连续注排液式自动平衡系统的研究

连续注排液式自动平衡系统的研究

不平衡是旋转振动失败的主要原因。这些缺陷严重影响了设备的生产效率和使用寿命。传统的平衡方法是对转子进行离线平衡,这在一定程度上增加了维修开销。转子在线平衡系统不但能够及时降低振动,而且能够在设备的长期运转过程中调整不平衡状态,从而保持设备的良好运转过程。目前应用的主要在线平衡系统分为两类,一类是电磁式平衡系统,另一类是注液式平衡系统。注液式自动平衡系统的原理是利用调整平衡盘上的多个腔内的液体来补偿转子的不平衡,每一个腔体对应不同的注液孔,注液孔通过电磁阀进行控制。系统根据转子不平衡情况向不同腔内注入不同质量的液体,以改变平衡头的重心位置,达到在线平衡。但是常规的平衡盘及传统注液算法存在两个缺点,一是常规注液式平衡盘在工作一段时间后由于液体无法排出会失去平衡能力。针对这一问题,高金吉、张鹏等设计了连续注排式自动平衡装置。该平衡盘在各个腔室外沿设计有排液小孔,在设备运行时,液体会由于离心力而被排出平衡盘。通过不受控的排液和可控的注液来控制腔内的液体容量,从而避免了平衡盘容腔被注满失去平衡能力的缺陷。二是传统的注液算法常会出现首次注液振动增大的情况,这种瞬时的振动突增危险性更大,本文的研究内容解决了这一问题。另外,传统单注液式平衡系统采用的电磁阀在工作过程中开关频繁,容易造成故障,使设备无法正常工作,为解决这一隐患,利用多台蠕动泵研制了流量控制系统,提高了系统的可靠性。使用连续注排液式平衡盘,构建转子振动在线实时自愈系统。利用矢量平衡法计算转子的振动和不平衡量的关系,从而能够将测得的振动准确的转换为转子上的不平衡量,使注液系统能够准确的注液,避免了首次注液振动会增大的情况。并且该系统具备单注液式和注排液式两种工作模式,对于振动变化比较剧烈的设备,可以选择注排液式;对于振动变化不大的设备,可以选择单注液式的工作模式。1转子振动信号的求解以超重力机悬臂转子为研究对象,构建实验装置,研究转子的不平衡响应。实验室用超重力机是一台由于振动问题无法正常进行生产的设备,其结构如图1所示。其物料盘直径为450mm,据用户报告运行一段时间后会产生1000g左右的残留物质,因此最大可能产生225000g·mm的不平衡量。超重力机转子工作转速为1495r/min,通过有限元方法计算其一阶临界转速为3810r/min,因此可以将此转子看为刚性转子。在此转子上加上一定的配重后,会产生一定的不平衡响应,对于转速稳定的转子来说,可以计算不平衡量和响应之间对应关系即影响系数k。方法如下:(1)测量转子的原始振动为→y0y⃗0;(2)加配重在转子上,记为→ypy⃗p;(3)重新测量转子的振动为→yly⃗l;可计算k=→yl-→y0→ypk=y⃗l−y⃗0y⃗p。得到影响系数k值后,系统就可以将实时振动信号转为不平衡量。假设超重力机转子运行过程中实时测到的振动→yly⃗l,则产生该振动的不平衡量可计算得:→U=→yikU⃗=y⃗ik(1)根据刚性转子的平衡方法,只需知道转子不平衡量的振幅和相位,即可通过质量补偿,消除振动。则消除振动所需要的配重为:→Ui=-→U=-→yikU⃗i=−U⃗=−y⃗ik(2)在得到转子不平衡量之后,即可以通过注液将不平衡量消除。通过式(2)计算得到转子平衡所需的平衡量→UiU⃗i,其质量为Ug,相位为α,如图2中所示。从图中可以看到,如果要产生→UiU⃗i,则需要向平衡盘的B腔和C腔内注入液体,由于B腔和C腔内液体产生合力的方向已知(图2中UA、UB、UC三条带箭头的线),因此可以应用余弦定理求得B腔和C腔内液体质量,即:{cos(90°-α)=U2g+B2-C22UgBcos60°=B2+C2-U2g2BC⎧⎩⎨⎪⎪cos(90°−α)=U2g+B2−C22UgBcos60°=B2+C2−U2g2BC(3)因为Ug和α已知,因此可以求出B和C腔内应注入的液体量,当→UiU⃗i落在其他位置时,也可以根据余弦定理求出。将平衡盘紧靠在物料盘下方安装,并使平衡盘C腔区域内O点处与转子轴的键相槽相对应,O点是物理0°点,测得的相位也是以此点为基准。对于某一扇形夹角为θ,厚度为h的扇形空腔储液室,其中液体可产生的质量不平衡矢量U可通过积分算得,如图3所示。对于半径在r到r+dr范围,角度在α到α+dα范围内(以扇形角θ平分线方向向外为0°)的一微元体积M,其重量为(rdα)drhρ,其不平衡量为[(rdα)drhρ]r,则对于α∈(-θ2,θ2)‚r∈(r1,r2)(r1α∈(−θ2,θ2)‚r∈(r1,r2)(r1为液面所处位置的半径)范围内的储液室可产生的总不平衡量可得:|U|=∫r2r1∫θ2-θ2[(rdα)drhρ]rcosαdα⋅dr(3)实验用平衡盘为3腔设计,则θ=23π。如图3所示。根据式(3)和平衡盘的设计参数可得单腔可产生的不平衡量为:|U|=√33ρh(r22-r21)(4)从式(4)可以看到腔的平衡能力是由当前液面r1决定的,设备运行时,平衡盘腔内的液面难以测量,而平衡盘的排液速度是一定的,因此可以通过控制进液速度来得到式(3)计算所得的各腔的平衡质量。2旋转振动自我处理系统2.1u3000结论传统的注液式转子振动系统的注液部分多采用电磁阀或者阀组来实现流量控制,采用阀有两个缺点,一是小流量控制时,由于加工精度等影响,流量控制不精确;另一缺点是电磁阀在平衡过程中开关比较频繁,易发生故障,当某一路电磁阀出现故障时,系统将无法工作。因此考虑使用蠕动泵组来实现流量精确控制,并采用故障代偿的方法使流量控制系统具备故障自愈能力。图4是针对三腔式平衡头设计的蠕动泵组流量控制系统,由三台蠕动泵组成,分别向平衡盘的三个腔内注液,每相邻两路注液管用装有电磁阀的管道连接,并且三路注液管中安装有电磁阀和流量测量装置。计算机通过串口对蠕动泵进行控制,通过数字量I/O卡控制电磁阀的开关状态。在正常工作状态下,两台蠕动泵工作,一台后备,系统会实时判断管道中的流量是否和应该输出的流量一致,如果误差大于5%,则可判断该路蠕动泵出现故障;设图4种1号,3号蠕动泵正常工作,1号泵突然发生故障,此时系统会驱动2号泵工作,并同时打开2号泵和1号泵之间连通管道的电磁阀,关闭2号泵本身注液管道的电磁阀,实现系统的稳定可靠运行。2.2腔体注液矢量的确定图5是转子振动自愈系统框图。其中UA、UB和UC为平衡盘3个腔体注液矢量,fa、fb和fc为注液量。由于超重力机转子的振动变化比较剧烈,因此选用连续注排液的工作模式。图6是流量控制系统及实验台转子及测量装置和平衡盘的安装图。3振动自发调控结果(1)以物料盘转轴键相槽所处位置为0°点,在135°,半径220mm的地方加配重62.5g,振动自愈调控结果如图7中曲线1所示;(2)以物料盘转轴键相槽所处位置为0°点,在22.5°,半径180mm的地方加配重47.5g,振动自愈调控结果如图7中曲线2所示;(3)以物料盘转轴键相槽所处位置为0°点,在物料盘上方安装2个配重支架,2个配重螺丝通过棉线连接,棉线中间夹一段蚊香,点燃后启动设备,一段时间后棉线被烧断,配重螺丝产生瞬时不平衡量,振动自愈调控结果如图7中曲线3所示。从图7中,使用连续注排式平衡盘的振动自愈系统能在50s内将振动减小10μm左右,对于瞬时变化的振动也能快速反应,将振动保持在比较小的范围内。长时间实验显示,在平衡盘的平衡能力范围内,可以将振动控制在10μm以下。4测试结果及效果分析(1)实验研究结果表明,连续注排液自动平衡装置能解决常规注液平衡盘因腔被注满而失去平衡能力的问题,有效延长设备的生产周期,提高生产效率,减少维修成本,而且不会产生首次注液加大振动的故障。(2)通过在多角度加配重以模拟不同相位的振动的实验研究,表明该系统能够对各个相位的不平衡量进行快速消除,平衡效果明显。(3)该系统能够对瞬时振动变化快速响