超重力机自动平衡系统的设计及模拟试验研究

　　引　言

　　超重力机是利用床层旋转造成一种稳定、可以调节的离心力场,以代替常规重力场。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[1]。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[2],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　超重力机的振动分析

　　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[3]。

　　图1所示为超重力机转子有限元模型。图中填料盘质量m=34.5 kg,直径为450 mm,填料盘的极转动惯量Jp=1.045 kg·m2,直径转动惯量Jd=0.52 kg·m2,工作转速为1 495 r/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。