基于ISFD的滑动轴承转子系统不平衡振动抑制研究*

路凯华,耿斌斌,何立东,陈 钊,王五四,张嘉洋

(1.北京航天动力研究所,北京 100076;2.北京化工大学 机电工程学院,北京 100029)

0 引 言

如今,液体火箭发动机涡轮泵、燃气轮机、汽轮发电机组和压缩机等旋转设备正朝着高转速、大功率、高效率、高精度等方向发展,苛刻的工作环境致使设备转子的同步振动响应较大,也使次同步振动易失稳问题愈发严重。

在我国“两机专项”中,燃气轮机转子结构动力学设计和振动控制技术被列为重点研究项目;而我国某型号液体火箭发动机也将历次热试车中涡轮泵转子的同步和次同步振动作为重点考察对象。这说明转子系统的振动响应是影响设备安全可靠和高效运行的关键因素。

在转子的振动故障中,不平衡故障是最常见的故障之一[1]。在现实生产工作中,设备交付出厂时,都会对转子进行动平衡处理,以确保其稳定运转。如果工作过程中出现了严重的不平衡振动,一般的处理方法是让设备停车,对其进行动平衡处理。这种处理方式不但费时费力,也会影响企业的生产效率和经济效益[2]。对于液体火箭发动机和航空发动机等设备而言,在其出现不平衡振动时,无法使其停车以进行动平衡处理,一般要在转子系统中采取振动控制措施(如鼠笼式挤压油膜阻尼器、金属橡胶阻尼器等),进行振动抑制。

整体式挤压油膜阻尼器(ISFD)的油膜阻尼可以大大提高转子系统阻尼比。国外的研究及工程应用结果表明,ISFD可以有效抑制转子的同步振动响应,解决次同步振动失稳问题[3-6]。和传统的挤压油膜阻尼器(squeeze film damper,SFD)相比,ISFD具有独特的结构形式。它采用电火花线切割加工技术,将弹性支承结构和挤压油膜结构集成于一体,具有结构简单、便于拆卸安装等优点,因而在工程应用方面的前景较好。

国内对ISFD的研究目前尚处于实验室试验阶段。黄文超[7]采用试验的方式,研究了ISFD对单跨和多跨转子过临界振动的控制效果,结果表明,ISFD可以有效控制单跨和多跨转子的过临界振动。余栋栋等人[8-9]开展了ISFD对转子不对中振动的抑制试验研究,结果表明,ISFD可以较好地降低转子的不对中故障振动。万方腾等人[10]以双盘悬臂转子为研究对象,研究了ISFD进油方式对减振效果的影响。闫伟等人[11]将ISFD用于抑制密封-转子系统的流体激振,试验结果表明,基于ISFD的转子系统减振效果良好。LI Geng等人[12]运用CFD方法,对ISFD的阻尼系数进行了计算。路凯华等人[13-17]采用理论计算和试验研究的方式,探明了ISFD可以较好地控制齿轮传动系统的振动(由啮合激励和轴系故障引起的)。DONG Huai-yu等人[18]采用试验的方式,研究了齿轮轴系安装中心距存在误差情况时,基于ISFD的齿轮轴系减振效果。

总体而言,以上研究中的ISFD均是基于滚动轴承进行设计的,且试验台规模较小,试验条件相对较为理想;而现在很多设备由于高转速和大功率的需要,设计时往往是基于滑动轴承设计的,因而由不平衡故障引起的振动是影响这些设备安全运行的关键因素。

笔者以实验室现有的转子试验台为基础,设计一种安装有滑动轴承的ISFD阻尼支承;对ISFD的减振机理进行介绍,并对ISFD阻尼支承结构进行设计;运用有限元方法,对该支承结构中ISFD弹性体的径向刚度特性进行研究。

为探究该阻尼支承对滑动轴承转子系统不平衡故障振动的抑制效果,笔者搭建单盘对称转子试验台,在转子上模拟不平衡故障;对比刚性支承和ISFD阻尼支承两种支承下转子的振动,研究该阻尼支承结构对滑动轴承转子系统不平衡振动的控制效果,以期为ISFD的实际工程应用提供借鉴。

1 ISFD阻尼支承设计

1.1 ISFD减振机理分析

ISFD是一种被动减振装置。它主要包括ISFD弹性体和位于其两侧的挡油板。

ISFD弹性体基本结构如图1所示。

图1 ISFD弹性体基本结构

图1中,ISFD弹性体由内、外边缘组成,内、外边缘之间是环向布置的S形弹簧和被S形弹簧隔断的挤压油膜区域。ISFD弹性体的外边缘与轴承座配合安装,内边缘安装轴承。润滑油进入挤压油膜区域,然后由弹性体与两侧挡油板之间的缝隙流出[19]。环向布置的S形弹簧可以降低支承的径向刚度,用于调节转子的临界转速。

ISFD的能量耗散机理为:

转子运行过程中产生的径向振动,通过轴承作用在ISFD弹性体上,挤压油膜产生流动;同时,在润滑油流出弹性体与两侧挡油板之间的缝隙会产生憋压,即油膜流动过程中会产生黏性阻尼力和活塞效应阻尼力,以此耗散转子系统的振动能量。

此外,ISFD中分割的油膜结构,使得润滑油不会沿着环向流动,只能轴向流动。因此,相比于传统SFD,这种隔断油膜结构将大大减小转子的非线性油膜力(大涡动工况下),从而提高转子系统的稳定性。

1.2 ISFD阻尼支承结构安装

笔者以实验室现有的转子轴承支承为基础,设计了适配的ISFD阻尼支承。

ISFD阻尼支承具体结构如图2所示。

图2 ISFD阻尼支承

ISFD阻尼支承主要由ISFD弹性体和2个挡油板组成。ISFD弹性体上设计有油槽,用于储存润滑油。弹性体通过油槽两侧的环形台阶安装于轴承座上,并使用螺钉固定挡油板和ISFD弹性体。

笔者设计的ISFD弹性体结构如图3所示。

图3 ISFD弹性体

在弹性体的内环安装有可倾瓦滑动轴承。沿着弹性体环向,布置有8个S形弹簧,S形弹簧之间是挤压油膜区域。

ISFD弹性体S形弹簧和挤压油膜区域的具体结构参数如表1所示。

表1 ISFD弹性体S形弹簧和挤压油膜区域结构参数

笔者采用电火花线切割工艺加工S形弹簧和挤压油膜区域。其中,S形弹簧可以降低轴承支承的径向刚度,挤压油膜区域的油膜阻尼可以提高转子系统的阻尼比,减小转子系统的振动响应。

沿着弹性体径向,设计有8个进油孔。其中,4个长进油孔为滑动轴承和长挤压油膜提供润滑油,4个短进油孔为短挤压油膜提供润滑油。

转子运行过程中,润滑油通过轴承座上的进油孔,以一定压力进入ISFD弹性体的环向油槽,其经过8个进油孔分别进入挤压油膜区域和滑动轴承。进入挤压油膜的润滑油沿着弹性体向两侧轴向流动,从ISFD弹性体和挡油板之间的缝隙中流出。

1.3 ISFD弹性体径向刚度特性

笔者运用有限元分析软件Workbench,对所设计的ISFD弹性体的径向静刚度进行计算。

设置弹性体的材料为不锈钢,其材料力学参数如表2所示。

表2 ISFD弹性体材料力学参数

此处网格类型选择四面体网格,采用自适应划分方法,设置单元尺寸为2 mm。

笔者建立的有限元模型如图4所示。

图4 ISFD弹性体有限元模型

边界条件设置:将ISFD弹性体的环形外边缘设置为固定约束,在弹性体内环的径向设置静态载荷,计算弹性体对应方向上的位移。

笔者在ISFD弹性体内圈径向施加3 000 N～7 000 N的静载荷,通过计算得到弹性体的位移值,如表3所示。

表3 ISFD弹性体的静位移

ISFD弹性体在3 000 N下的静位移云图如图5所示。

图5 ISFD弹性体在3 000 N下的静位移云图

根据表3中的载荷和位移数据,笔者绘制弹性体静载荷位移曲线,如图6所示。

图6 ISFD弹性体静载荷位移曲线

由图6可知:笔者设计的ISFD弹性体在较宽的载荷范围内,其位移值与静载荷呈线性关系,即表明ISFD弹性体具有优良的线性刚度特性。

2 振动抑制实验

2.1 两种轴承支承结构

为了研究设计的ISFD阻尼支承对转子不平衡故障振动的抑制效果,笔者提出了一种参照支承结构,即刚性支承。

两种轴承支承结构如图7所示。

图7 两种轴承支承结构

笔者对比两种轴承支承工况下转子的振动值,以研究ISFD对滑动轴承转子系统不平衡故障振动的抑制效果。

2.2 试验台与参数设置

笔者在实验室搭建了单盘对称转子试验台,如图8所示。

图8 单盘对称转子试验台

该试验台包括三相异步电动机、柔性联轴器、轴承支承、轴、转盘和油泵。

其中,转盘安装于转轴的中间位置。联轴器采用捆扎式柔性联轴器,变频调速器用来实现电机转速的调节。油泵通过两根进油管分别给2个轴承座供给润滑油,为ISFD和滑动轴承供油压力为0.7 MPa,润滑油牌号为L-TSA 32。

试验台结构参数和材料参数如表4所示。

表4 试验台结构参数和材料参数

试验台所用设备的型号如表5所示。

表5 试验用设备型号

滑动轴承结构参数如表6所示。

表6 滑动轴承结构参数 (单位:mm)

试验台测量系统由LC-8000机械故障诊断系统、前置器、1个光电转速传感器和2个电涡流位移传感器组成。转子的转速靠光电传感器进行测量。

此外,笔者在转子的水平和竖直方向分别设置一个电涡流传感器,实现振动位移测量。测量信号传入前置器和LC-8000故障诊断系统,用于显示和分析。LC-8000的采样点数为256,分析频率为100 Hz。

3 实验结果与分析

在开展试验前,笔者采用动平衡仪对转子系统进行动平衡处理,以尽量减少转子本身的不平衡对其响应的影响。

笔者在转盘0°相位的螺栓孔上安装一个质量为27.4 g的螺栓,用来模拟转子的不平衡故障。该螺栓孔到转盘中心的距离为120 mm(即在转盘上施加的不平衡量为3.29 kg·mm)。

3.1 不同转速工况下转子的振动

笔者通过调节变频调速器来改变转子的转速。在试验过程中,设置转速范围为900 r/min～2 200 r/min,转速每增加100 r/min,测量系统存储1次转子转速和振动数据。

不同转速工况下,转子安装刚性支承和ISFD阻尼支承时,其在x和y方向的振动、位移峰峰值如图9所示。

由图9的振动数据曲线可知:在刚性支承工况下,随着转速的提高,转子的振动值呈现增大的趋势;安装ISFD支承后,每个转速下转子的振动值相比刚性支承工况时都有所降低。随着转速的提高,转子振动值所呈现的增大趋势有所减缓。

以1 800 r/min转速工况为例,刚性支承下,转子在x和y方向的振动峰峰值分别为87.06 μm和79.38 μm;改装ISFD阻尼支承后,转子在x和y方向的振动峰峰值分别为53.6 μm和40.2 μm,振动降幅分别为38.4%和49.4%。

这表明,ISFD阻尼支承可以较好地抑制不同转速工况下滑动轴承转子系统的不平衡振动。

3.2 频域分析

为了更加深入地研究ISFD阻尼支承对不平衡转子的减振特性,笔者提取了1 600 r/min转速工况下转子振动的时域和频域波形。

在1 600 r/min转速工况下,转子振动的时域波形如图10所示。

图10 转子振动时域波形(1 600 r/min)

在1 600 r/min转速工况下,转子振动的频域波形如图11所示。

图11 转子振动频域波形(1 600 r/min)

从图10的时域波形可知:相比刚性支承,ISFD阻尼支承下的转子振幅有明显的衰减。

由图11的频域波形可知:由于设置了不平衡故障,转子在27 Hz(工频1X)位置的振幅较大。此外,图11中出现了2X、3X谐频成分,表明由于试验台制造和安装的误差,转子转动过程中存在一定的不对中和碰磨故障。

此处笔者只研究不平衡故障对应的1X频率振动成分。

1 600 r/min工况下,两种支承下的1X频率振动幅值如表7所示。

表7 1 600 r/min工况两种支承下1X频率处的幅值

由表7可知:ISFD阻尼支承可以有效抑制滑动轴承转子系统的不平衡故障导致的工频振动,且其减振的效果良好。

此外,由图11也可看出:ISFD阻尼支承可使转子因不对中和碰磨故障产生的振动有所降低。

4 结束语

为了研究ISFD对滑动轴承支承的转子因不平衡故障产生的振动抑制效果,笔者根据实验室现有的转子试验台,设计了对应的ISFD阻尼支承结构;运用有限元方法,分析了ISFD弹性体的径向刚度特性;搭建了单跨对称转子试验台,研究了该ISFD阻尼支承对转子不平衡振动的控制效果。

研究结果如下:

1)所设计的ISFD弹性体,其在较宽的载荷范围内的位移值与静载荷呈线性关系,具有优良的线性刚度特性;

2)ISFD具有优良的阻尼特性,可以较好地抑制不同转速工况下滑动轴承转子系统的不平衡振动;其中在1 800 r/min工况下,转子在x和y方向的振动降幅分别为38.4%和49.4%;

3)ISFD可以有效抑制滑动轴承转子系统的不平衡故障导致的工频振动,且减振效果良好;其中在1 600 r/min工况下,转子在x和y方向的工频振动降幅分别为19.5%和29.4%。

上述研究成果可以为ISFD在滑动轴承转子系统中的实际工程应用提供借鉴,具有较好的应用前景。笔者后续将研究ISFD对其他结构的滑动轴承转子的振动抑制效果,比如,单盘悬臂转子、两盘悬臂转子等。