油封1 2 、进料管 卧螺离心机转鼓支撑在左右两端的主轴承上，螺旋输送器借助其两端的轴颈上的轴承装 在转鼓内，转鼓壁与螺旋叶片外端面留有微量间隙，转鼓与螺旋维持一定的转速差，以便 由螺旋将转鼓内的沉渣推送出转鼓。差速器的外壳与转鼓相连，螺旋输送器通过花键与差 速器输出轴相连。电机通过大小皮带轮带动差速器旋转，进而实现转鼓和螺旋的微速差转 动。 卧螺离心机基本工作原理：卧螺离心机工作时，被分离物料从进料管连续的进入螺旋输 送器的加料仓，经过加速后经由进料孔进入转鼓，利用料液存在的密度差，在离心力作用 下，转鼓内形成了环形液池，重相固体离子离心沉降到转鼓内表面上而形成沉渣，由于螺 旋叶片与转鼓的相对运动，沉渣被螺旋叶片推送到转鼓小端的干燥区，从排查孔排出。被 澄清的分离液沿螺旋叶片通道经转鼓大端的溢流孔流出转鼓，根据工艺对悬浮液的分离要 求如生产能力、沉渣含液量、分离液滞留量，可通过调整螺旋离心机的操作参数如加料量、 转鼓与螺旋的转速差或改变其结构参数如转鼓大端的溢流孔直径即可改变沉降面积或液池 深度，从而改变分离效果。此外，当过载或螺旋输送器意外卡住时，保护装置能自动断开 电机电源，停止进料，防止发生事故分离效果。此外，当过载或螺旋输送器意外卡住时， 保护装置能自动断开电机电源，停止进料，防止发生事故。 1 3 卧螺离心机双转子系统动力特性研究进展 1 3 1 动力特性优化研究 为了有效提高卧螺离心机的分离效果和处理量，卧螺离心机向着大型化、高参数和大长 径比方向发展的趋势非常明显。随着转速的提高、长径比的增大，卧螺离心机转子系统动 力特性发生了很大变化：同时由于卧螺离心机具有独特的双转子结构，使其振动特性比较 复杂。为了开展卧螺离心机动力特性优化设计，国内外大量学者在卧螺离心机动力特性优 化设计方面做了相关研究工作。1 9 9 0 年，fr e i f lws t a h l 等分析了卧螺离心机设计及操作 对机组性能优化的影响【l5 1 。1 9 9 1 年，黄文伟等根据离心机转子支撑系统的振动特性，提出 了一种转子系统故障诊断的特征分析方法【l6 1 。1 9 9 2 年，w e i l h a 提出了卧螺离心机外转鼓 2 第一苹绪论 和内螺旋在差速旋转的情况下测量静态和动态轴向力的方法【l7 | 。1 9 9 6 年，石年勋分析了离 心机产生振动的原因，阐明了动载荷的确定及其对离心机及基础设计的影响【1 8 】。2 0 0 1 年， 杨云等建立了离心机转子支承系统模型，利用阻抗匹配法配合r i c c a t i 传递矩阵法及模态分 析法对卧螺离心机转子系统动力特性进行计算【i 圳。2 0 0 2 年，肖云峰采用传递矩阵一阻抗耦 合法推导出了卧螺沉降式离心机双轴系统的临界转速、振型和不平衡响应的计算公式，并 利用m a t l a b 分析了系统的振动特性【2 们。2 0 0 4 年，刘忠明应用a n s y s 对卧螺离心机差速 器在啮合过程中进行了应力分析，并对机组振动问题进行了研究【2 l 】。2 0 0 4 年，p e e t e rsb ， w e i ss 通过将卧螺离心机将螺旋输送器由单头改成双头并采取减小螺距的方式提高了生产 效率1 2 2 j 。2 0 0 6 年，沈润杰等采用有限元方法对离心机的动态特性进行分析，得到离心机的 各阶固有频率及模态振型随转速变化的规律1 23 1 。2 0 0 7 年，张晓军应用a n s y s 软件建立了 卧螺离心机有限元计算模型，分析了卧螺离心机结构技术参数对转子系统动力特性的影响 4 | 。2 0 0 7 年，k a z a m at 提出了通过将密封环固定的方式来提高转子系统的临界转速，进而 提高卧螺离心机转子系统的稳定性1 2 训。2 0 0 8 年，傅彩明等应用虚拟样机技术对卧螺离心机 螺旋输送器的动力学性能进行了仿真研究，得到了螺旋输送器两端轴承的力学状态、系统 的多阶固有振动频率、振型以及应力、应变、位移等参数值【2 引。 1 3 2 振动性能试验研究 随着卧螺离心机应用领域的扩大，人们对卧螺离心机的可靠性要求不断提高。振动性能 试验目的在于确定所设计、制造的机器、构建在运动和使用过程中承受外来振动或者自身 振动所产生的振动而不至破环，并发挥其性能、达到预订寿命的可靠性，因而其在卧螺离 心机动力特性优化过程中显得十分重要。1 9 9 8 年w - fl e u n g 通过试验的方式研究了卧螺离 心机螺旋转矩的影响因素1 26 | 。1 9 9 9 年，刘金荣等通过振动性能试验得到了卧螺离心机振动 的加速度有效值随离心机的处理量、转鼓转速以及悬浮液的粘度、密度之间的变化关系旧。 2 0 0 5 年，曹立和等分析了卧螺离心机双转子系统，通过试验研究提出了通过整机动平衡校 验减少拍振的办法1 2 引。2 0 0 9 年，卢双龙等通过对卧螺离心机进行全面振动测试，根据轴振 和瓦振数据对转子系统的不平衡响应、系统固有频率、轴振及瓦振关系及不同台架振动特 性等进行了分析【2 9 】。 1 3 3 微速差动平衡方法研究 随着卧螺离心机应用领域的不断扩大和国产化进程的加快，卧螺离心机转子系统不平衡 振动问题也日益突出。为了减d , n - 螺离心机因不平衡引起的振动，近些年来一些学者在微速 差双转子系统的整机动平衡方面作了一些研究工作，提出了多种动平衡方法。1 9 8 6 年，周保 堂等阐述了挠性支承离心机转子系统的动力特性，提出了按振型平衡原理对挠性支承离心机 进行平衡的方法【3 0 1 。1 9 9 6 年，郑康元等以卧螺离心机旋转组件为实例，介绍一种实用的计算 机辅助动平衡方法p 。1 9 9 7 年，王申生等第一次提出了沉降离心机双转子系统整机平衡的方 法p 引。1 9 9 9 年，贺世正等提出了单测点双校正面平衡转子的新方法，并引入计算机辅助平衡 1 3 3 。贺世正等在分析微速差双转子系统信号特性的基础上开发了一套便携式智能化单双转子 整机现场动平衡仪p 引。2 0 0 1 年，张志新等提出了一种不需要解拍的整机动平衡原理和方法 1 3 5 j 。2 0 0 2 年，杨健等提出了一种不用解“拍”就可直接获取各转子振幅和相位的信号分离法1 3 钊。 2 0 0 4 年，谭立方等利用数字信号理论得出了分离微小频率的条件1 3 7 】。 虽然国内外学者对卧螺离心机转子系统动力特性进行了大量研究，但笔者认为上述研究 中尚存在以下缺陷：( 1 ) 人们虽然提出了多种微速差双转子系统整机动平衡方法，但局限于 理论方面研究的较多，具有工程应用价值的较少；( 2 ) 通过现场振动性能试验对卧螺离心机 3 查堕奎兰堡主兰垡丝茎 转子系统的动力特性研究较少；( 3 ) 虽然借助有限元分析软件建立卧螺离一i i , 机转子系统有限 元计算模型，并借助该模型对其转子系统动力特性进行了研究，但在实践中具有指导意义的 内容较少。 1 4 本论文研究内容 为了全面了解卧螺离心机双转子耦合系统的动力特性，开展卧螺离心机动力特性优化设 计工作，本文对卧螺离心机转子系统动力特性进行了分析，其主要研究内容包括以下几个 方面： ( 1 ) 卧螺离心机振动性能试验分析 本章将轴振测试技术与瓦振测试技术相结合，对某型卧螺离心机转子系统进行了振动性 能测试，根据测试数据及曲线对卧螺离心机转子系统动力特性进行了全面分析，为卧螺离 心机结构设计及动力特性优化提供实践依据。 ( 2 ) 卧螺离心机动力特性有限元分析 本章建立了卧螺离心机双转子耦合系统有限元计算模型，对卧螺离心机转子系统固有频 率等动力特性方面进行了分析，并分析了各技术参数变化对整机动力特性的影响，为卧螺 离心机结构设计及动力特性优化提供理论依据。 ( 3 ) 卧螺离心机转子系统动平衡方案研究 本章分析了卧螺离心机双转子系统拍振信号析，提出了微速差双转子系统新平衡方案， 阐述了其平衡原理及平衡过程，对平衡过程中存在的误差进行了分析，为卧螺离心机结构 设计及动力特性优化提供平衡依据。 4 第二章单圆盘转予动力特性分析 第二章单圆盘转子动力特性分析 卧螺离心机是石油、化工、冶金、医药等多种工业部门的关键离心分离设备。随着卧螺 离心机应用领域的不断扩大和国产化进程的加快，卧螺离心机振动问题也日益突出。卧螺 离心机的振动涉及到卧螺离心机的设计、制造、安装以及运行，长期以来形成了自己独特 的技术领域。 旋转体的振动作为机械振动中的一个专业分支，被称作转子动力学。卧螺离心机动力特 性优化设计技术以转子动力学理论为基础，以工程应用为目的，它最重要的特点是理论和 实际紧密结合，即可以解决、处理实际工程中紧迫的具体问题，获取明显的经济和社会效 益，又可以从中发现具有理论深度的难题，促进学科研究的新发展。因此，本节介绍了转 子动力学中有关振动机理，为开展卧螺离心机动力特性优化设计工作提供理论基础。 2 1 转子振动机理 设转子的质量为m ，转子的质心到两轴承连心线的垂直距离不为零，刚性系数为k ，作 用在转子上的阻尼系数为c 。 图2 1 转子力学模型 ， 劢 埘川7 一 、， 如果圆盘质心c 和转轴中心o 不重合，则意味着圆盘的质心存在偏心。如图2 1 所示， 坐标原点o 取在圆盘不转动时的转轴中心在空间的静态位置。转动后，由于离心力的作用， 转动中心移动到o ，质心c 绕o 转动，c 到o 的距离为e ，转子角速度为q ，则这时c 的 径向力为f o = m e f 2 2 。如果考虑到其外阻尼的作用，其轴心0 的运动微分方程为【3 8 】【3 9 】【4 0 】： ，z j + 西+ 缸= 只c o s q f 彬+ 砂+ 砂= e s i n d t 令复数为z - - x + y i ，则上式可简化为 艺+ 2 泡三+ z = p q 2 严 式中蛾= 厮为系统角频率；善= c ( 2 肌) 为阻尼系数。 上式的特解为：2 = l a l e q 叩 代入式( 2 - 2 ) 礁j l ：( 一q 2 + 2 泡q 圳爿l = 加2 纱 因为，e 一= c o s o + i s i n r , 5 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 东南大学硕士学位论文 故有 由此解出h 及伊： 暖2 善c o 趣n a 2 酱塞s i 乙n 唧l = 疵2j j m e 以= 一 七 ( 2 4 ) ；c a = t g 。1 警萼 ( 2 射 域一国 图2 2 给出了不平衡力作用下振动幅值和相位随转速的变化情况，分别称为幅频图和相 频图【4 0 】。 ( a ) 幅频曲线( b ) 相频曲线 图2 2不平衡力作用下系统振动响应曲线 由式( 2 5 ) 和图2 2 ( a ) 幅频曲线可以看出： ( 1 ) 振动幅值与偏心质量成正比，振动相位与偏心质量无关。 ( 2 ) 偏心质量、系统阻尼等参数恒定时，振动响应幅值和相位随转速的变化而变化。 因此，旋转机械振动分析必须结合转速进行。 ( 3 ) 转动频率接近系统固有频率时，o j o j l ，振幅彳迅速增大，系统处于共振状态。 旋转机械振动分析时，常把固有频率所对应的转速称为临界转速。临界转速之前，振动幅 值随转速的增大而增大；临界转速之后，振动幅值随转速的增大而减小；临界转速附近振 动出现明显峰值。工程上通常把 1 0 的区域定义为共振区。为了避免出现大的和 不稳定的振动，应该尽量避开共振区。 ( 4 ) 因为阻尼善很小，临界转速附近，幅值计算公式( 2 5 ) 中的分母很小。该转速下 振动对激振力敏感，微小的激振力变化都有可能引起很大的振动。 ( 5 ) 临界转速附近，阻尼对振动幅值的抑制作用非常明显。阻尼越大，共振幅值越小。 增大阻尼，可以使机组平稳地通过临界转速。工作转速远离临界转速时，阻尼影响较小， 继续增大阻尼的效果并不明显。 ( 6 ) 减小激振力也可以减小系统共振幅值。一旦出现共振现象，除了改变系统固有频 率外，也可以从减小激振力的角度着手处理。通过采用精细动平衡方法，尽可能减小激振 力，工程经验表明，这种故障治理效果还是不错的。 6 第二章单圆盘转子动力特性分析 相位矽反映了振动响应滞后于不平衡力的角度，通常又称之为滞后角。已知滞后角和 振动相位，就可找出不平衡力角度。因此，滞后角对于动平衡工作非常重要。动平衡试验 时，试加重的成功与否在很大程度上就取决于滞后角的选取是否合理。 由式( 2 5 ) 和图2 - 2 ( b ) 相频曲线可以看出： ( 1 ) 随着激振频率的变化，滞后角在0 0 1 8 0 0 范围内变化。缈 9 0 0 ；( - 0 = ( - o n 时，伊= 9 0 0 。 ( 2 ) 临界转速附近相位角变化明显。阻尼毒= 0 的极限情况下，临界转速附近滞后角 从0 u 突变到1 8 0 0 。随着阻尼的增加，临界转速附近滞后角的变化幅度减小。工程上常根据 振动幅值出现峰值和相位变化明显这两点来共同确定临界转速。特别是当幅频图上出现很 多峰值或者共振峰值不明显时，临界转速的确定必须结合相位变化来判断。 ( 3 ) 滞后角与阻尼有关。唯一例外的就是临界转速处的滞后角恒等于9 0 0 ，与阻尼无 关。因此，根据l 临界转速处的振动相位和9 0 。的滞后角可以比较准确地求出不平衡力角度。 该特点在旋转机械动平衡工作中发挥了积极作用，大大提高了动平衡的准确度。 2 2 本章小结 本章主要介绍了转子动力学的有关内容，为卧螺离心机动力特性优化设计工作的开展提 供理论基础。 7 东南大学硕士学位论文 第三章卧螺离心机振动性能试验分析 为了提高卧螺离心机转子系统稳定性，应中船绿洲集团南京分离机厂邀请，对卧螺离心 机转子系统开展了动力特性优化设计工作。为了全面了解卧螺离心机转子系统动力特性，在 项目实施过程中进行了大量振动性能试验，以了解卧螺离心机在各种工作状况下振动性能。 根据测试数据及曲线对卧螺离心机转子系统动力特性进行了全面分析，为卧螺离心机转子系 统动力特性优化设计工作提供实践指导。 3 1 振动测点布置 在卧螺离心机振动评价标准中，国家以轴瓦振动作为机组振动评价指标。因而在以往的 振动测试过程中，人们往往只布置速度传感器测量轴瓦振动，而忽略了转轴的振动。大量 工程实践表明，在支撑系统动刚度较大时，容易出现瓦振小轴振大的现象，此时只监测瓦 振而忽略轴振不能完全反应机组实际振动特性。同时，在生产实际中经常发现，在卧螺离 心机轴瓦振较小时轴瓦仍易损坏，严重影响了卧螺离心机正常工作。分析表明，这可能与 转轴振动有较大关联，转轴振动同样应引起重视。为此，本文在测试过程中除了布置速度 传感器测试瓦振外，本次试验还特别布置了涡流传感器以检测转轴振动。 本次试验过程中，试验仪器主要包括速度传感器、涡流传感器、光电传感器和测振仪表 等，其中速度传感器布置在左、右两侧轴承座处，涡流传感器布置在外转鼓两侧靠近轴承 座处，光电传感器布置在转鼓小端轴承座外侧，所有传感器通过导线与测振仪表连接。其 测点布置示意图如图3 1 所示，其中左侧为l 瓦，右侧为2 瓦。 3 2 卧螺离心机振动试验分析 3 2 1 转轴固有频率测试 图3 - 1 测点布置示意图 在离心机固有频率测试过程中，本次试验采用了敲击测试方法，即在静止状态下用2 埏 铜棒对转轴施加约3 0 0 n 冲击激励力，用速度传感器产生电信号，经由振动分析系统采集数 据后测试其受冲击作用后所产生的衰减振动响应。由于在测试过程中敲击点很多，本文只给 出其中一个敲击点的测试图，如图3 2 所示。 8 第三章卧螺离心机振动性能试验分析 图3 21 拌水平固有频率测试图 由敲击脉冲法测试固有频率的原理可知，频率测试图中振动峰值所对应的频率就是系统 固有频率。据此可得离心机转子固有频率，如表3 1 所示。 表3 1 不同台架冲击试验数据( h z ) 从表中数据可以看出：卧螺离心机转子系统在台架l 上固有频率在1 0 9 h z 左右，在台 架2 上固有频率在1 2 9 h z 左右，这两个频率都远低于转轴最高工作转速2 8 7 0 r p m 所对应的 频率4 7 8 h z 。这表明在考虑支撑和隔振系统后，整个卧螺离心机转子支撑系统应作为柔性 系统来看待。 3 2 2 转轴跳动对机组振动影响分析 晃度即跳动反映了轴颈等圆周表面处因加工安装误差等因素造成的外圆不同心所形成 的椭圆度。卧螺离心机运转时的跳动直接影响到转子系统的振动性能和使用寿命，因而有 必要对卧螺离心机转子系统晃度进行测试。本次试验测试了卧螺离心机转子系统差速器外 圆、外转鼓大端以及轴振测点处的晃度，具体测量数值如下表。 表3 - 2 百分表测试结果( 1 a i n ) 从表中数据可以看出，卧螺离心机存在差速器和转鼓大端外圆及轴颈表面晃度大等问 题。从结构上看，卧螺离心机是具有复杂结构的双转子系统，各转动部件的加工精度会对 转子系统晃度产生一定的影响；除此之外，外转鼓、内螺旋及差速器在安装过程中不同心 及不同轴也是造成系统晃度大的主要原因之一。转子系统晃度大将直接影响卧螺离心机总 体振动水平，应尽可能提高各部件加工精度及整个机组的安装精度。 3 2 3 转子不平衡响应灵敏度分析 为了减少因内外转子差速旋转所引起的不稳定振动，本次试验在外转鼓与内螺旋联转的 9 东南大学硕士学位论文 情况下进行，并保持转速( 不变。为了保证加重后振动能有较大的变化，选取试加重量为 6 0 克，通过在差速器、外转子大端、外转子小端螺栓上加配重实现加重方案。 本文根据加重影响系数来分析转子不平衡响应灵敏度。所谓加重影响系数即在选定的平 衡转速下，通过加重试验求出的加重对振动的影响程度，其计算公式为： 历= 互丛 尸 上式中，盈为原始状态下的振动；一p 为转子试加重量；j 。加重后振动。 据此，根据测试数据可得该机在不同加重平面加重影响系数，其计算结果如表3 3 所示。 表3 - 3 不同加重平面影响系数( p m l 。g z 。) 从表中数据可以看出：在1 瓦侧加重时，l 瓦侧的影响系数较大；在2 瓦侧加重时，2 瓦侧的影响系数较大；在差速器上加重时，对l 瓦和2 瓦也有较大影响。从结构上来讲， 差速器位于整个卧螺离心机转子系统的外伸段，外伸段的不平衡会对整个机组振动产生较 大的影响。因此在机组组装前应尽可能减少差速器上的不平衡量，以降低差速器对卧螺离 心机振动影响。 3 2 4 轴振和瓦振数据分析 大多数情况下，监测机组瓦振可以满足工程要求。但在特殊情况下，如轴承刚度较大 时，有可能出现轴振大而瓦振小的现象，此时只测瓦振无法有效反映机组实际振动情况， 必须同时测量转轴的振动。为此，本次试验还特别安装了涡流传感器检测轴振，试验数据 如表3 4 所示。 表3 - 4 不同试验台架轴振和瓦振测试数据( p m ) 从表中数据可以看出：无论在哪种台架上，1 瓦和2 瓦水平瓦振一直处于较低水平，但 轴振却很大。根据i s o 旋转机械轴振动标准：2 8 0 0 r p m 机器轴振小于8 0 1 t m 优秀，1 6 0 p m 报 警，大于2 5 0 1 t m 跳机【4 1 1 。上述表中轴振数据显然已超过标准，不利于机组正常运行。所以 在监测机组瓦振的同时还应重视转轴振动。 3 2 5 负荷试验数据分析 为了了解卧螺离心机在负荷状态下的动力特性，本次试验在内外转子差速旋转的情况下 进行了负荷试验。由于内外转子之间存在微小速差，其振动特性是由内转子和外转子的振 动合成的，相似于简谐振动过程，幅值曲线从大n 4 又从小到大有规律的变化，所以它的 不平衡振动信号是一个拍振。由于试验过程中没有可进行分离的物料，现场采取通水的方 1 0 第三章卧螺离心机振动性能试验分析 式来模拟卧螺离心机在负荷状态下的工作状况，在通水前后卧螺离心机振动特性委瓦面戛面 图3 3 所示。 童 i 警 最 h 幸夏鼍 图3 - 3 群l 瓦负荷振动特性曲线 从图3 - 3 可以看出：通水瞬间振动迅速增大，负荷状态下的振动较空载状态下的振动明 显大。卧螺离心机在带负荷过程中，作用在转子上的力或力矩发生了变化，导致转子激振 力变大，因而振动也相应变大。这说明负荷对机组振动有较大影响，在机组优化设计时应 考虑负荷对机组振动特性的影响。 3 2 6 升降速振动特性曲线分析 波德图反映了机组启停过程中振动幅值和相位随转速的变化情况，包含了丰富的瞬态振 动信息。为了全面了解卧螺离心机启停过程中的振动特性，本文分析了升降速振动特性曲 线，如下图所示。 图3 - 4 撑1 瓦垂直升速特性曲线 图3 - 5 拌2 瓦垂直升速特性曲线 1 1 东南大学硕士学位论文 从振动特性曲线中可以发现：在升速过程中，各振动特性曲线存在明显的振动峰值。由 振动理论可知，振动峰值所对应的转速为转子系统的临界转速，据此可得卧螺离心机转子 系统的临界转速在1 0 0 0 r p m 左右，这一转速低于其在工作状态下的转速3 2 7 0 r p m ，表明卧螺 离心机转子支撑系统应视为柔性系统来考虑，这也与转轴固有频率测试所得到的结论一致。 3 2 7 振动信号频谱图分析 振动频谱图为振动信号中各种谐振成分的频率与振幅之间的关系图，它反映了复杂振动 信号中所含的频率分量。为了全面了解卧螺离心机统在工作转速下的振动特性，本文分析 了转子系统在工作转速下的频谱图，如图3 - 6 、3 7 所示。 从振动频谱图中可以发现：卧螺离心机在工作转速下轴振和瓦振信号中普遍含有一定量 的低频分量和高频分量，这将影响机组的总体振动水平。初步分析认为，振动信号中高频 分量与滚动轴承有较大关联。 3 2 8 不同型号减振器对机组振动影响分析 卧螺离心机组是一种高速旋转机械设备，其转速为每分钟数几百到数万转。由于转动中 回转系统的不平衡以及离心机在运转过程中还要加进物料( 物料的分布均匀程度等原因) 都将引起离心机的振动，当机组振动较大时，不利于机组长时间正常运行。为了降低机组 的振动，延长机组的使用寿命，保证操作人员的人身安全，卧螺离心机在机组设计时大多 采用隔振系统。为了分析减振器对机组振动特性的影响，本文分析比较了不同减振器对机 组振动特性的影响，试验过程中所用减振器分别记