磁流变阻尼器控制双跨转子轴系振动研究

王锎，何立东，邢健，王晨阳，黄秀金

(北京化工大学化工安全教育部工程研究中心，北京 100029)

磁流变阻尼器控制双跨转子轴系振动研究

王锎，何立东，邢健，王晨阳，黄秀金

(北京化工大学化工安全教育部工程研究中心，北京 100029)

针对大型旋转机械通过临界转速时振动过大问题，搭建双跨转子实验台，模拟试车过程。不改变转子轴系原有支撑形式，在两根轴上分别安装一台自主设计的磁流变阻尼器，实验研究阻尼器对轴系各跨转子振动影响规律。结果表明，阻尼器可有效抑制所在轴临界转速附近的振动，而对相邻轴无影响。据实验结果提出由开关控制双跨转子轴系通过两阶临界转速过程中的振动。结果表明，开关控制可在线抑制转子轴系通过临界转速时振动，避免轴系因振动过大被迫停机。

磁流变阻尼器;阻尼减振;双跨转子轴系;开关控制

能源、石化等领域诸多大型旋转设备普遍采用多轴串联运行形式，如低、高压离心压缩机串联机组。各跨转子虽经严格动平衡后串联组装，但运转时仍可能发生强烈振动［1］。因常采用现场动平衡消除轴系不平衡振动，需反复启、停机，故经济损失严重［2］。

安装附加阻尼器抑制轴系振动，尤其降低临界转速附近振动，使轴系安全通过临界转速达到工作转速，为有效解决轴系不平衡振动问题方法。磁流变阻尼器作为智能装置，对其在旋转设备中的应用进行过较多研究［3－4］。孟光等［5－8］利用磁流变液［9－10］的流变效应制成阻尼器，调节系统阻尼或刚度特性，建立阻尼器－单盘悬臂柔性转子系统模型，发现阻尼器可大幅增加系统刚度、降低原临界转速附近振动;数值模拟仿真［8］表明，磁流变阻尼器可使转子安全通过前两阶临界转速。

本文搭建双跨转子轴系实验台，研究阻尼器对轴系各跨转子振动影响规律，并在不停机情况下抑制双跨转子轴系通过两阶临界转速时的振动。

1 磁流变阻尼器结构与特性

磁流变阻尼器利用磁流变效应。磁流变液在无磁场条件下呈低粘度牛顿流体特性，而在强磁场作用下，呈高粘度低流动性流体特性。图1为磁流变阻尼器安装示意图。图2为阻尼器结构示意图。阻尼器由连接轴承、阻尼片、磁流变液、铁芯及线圈组成。阻尼片上下交叉排列，分别与连接轴承及底板固定，阻尼片间有一定间隙，铁芯与实验台固定。

图1 磁流变阻尼器双跨转子轴系试验台示意图Fig.1 Structure of damper andtwo－span rotors bench

选用Bingham模型［11－12］描述阻尼力与电流间关系。阻尼力Fm(I，t)为

式中:S为磁效面积;η为磁流变液粘度;I为电流;h为阻尼片间隙;τy为磁流变液屈服应力。

磁流变阻尼器电流与磁场强度对应关系见表1。

图2 磁流变阻尼器结构示意图Fig.2 Structure of the damper

表1 电流与磁场强度对应关系Tab.1 Correspondence between the current and the magnetic field strength

2 实验结果与分析

2.1 实验台参数

双跨转子轴系实验台包括驱动电机、两个经典Jeffcott转子及两个弹性联轴器，见图3。轴系基本参数见表2。选用螺纹式弹性联轴器，其扭转刚度近似取1 000 N·mm。阻尼器1安装于转盘1右侧80 mm处，阻尼器2安装于转盘2右侧60 mm处。所用磁流变液由羰基铁粉(粒径3～5 μm)、二甲基硅油(粘度500 cst)及活性剂按一定比例、工艺自制而成。

图3 双跨转子实验台Fig.3 Two－span rotors bench

表2 双跨转子轴系基本参数Tab.2 The basic parameters of two-span rotors system

2.2 轴系振型计算与分析

据实验台基本参数，通过Dyrobes软件建模计算轴系一、二阶振型，见图4。由图4(a)看出，轴系一阶临界转速为2 881 r/min时轴2振动显著，轴1振动较小，因此要求阻尼减振装置降低轴2的振动，而不对相邻轴1振动产生负面影响。由图4(b)看出，轴系二阶临界转速为4 198 r/min时轴1振动显著，轴2振动较小。因此要求阻尼减振装置降低轴1振动，而不对相邻轴2振动产生负面影响。因此，利用磁流变阻尼器的可调特性，通过分别控制两个磁流变阻尼器抑制轴系两跨转子振动。

图4 双跨转子轴系振型Fig.4 Vibration mode of two span rotors

2.3 阻尼器对双跨转子轴系振动影响规律研究

轴系由0 r/min升速到5 000 r/min，实验获得转子系统一阶临界转速约为2 900 r/min，二阶临界转速约为4 200 r/min，与计算结果基本相符。为验证磁流变阻尼器抑制轴系振动方法，分别在轴1安装阻尼器1，在轴2安装阻尼器2，研究单个阻尼器对本跨转子及相邻跨转子振动的影响规律。

2.3.1阻尼器2对轴系振动影响规律

由于轴系一阶临界转速2 900 r/min附近轴2振动显著，轴1振动较小，故只给阻尼器2通电，研究阻尼器2对轴2、轴1振动影响规律。阻尼器2工作时对轴2振动影响:阻尼器1不通电，阻尼器2分别通入0 A、0.6 A、1.0 A电流，对比轴2的振动数据，见图5。由图5看出，阻尼器2通入电流后，轴系原一阶临界转速附近轴2振动减小，如通入电流1.0 A时，振动由163 μm降为115 μm，降幅30%。

阻尼器2工作时对轴1振动影响:阻尼器1不通电，阻尼器2分别通入0 A、0.6 A、1.0 A电流，对比三种情况下轴1振动数据，见图6。由图6看出，安装在轴2的阻尼器2对轴1振动影响很小。

2.3.2阻尼器1工作对轴系振动的影响规律

由于轴系二阶临界转速4 200 r/min附近轴1振动显著，轴2振动较小，故仅阻尼器1通电，研究阻尼器1对轴1、轴2振动影响规律。

阻尼器1工作时对轴1振动影响:阻尼器2不通电，阻尼器1分别通入0 A、0.6 A、1.0 A电流，对比三种情况下轴1振动数据，见图7。由图7看出，阻尼器1通电后轴系原二阶临界转速附近轴1振动明显降低，如通入电流1.0 A时振动由525 μm降为220 μm，降幅57%。

阻尼器1工作时对轴2振动影响:阻尼器2不通电，阻尼器1分别通0 A、0.6 A、1.0 A电流，对比三种情况下轴2振动数据，见图8。由图8看出，安装于轴1的阻尼器1对轴2振动影响较小。

实验表明，磁流变阻尼器可在轴系一阶临界转速附近降低轴2的振动、对轴1无影响;在二阶临界转速附近降低轴1振动，对轴2无影响。阻尼器2工作时会增加轴2在转速4 200 r/min后的振动(图5)，故要求阻尼器2在4 200 r/min后断电停止工作。而阻尼器1工作时会增加轴1在转速4 800 r/min后的振动(图7)，故要求阻尼器1在4 800 r/min后断电停止工作。

图5 仅阻尼器2工作时轴2振动数据Fig.5 Vibration data of shaft 2 with only damper 2 working

图6 仅阻尼器2工作时轴1振动数据Fig.6 Vibration data of shaft 1 with only damper 2 working

图7 仅阻尼器1工作时轴1振动数据Fig.7 Vibration data of shaft 1 with only damper 1 working

图8 仅阻尼器1工作时轴2振动数据Fig.8 Vibration data of shaft 2 with only damper 1 working

图9 轴2开关控制过程Fig.9 On－off control of shaft 2

图10 轴1开关控制过程Fig.10 On－off control of shaft 1

2.4 双跨转子轴系振动控制方法研究

基于以上研究，确定阻尼器2工作区间为2 500～ 4 200 r/min，阻尼器1工作区间为3 400～4 800 r/min。通过Labview程序采集转速信号进行转速判别，控制两阻尼器是否工作。

转子从0 r/min逐渐升速，达到2 500 r/min时阻尼器2通入电流(1.0 A)，此时轴2振动幅值由116 μm降低到80 μm，见图9;转速达到3 400 r/min时阻尼器1通入电流(1.0A)，此时轴1振动幅值由325 μm降低到175 μm，见图10;转速达到4 200 r/min时阻尼器2电流断开。转速到达4 800 r/min时阻尼器1电流断开。然后继续升速到5 000 r/min到工作状态。

由图9看出，施加开关控制后，轴2振动最大峰值出现在3 000 r/min附近，原一阶临界转速附近振动得到较好抑制，振幅减小32%。由图10可见，施加开关控制后，轴1振动最大峰值出现在4 800 r/min附近，原二阶临界转速附近振动得到较好抑制，振幅减小34%。因此，开关控制可在不停机情况下抑制双跨转子轴系通过两阶临界转速时的振动。

3 结论

实验结果表明，据双跨转子轴系的运行参数(如转速)，通过开关控制两个磁流变阻尼器工作状态可抑制双跨转子轴系通过两阶临界转速时的振动。

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Two-span rotors system's vibration control by magneto-rheological dampers

WANG Kai，HE Li－dong，XING Jian，WANG Chen－yang，HUANG Xiu－jin
(Engineering Research Center of Chemical Technology Safety Ministry of Education，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China)

In order to solve the problem that the vibration of rotating machinery is usually too large around the critical speed，a bench for two－span rotors system test was established to simulate the starting process.Without changing original supports of the rotors system，two self－designed magneto－rheological dampers were installed on each shaft. Different working conditions were set to study the influences of different mounting position and operating current of dampers.The results show that the damper can reduce the vibration of the shaft where the damper was installed near the critical speed.According to the test results，an on－off control method was proposed to control the two－span rotors＇vibration.The results show that the on－off control method can reduce the vibration when the rotors went through the critical speed of first and second orders without stopping the machine.

magneto－rheological damper;vibration damping;two－span rotors;on－off control

TH165+.3;TB535+.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.02.026

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2012CB026000);教育部博士点基金资助项目(20110010110009)

2013－11－08修改稿收到日期:2014－01－09

王锎男，硕士生，1991年生

何立东男，教授，博士生导师，1963年生

邮箱:he63@263.net