高速离心机挠性轴系设计

赵颖涛，楚江锋，严松

（西安捷盛电子技术有限责任公司,西安 710119）

引言

离心试验机的的旋转轴系采用刚性轴系，刚性轴心主要应用于低速、重载场合。在高速情况下，由于临界转速和旋转的自对中现象（工作负载的质量几何中心与主轴的回转中心趋于重合），此时轴需要发生弯曲，轴承需要能够产生径向移动，但轴为刚性，轴承也为刚性，变形量都很小。此时轴和轴承都要产生很大的内力来抵消发生变形的力，如果轴承强度不够或轴的强度不够都会引发失稳，造成整个系统的崩溃。随着军工航天事业的不断蓬勃发展，电子元器件的可靠性试验要求加速度越来越高，生产任务由原来的产品抽检筛选试验变为整体全部试验，对离心机性能和试验效率提出了很大的要求，随着要求不断提高，刚性轴系离心机的设计已经远远不能满足要求。总结刚性轴离心机的缺点有：振动噪声很大、承载能力很差、容易发生轴承失稳和对工作转盘的动平衡要求很高。基于以上原因，设计开发能够高速稳定运行的轴系尤为重要。挠性轴系是一种工作在临界转速之上的轴系结构，其工作转速高，设计合理的挠性轴承载能力和运行可靠性也大大提高。

1 挠性轴系的实施方式

挠性轴系统由弹性轴承座和细长轴部件组成，其结构如图1挠性轴系统结构。弹性轴承座采用弹性体8与金属材料嵌套结构，此结构的轴承座在径向和轴向均有一定量的弹性位移，用于细长轴5的摆动支撑。

细长轴部件的主体为细长轴5，细长轴5为细长结构，自身强度高，刚度小，正好满足了设计的需要，细长轴部件采用主轴上轴承7和张紧套6两处固定支撑，底部与卸荷轴4通过连接套6连为一体，上端通过轴承与弹性轴承座固定。

2 挠性轴系运动分析

根据图1建立挠性轴系的力学模型见图2。系统X与Y 方向的总刚度可以表示为式（1）：

图2中CV、CW表示主轴上下支承在X方向的刚度；

Cb、Ch表示主轴上下支承在Y方向的刚度。

建立设计的轴系运动微分方程：

式中：

M—转子质量；

χ—轴系转动惯量；

ε—轴系不平衡度。

从图1可看出

根据已知条件求解得

式中：

Ω—轴系运动的转速；

wx,wy—轴系在X和Y方向的一阶临界转速。

由于转子在X，Y方向各向同性，因此有：

整理轴心轨迹运动方程可得

分析式（6）的轴心运动轨迹方程知，在转子角速度Ω一定的情况下，运动轨迹为一个圆心在轴心，半径为的圆。通过式（6）绘制图3振动幅值—角速度曲线，从图3振动幅值—角速度曲线可以得出：

当0＜Ω＜wn时，轴系随着角速度Ω的不断增大，振动加剧；

当Ω=wn时，出现圆的半径无穷大的情况，也就是系统轴系发生了共振；

当wn＜Ω＜∞时，轴系随着角速度Ω的不断增大，振动的半径愈来愈趋近不平衡量ε。

图1 挠性轴系结构图

图2 挠性轴系力学模型

3 试验分析

试验中需要分析：

a.轴心轨迹是不是一个标准的圆形；

b.轴心轨迹是不是按照图3 中的曲线运动。

在图1的挠性轴结构中加入用于检测主轴摆动的摆动传感器，摆动传感器的检测图如图4所示。

在X和Y方向分别安装摆动位移传感器。实验时将探头距离被测轴距离0.5 mm，将距离0.6～1 mm之间的距离划分为20量级，相邻的两个量级中大量级比小量级大0.025 mm。检测数据表见表1。

从表1中的X方向对应的距离和 Y方向对应的距离可以看出在相同的转速条件下，在X方向和Y方向的振动偏移距离是一致的，这说明，轴心运动轨迹曲线是一个标准的圆形轨迹。

从表1中的各个转速对应的偏移距离来看，系统的临界转速wn=2 820 r/min，此时振动量级最大，达到20，通过拆卸下来的传感器发现，在传感器的探测前端有明显的擦痕，说明轴的摆动有可能要大于振动量级测量值20，为了使设备能够安全的通过临界转速可以提高系统的升速时间，使其快速通过临界转速。

在轴系转速处于0＜Ω＜2 820时，在65 r/min的转速时，量级相对较大，然后随着转速升高，量级慢慢回落，再慢慢增大直到临界转速时达到17，在65 r/min时振动较大的原因可以归结为系统启动时转盘的转动惯量较大，出现轴的扭转引起。为了减小离心机升速过程中共振现象对设备的损害，在设计升速中应该采取快速升速方法，快速通过共振转速区。通过试验监测发现轴心轨迹复合理论分析结果：

图3 振动幅值—角速度曲线

在轴系转速处于2 820＜Ω＜19 850时，振动量级从17快速回落到14、8最后固定在3，可以说明在这个阶段的主轴的振动慢慢趋于不平衡量ε，出现自对中现象。与理论分析结果相同。

图4 摆动传感器检测示意图

表1 轴心轨迹振动量级表

4 结论

高速离心试验机挠性轴系应用弹性轴承座和挠性轴，解决了转子运动过程中的力和变形位移的补偿问题。主轴的临界转速低，系统在此时快速通过临界转速对设备的安全和可靠性影响不大，在高速旋转时，振动趋于自对中，噪声很小，转动很平稳，解决了以往离心机振动大，噪声大，转子系统不稳定的弊端，推动了离心试验机的整体向前发展。