摘 要：近些年，科技进步日新月异，在转子动力学领域同样获得长足发展，跟随科技一同繁荣起来的还有装备制造业的技术水平，进而带动了工业生产对设备的高标准、严要求。这使得目前的旋转机械精度越来越高、速度越来越快、智能化水平越来越得到凸显。然而，转速的升高等一系列因素使得转子振动和失稳问题变得越来越严峻。
关键词：离心压缩机；振动控制；系统设计；实验
1振动系统设计
在转子系统稳定性测试和振动控制中，电磁轴承是其中非常其重要的部件。电磁轴承在整个测控系统中承担着重要的任务。一方面它要作为给转子系统施加激励的励磁器。保证有足够的电磁力可以激起转子系统的模态，从而给转子振动控制造成一个条件。在实际的测试过程中，可以用磁轴承来支撑转子并给转子一个静态的偏心，并且围绕这一点给转子施加一个旋向的振动。频率、幅值和进动的方向可以根据实验的需要进行设定。这种进动的方向可以同转子旋转的方向相同也可以不相同。另一方面它要给转子系统施加弹性力、阻尼力和惯性力并保证这些力都是可测量的，也就是说电磁轴承作为一个被校准的传感器来测量轴承的力，通过它可以直接的感受到作用在转子上的切向力和径向力，对振动控制效果进行评判，并保证评判的可靠性。本章将着重介绍电磁轴承的设计与测试。
1.1设计的基本思路
本电磁轴承针对某实验台的转子系统进行设计:轴承实验台的基本参数详见表3一1
根据本实验台的相关参数对电磁轴承进行设计并在设计个过程当中对电磁轴承进行测试。通过测试获取影响磁轴承性能的关键参数，从而获取磁轴承性能同结构参数之间的影响规律。在对电磁轴承结构设计完成后要对其力学性能进行标定，其中包括其特性参数Kx和K;。此时就要首先标定轴承在不同的间隙和不同的偏置电流下的力学特性。这样在整个实验过程中，通过测量电磁激振器各个线圈中的电流以及转子在磁轴承中间的位置，就可以反算磁轴承施加给转子的静态载荷和动态激振力。
1.2电磁轴承转子宜径设计
根据比压进行设计电磁轴承转子的直径，磁轴承转子接头尺寸如图3-2所示。
图3-2电磁轴承转子图
2实验研究
2.1称定性侧试与振动控制实验研究
离心压缩机的稳定性测试和转子系统振动控制在工程领域意义非凡。实验研究作为技术向实践过程转化的重要环节，是检测技术可行性的重要步骤。通过实验研究来检测系统的振动控制和稳定性测试效果是必不可少的。
2.1.1实脸台的描建
叶轮高压侧与低压侧背靠背排列(叶轮对置排列)的压缩机是现代化工生产中典型的一种压缩机。本实验台的结构以背靠背的离心式压缩机为原型。将背靠背离心压缩机模型简化，其实验台的剖面模型如图5-1所示。
电机带动整个转子实验台的运转。在靠近驱动端的地方是低压叶轮，在这里简化成为圆盘1。在远离驱动端的是高压叶轮，在这里简化成圆盘2.将叶轮的尺寸考虑到里面，圆盘1应该大于圆盘2。在实验过程中，可以通过在圆盘的边缘安装不平衡的质量来模拟转子的不平衡响应。这种背靠背的离心压缩机结构，抵消了一大部分轴向力，所以的实验台上并不安装轴向推力轴承。在高压缸(圆盘2)与低压缸(圆盘1)之间采用孔型阻尼密封。在图5-1中，电磁轴承1是一种结合了孔型阻尼密封结构的电磁轴承，它能同时起到密封和振动控制的功能。他的控制是通过位移反馈和速度反馈，给转子系统提供额外的阻尼和负刚度来减小振动，并且提高系统的稳定性。因此，电磁轴承1是用来控制转子振动并评价转子的稳定性的。接近圆盘2的是电磁轴承2，利用它来模拟由转子的叶片和密封系统带来的交叉藕合力。也就是用电磁轴承2给转子造成失稳。还有一个电磁轴承3，它安装在转子的非驱动端。通过电磁轴承3产生30-230Hz的作用在转子上的正弦激振力来激发系统的模态，得到系统的频率响应从而做系统的稳定性识别。在实验台上，还有两个可倾瓦轴承，用来支撑转子。可倾瓦轴承上有五片轴瓦，支撑力作用在这些瓦片上。
实验台的实物图如图5-2所示。其中包含一个驱动电机(功率20kw )，一个连接电机和转轴的联轴器，一个用于速度调控的变频器、三个不同功能的电磁轴承，两个质量不同的圆盘，润滑油系统和辅助设备等。本实验台的最大设计运行速度可达I SOOOr/min，其转子的直径为SOmm，其轴颈的最大线速度可达40m/s。本实验台采用ISO VG32作润滑。实验台设计了完备的供油系统，在油管上装有4个温度传感器和2个涡轮流量计。温度传感器和流量计的作用是测量轴承进出口的温度和流量，从而间接求解轴承的功率损失。
通过图5-2可以概括电磁阻尼器实验台的相关设备。实验台由一个电机通过联轴器给转轴施加驱动力，在转轴上有两个模拟叶轮的圆盘。低压叶轮由靠近驱动端的圆盘1来模拟，高压叶轮由远离驱动端的圆盘2来模拟。给转子施加控制力由电磁轴承1来完成，给转子施加扰动力由电磁轴承2来完成，对转子施加扫频激励，激发转子模态由电磁轴承3来完成。
2.2测试过程及结果
在实验中，采用从30Hz到120Hz的正弦力以1 Hz步进施加到实验台的无驱动端，收集振动和激振力数据。为了减少相位滞后，没有使用抗混叠滤波器来截断采集系统中的高频信号，设置了高达30 kHz的采样率来降低高频噪声对感兴趣的频率范围( 40-1 OOHz)内的频谱混叠的影响。由于高采样率，时间波形上充满了高频噪声，但低频端口的频谱清晰;此外，关注的是低频部分的信号的频谱，所以去除高频噪声使波形清晰，以3 kHz采样率重采样，以减少当计算频响函数时的计算量。获得原始振动和激振力数据后，对数据做STFT滤波以获得更高的信噪比信号来识别对数衰减率。进行STFT滤波时，使用了一个有3000点的移动的半周期正弦窗。实验正弦扫频的界面如图5-3所示。
经过前面测试，电流O.SA时即可激起转子系统的模态，因此选用扰动电流为O.SAo系统的单边频谱如图5-4所示。
扫频过程中的频谱图参见图5-5
扫频结束以后，将实验数据导入，并进行滤波处理，可得到未经过滤波和滤波后的图谱如图5一6所示。
对滤波后的振动信号识别，可得如图5-7所示的识别结果.可以看到系统的固有频率为57.59Hz,系统的对数衰减率为0.323，符合API相关标准要求。
结束语
事实证明，要在工程上找到一种方法能够很好的识别转子系统的阻尼比，进而分析转子系统的稳定性是十分必要的。国内目前也没有一套成套的设备能够很好的识别转子系统的稳定性并对转子系统振动进行有效控制。因此搭建一整套转子稳定性识别系统分析转子系统稳定性，设计良好的振动控制执行器一一电磁轴承，来进行转子系统的振动控制是很有必要也非常有工程实践意义的。
参考文献:
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[3]牛晓东,王维民,李启行,邵星,翟功涛.一种用于离心压缩机转子稳定性控制的电磁阻尼器设计及应用[J].北京化工大学学报(自然科学版),2016,4304:109-114.[2017-08-21].
论文作者:尤孝堃
论文发表刊物:《电力设备》2017年第24期
论文发表时间:2017/11/27
标签：转子论文; 轴承论文; 电磁论文; 系统论文; 磁轴论文; 圆盘论文; 压缩机论文; 《电力设备》2017年第24期论文;