基于磁流变阻尼器的密封减振技术实验研究

郭咏雪， 何立东， 李 宽

(北京化工大学 机电工程学院 高端机械装备健康监测与自愈化北京市重点实验室，北京 100029)

随着汽轮机、压缩机等透平机械向着高速、高效的方向发展，流体激振成为了造成转子振动加剧、叶片断裂等重大设备故障的重要原因之一。根据密封流体激振的形成机理，目前对于此种类型的振动防治主要有两条途径：第一是减小间隙流体的周向速度[1]，主要措施有反旋流法[2]和阻尼密封[3]减振方法，在工业中的应用较为广泛；第二是调整转子密封系统的偏心率，避免密封周向的不均匀压力分布，目前，偏心自调装置尚处于实验阶段，尚无应用[4]。何立东[5]分析了反旋流抑制密封流体激振的原理，吕江等[6]和吕成龙等[7]通过数值模拟和实验研究，验证得到反旋流喷嘴数量、喷射位置和喷射流量等对抑制密封间隙内流体激振的影响。阻尼密封[8]通过增加静子密封环内孔表面的粗糙度，降低密封腔中流体的周向速度，从而增大阻尼，减小密封的交叉刚度，抑制转子振动，其中蜂窝密封已成功应用于多种透平机械中[9]。

磁流变阻尼器作为一种新型的阻尼减振装置，能够对任意因素引起的机械结构振动起到良好的控制作用，在建筑、船舶和车辆领域[10]已得到了实验验证和应用。2001年，汪建晓等[11-13]开始将磁流变液引入转子系统，磁流变阻尼器在旋转机械上的应用，研究人员搭建了单盘悬臂转子系统，设计了一种环形剪切式磁流变阻尼器作为悬臂端转子支撑，对其减振性能进行了测试，结果表明磁流变阻尼器可以降低原临界转速附近振动降低。王锎等[14]将一种剪切式磁流变阻尼器引入齿轮平行轴系，研究磁流变阻尼器对齿轮传动轴系振动的控制规律，验证了磁流变阻尼器的阻尼可调特性。

本文基于密封流体激振的研究现状，将磁流变阻尼器应用至密封的减振当中，设计和搭建了相应的可安装磁流变阻尼器的立式密封转子减振实验台，开展了基于磁流变阻尼器的密封转子减振实验研究，取得了良好的实验效果。

1 基于磁流变阻尼器的密封转子减振实验台

1.1 磁流变阻尼器结构及工作原理

本文应用的磁流变阻尼器结构如图1和图2所示，主要由外壳、线圈、阻尼片、内环轴承和磁流变液等组成。

图1 磁流变阻尼器立体模型Fig.1 Three-dimensional map of magnetorheological damper

图2 磁流变阻尼器剖面示意图Fig.2 The profile of magnetorheological damper

磁流变液是磁流变阻尼器的主要工作部件。磁流变液具有磁流变效应，无磁场作用时，磁性颗粒在磁流变液中分散而杂乱；有磁场作用时，磁流变液会在几毫秒内发生明显变化，磁场使颗粒聚在一起并且形成链状结构，一定程度地增加黏度，并抵抗一定程度的剪切应力使其不发生断裂，能够对振动起到明显的抑制作用。除此之外，磁流变液产生的剪切应力或阻尼力随其所在的磁场强度的大小而变化，故磁流变液也具有良好的可调控性能。本实验所用的磁流变阻尼器的磁场来源于带电的控制线圈，当输入线圈的电流不同时，阻尼器即可产生不同大小的阻尼力。由此，便可通过改变控制线圈的电流大小来改变磁场的大小，从而改变阻尼器产生的阻尼力的大小。这一控制过程，有助于在设备运转过程中，针对不同程度的振动，提供对应的、适宜的阻尼力进行减振。

1.2 密封转子减振实验台

本文将磁流变阻尼器与密封转子系统相结合，设计和搭建了基于磁流变阻尼器的密封转子减振实验台，具体结构如图3和图4所示。

图3 实验台转子及阻尼器Fig.3 Test bench rotor and damper

图4 密封转子减振实验台整体Fig.4 Overall sealing rotor damping test bench

电机垂直安装在支架上，主动轴由电机经联轴器进行驱动，磁流变阻尼器与主轴通过其内部的滑动轴承进行连接。主轴末端连接有不锈钢圆筒，两者通过主轴自带螺纹及螺母及进行连接；不锈钢圆筒用以模拟密封转子，与转轴同步转动；密封转子的外侧套有另一个不锈钢圆筒以模拟密封静子，该密封静子固定在盛水容器上，不发生转动；密封转子与密封静子共同模拟了光滑密封结构，两者之间的间隙为密封间隙，实验中的单边间隙值为5 mm。密封静子的外侧为盛水容器，在密封间隙和盛水容器中填满水，作为密封介质。阻尼器线圈接入了直流电压输出器，为磁流变阻尼器提供工作电流。同时，在转轴末端安装有竖直方向和水平方向的电涡流传感器，以测试转子的振动位移幅值；在转子其他位置安装有光电传感器，以实时测试转子转速。各测点示意图如图5所示。

图5 电涡流传感器及光电传感器测点示意图Fig.5 Location of the measuring point

在电涡流传感器进行转子振幅采集的同时，利用基于Labview的数据分析及控制程序对数采集卡所采集的振动数据进行实时计算和分析，得到转子的振动情况，若振动较大，利用NI模块调控直流可调稳压电源的输出电压，改变阻尼器的输入电流，使阻尼器产生相应的阻尼力对密封转子振动进行控制，如此便可形成一个对密封转子振动的闭环控制系统。

2 基于磁流变阻尼器的密封转子减振实验研究

2.1 磁流变阻尼器对不同转速下密封转子的减振规律

密封转子转速的增加，会使得间隙流体的周向速度增加，而周向速度是引起激振的重要因素之一。本节通过改变转速来增加密封转子的振动，考察了磁流变阻尼器的抑振作用。实验测定了转速分别为40 r/min，60 r/min，80 r/min，100 r/min，120 r/min，140 r/min，160 r/min，180 r/min和200 r/min时密封转子的原始振动幅值和安装磁流变阻尼器之后的振动幅值。并对每种转速下，控制线圈电流分别为0.5 A，1.0 A，1.5 A和2.0 A时的磁流变阻尼器抑振效果进行了实验研究，获得了各转速的密封转子在不同电流下的振幅变化规律，如图6所示。

图6 不同电流下密封转子在测点1方向的振幅对比Fig.6 Comparison of the amplitude of the sealed rotor in the direction of measuring point 1 at different currents

图6中，电流为0 A时的振幅为原始振动。对比幅值可以看出，当磁流变阻尼器通入电流时，转子的振幅明显减小。其中，控制线圈的电流为0.5 A时，测点1和测点2分别在各转速下的振动幅值比原始振幅平均降低了30.19%；电流为1.0 A时，降低了59.24%；电流为1.5 A时，降低了65.44%；电流为2.0 A时，降低了66.65%。可以发现，振动降幅随着电流的增大而增大。

2.2 磁流变阻尼器对不同偏心率下密封转子的减振规律

密封转子系统的偏心率是引发激振的另一个重要因素，本文通过调整密封的偏心率，增大密封转子的振动，考察了磁流变阻尼器对由偏心率增大引起的密封转子振动的控制规律。实验中，将转子转速定为90 r/min，测定了密封转子偏心率为0，0.2，0.3，0.4和0.6五种工况下的原始振幅，并改变磁流变阻尼器的线圈电流，测定了控制线圈电流为0.5 A，1.0 A，1.5 A，2.0 A时的转子振幅，对测点1和测点2的振幅进行矢量求和，得到的测量结果如图7所示。

图7 转速为90 r/min时不同偏心率下阻尼器对密封 转子的振动控制规律Fig.7 Rotation control effect of the damper on the sealed rotor at different eccentricity at 90 r/min

图7中，控制电流为0 A时的振幅曲线为各偏心率下密封转子的原始振动。由图7可以看出，随着偏心率的增大，转子振幅明显增大。为磁流变阻尼器的控制线圈通入电流后，振动得到明显抑制，并且通入的电流越大，振动降幅越大。其中，电流为0.5 A时，转子在各偏心率下的振幅相比原始振幅的下降幅度平均为15.8%；电流为1.0 A时，降幅平均为45.4%；电流为1.5 A时，平均降幅为61.48%；电流为2.0 A时，平均降幅为65.02%；可以发现，随着控制线圈电流的增大，转子的振动降幅也增大。当控制线圈的电流为2.0 A时，振幅几乎不随偏心率的增大而增大，有力验证了磁流变阻尼器对由偏心率增大而引起的密封转子振动的有效控制。

3 基于磁流变阻尼器的密封转子振动开关控制实验

由上节可知，密封转子转速的增加和偏心率的增加均会引起密封系统振动的增大，而磁流变阻尼器可以对该类振动实施简单有效的控制。基于此，本文进一步将由Labview软件平台开发的开关控制程序引入了磁流变阻尼器的电流控制当中，以实现对磁流变阻尼器线圈电流的开关控制，从而实现对密封转子系统振动的在线开关控制，其控制策略如图8所示，控制流程图如图9所示。

图8 基于磁流变阻尼器的密封转子振动开关控制原理图Fig.8 Schematic diagram of vibration control of sealed rotor based on magnetorheological damper

图9 基于磁流变阻尼器的密封转子振动开关控制流程图Fig.9 Switch control flow chart of seal rotor vibration based on MR damper

3.1 不同转速下密封转子振动开关控制实验

由图6可知，密封转子的振幅随转速的增大而增大，在40～100 r/min的振幅增速较快，在这个区间可以采用开关控制策略对其进行振动控制，设定振幅的门槛值为370 μm，当转子振幅超过370 μm时，Labview开关程序打开电流开关，为磁流变阻尼器的控制线圈通入电流。其中电流值可以自行设定，本实验设定了两种电流值，即0.5 A和1.0 A，分别对这两种电流值进行了开关控制实验，实验结果如图10所示。

图10 磁流变阻尼器对不同转速下的密封转子振动 的控制效果Fig.10 Magnetorheological damper for different speed of the sealed rotor vibration control effect

从图10可以看出，当密封转子的振幅开始超过370 μm时，基于Labview的开关程序能够及时打开电流开关，使电流值迅速到位，磁流变阻尼器及时作用于转子，转子振幅开始下降，最终分别在300 μm和160 μm左右保持平衡。其中电流为0.5 A时，控制后的密封转子振幅相对于原始振幅的最终平均下降率为31.15%；电流为1.0 A时最终下降率为58.94%。这一现象充分表明，基于磁流变阻尼器开展的开关控制，能够对不同转速下的密封转子系统的振动起到显著的抑制作用。

3.2 偏心引起的密封转子振动的开关控制实验

进一步对转子转速为90 r/min时由偏心率增大引起的密封转子振动进行开关控制实验。从图7可以发现，转速为90 r/min时密封转子的振幅随偏心率的增大而增大，在偏心率为0.2～0.4的振幅增长较快，在这一区间可以采用开关控制对幅度增大的振动情况进行控制。根据原始振动曲线，将打开电流的振动门槛值设定为349 μm，当转子振幅超过349 μm时，Labview开关程序打开电流开关，给磁流变阻尼器的控制线圈通入电流。电流值可以自行设定，本实验设定了两种电流值，即0.5 A和1.0 A，分别对这两种电流值进行了开关控制实验，实验结果如图11所示。

图11 磁流变阻尼器对由偏心率增大引起的密封 转子振动的控制效果Fig.11 The control effect of magnetorheological damper on the sealed rotor vibration caused by the eccentricity increase

由图11可以发现，对于由偏心率增大引起的密封转子振动，基于磁流变阻尼器的开关控制程序也能够起到良好的抑制作用。当转子振幅超过349 μm时，控制程序打开电流开关，磁流变阻尼器接入电流，转子振幅明显下降，两种电流工况最终分别在250 μm和120 μm左右保持平稳。其中控制电流为0.5 A时，各偏心率下控制后的振幅相对于原始振幅的平均下降率为35.38%；电流为1.0 A时，平均下降率为68.71%。实验发现，基于磁流变阻尼器开展的开关控制，能够成功抑制由偏心率引起的密封转子系统的振动。

4 结 论

将磁流变阻尼器引入密封转子系统进行振动控制，设计和搭建了安装有磁流变阻尼器的密封转子减振实验台，实验研究了磁流变阻尼器对不同转速和偏心率下的密封转子振动的抑制规律。结合磁流变阻尼器的可控性能，应用基于Labview的开关控制程序，对密封系统开展开关控制实验，获得了其控制规律。实验的主要结论如下：

(1) 磁流变阻尼器可以对密封流体激振起到显著的抑制作用。无论是由转速引起的转子振动，还是偏心引起的密封激振，均可以通过磁流变阻尼器进行控制，振动降幅最高达到65.02%。且这一降幅随着线圈工作电流的增加而增大，在减振过程中可以通过增加阻尼器的工作电流来增加抑振效果。

(2) 将基于Labview的开关控制引入磁流变阻尼器对密封转子的振动控制当中，通过改变转速和改变偏心率来增大转子的振幅，在线监测这一幅值并对其进行了开关控制实验，取得了良好的抑振效果。最高降幅可达68.71%，验证了将基于磁流变阻尼器的开关控制作为密封转子系统振动控制方法的可行性。