连续注排液式平衡头在超重力机转子振动控制中的应用

连续注排液式平衡头在超重力机转子振动控制中的应用

悬臂端平衡问题超级重力机是利用床层旋转原理创造稳定且调节的离心力场，而不是传统的重力场。由于超重力机出色的强化传递性能,使其在化工、环保和材料等领域得到了广泛应用。但在实际应用中多为中、小型超重力机且运行周期较短,大型超重力机经过长期运转之后存在着一个振动过大的瓶颈问题。这是由于气液两相在离心力场反应过程中,填料盘中留有固体和液体的残留物随转子一同转动,经过长期积累会使整个转子产生质量不平衡,且超重力机转子悬臂端轴向尺寸较大,稳定性差,使得转子对悬臂端填料盘上的质量不平衡较为敏感,必然会产生严重振动。目前的解决办法是停机清洗,但这必然会影响到工业生产,这类振动的特点是振动的大小及相位会发生不规律的变化,这主要是由于物料盘中积累的残留物可能脱落造成的。目前,解决转子振动的主要办法是转子在线平衡,其关键部件是自动平衡头。国内主流平衡头有电磁式平衡头和注液式平衡头。电磁式平衡头在转子振动控制上取得了较好的效果,但是成本昂贵,难以推广。注液式平衡头由于注液腔内的液体无法排出,经过一段时间的使用,平衡头会失去调节能力。贺世正等人报道了一种转子自动平衡释液式平衡头的设计,使各储液室在满了以后可以通过一个电磁阀释放掉其中的液体,克服了普通注液式平衡头的缺点。然而在旋转的平衡头上安装活动的电磁阀部件又增加了制造难度,降低了可靠性,失去了注液式平衡头的优点。此外,由于没有液体量的测量方法,要等到失去调节能力才能判断储液室已满,这会使调节效果变差。为解决以超重力机为代表的振动大小和相位会发生不规律变化的这一类旋转机械设备的振动问题,本文提出了运用“自衡”原理的在线连续注排液自动平衡系统来控制转子振动的方法,并通过试验验证了该方法的有效性,为今后研究转子失衡故障自愈调控问题和注排液平衡系统提供了条件。1不同初始振动幅值的测量在超重力机振动自动平衡系统中,首先需要解决的问题是平衡头安装位置的优化设计及所需提供的平衡能力分析。超重力机转子上的不平衡量主要来自填料盘上的固体物料残留,且物料盘正下方的位置具有安装空间,此处是安装平衡头的最佳位置。图1所示为超重力机转子有限元模型。图中填料盘质量m=34.5kg,直径为450mm,填料盘的极转动惯量Jp=1.045kg·m2,直径转动惯量Jd=0.52kg·m2,工作转速为1495r/min。由于支承该转子的轴承为滚动轴承,该类轴承的支承刚度较高,这里取轴承主刚度系数为k11=k22=1×107N/m,交叉刚度系数为k11=k22=0.4×107N/m。由于该轴承的阻尼很小,这里忽略它对振动的影响。将电涡流传感器安装在物料盘下面与轴垂直的方向上。工作转速下,测得该超重力机的初始振动幅值为80μm。忽略转子系统的非线性因素,经过对不同虚拟不平衡量下的振动响应进行插值计算,得到此时转子的残余不平衡量为18733.5g·mm。因此连续注排液平衡系统所提供的不平衡量必须大于等于此值。由于超重力机产生振动的主要原因是反应产生的固体物质和剩余液体残留物在填料盘中,填料盘随转子一起转动,长期的积累会使转子产生巨大的不平衡量。据用户报告运行一段时间后会产生1000g左右的残留物质,试验用的超重力机填料盘直径为450mm,最大可以产生25000g·mm的不平衡量。因此连续注排液平衡系统应能提供比25000g·mm更多的补偿平衡量。2储液室平衡盘设计注液式平衡头是采用不停机在线向平衡头上的储液室里注入液体来调节配重的。分析超重力机的不平衡量形成原因属于不平衡量相位频繁变化的情况,为解决这一问题,参考释放液体式自动平衡头的设计,利用液位在离心力场下的“自衡”原理研究设计了一种连续注排液式的自动平衡头。采用不受控的连续排液,利用离心力场中进液和排液的动态平衡,通过调节进液流量使进液和排液的平衡改变,从而使储液室液位变化并在新的储液室液位下进液和排液达到动态平衡,达到改变转子质量不平衡量的目的。对于平衡盘的平衡能力可以进行如下计算。对某一扇形夹角为θ、厚度为h的扇形空腔储液室,液体产生的质量不平衡矢量U可通过积分算得,见图2。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,该不平衡量在中心线方向的分量|dU|为|dU|=ρhr2cos(α)dαdr(1)|dU|=ρhr2cos(α)dαdr(1)对|dU|在α∈(−θ2,θ2),r∈(r1,r2)α∈(-θ2,θ2),r∈(r1,r2)范围内进行二重积分(其中r1为液面所处位置的半径),可得该储液室产生的总不平衡量U的幅值|U||U|=∫r2r1∫θ2−θ2|dU|dαdr(2)|U|=∫r1r2∫-θ2θ2|dU|dαdr(2)将式(1)代入得|U|=∫r2r1∫θ2−θ2ρhr2cos(α)dαdr(3)|U|=∫r1r2∫-θ2θ2ρhr2cos(α)dαdr(3)积分可得|U|=23ρh(r32−r31)sinθ2(4)|U|=23ρh(r23-r13)sinθ2(4)对于三室的平衡头,θ=2π3θ=2π3,如忽略隔壁厚度可得|U|=3√3ρh(r32−r31)(5)|U|=33ρh(r23-r13)(5)根据试验使用超重力机的设计需求,平衡头是一直径为400mm的铝制圆盘,分为3个中心对称的扇形储液室,只需对其中2个储液室进行注液,就可以调节任意角度的不平衡量。针对试验用平衡盘容积最小的一个腔r2=188mm,r1=92.5mm,假设选择水为调节液体,将ρ代入式(5)可得|U|=263467g⋅mm(6)|U|=263467g⋅mm(6)式(6)表明,当平衡盘容腔最小的腔注水后已经完全满足消除超重力机正常振动的需要,对于三腔平衡盘,相邻两腔产生的平衡合力为3√U3U。因此,可以有效地消除某些极端振动情况。3转子振动测量在将连续注排液平衡盘安装到超重力机之前,采用台钻作为转子驱动装置,选择转速为1000r/min,构造一个自动平衡模拟系统,如图3所示。图中①为测量系统,采用2个电涡流的位移传感器,量程为±1mm;②为注液管;③为平衡盘。数据采集卡选用NI公司的PCI-6220,自制信号调理板,数据分析和控制平台采用NI公司的LabView软件。转子转动稳定之后,测量转子的原始不平衡量产生的振幅为32μm,相位为255°。经过25s的连续注排液平衡系统的自动控制,可以将振幅减小到8μm左右,为原来的1/4。如图4所示,后半段为停止自动平衡后不平衡量的过渡情况:在90°±10°的范围贴着围边加入总重为75.38g的橡皮泥条,计算得到产生的不平衡量为1.37×104g·mm,测量得到振幅为72μm左右。在台钻开机转速稳定后进行闭环控制试验,得到振动幅值过渡曲线如图5所示。前半部分为转速稳定后自动进行自动平衡的过渡曲线,经过25s的调整后,可以将振动幅值调节到10μm以下,但是PID控制存在过调情况,完全将振动调节稳定在10μm需要75s。调节过程经过两次超调振荡调整后稳定下来,保持在10μm左右,不到原来的1/7,后半段为停止自动平衡后总的不平衡量的过渡过程。