滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析

于慎波， 叢明星， 孫俊主

（沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽 110870）

0 引 言

滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機結(jié)構(gòu)相對簡單、緊湊，便于批量加工和確保生產(chǎn)的穩(wěn)定性，同時還具有機械效率高的突出優(yōu)點，目前被廣泛應(yīng)用于空調(diào)等家用制冷設(shè)備中。

轉(zhuǎn)子動力學(xué)是研究旋轉(zhuǎn)機械動力學(xué)特性的重要學(xué)科。隨著旋轉(zhuǎn)機械的大型高速及精密化，旋轉(zhuǎn)機械的各種動力學(xué)問題日益突出，各種與旋轉(zhuǎn)機械動力學(xué)特性密切相關(guān)的故障經(jīng)常發(fā)生，已成為制約其正常運行的難題，因而轉(zhuǎn)子動力學(xué)在旋轉(zhuǎn)機械的設(shè)計與安全生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

隨著時代的發(fā)展，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不斷提高，這為分析轉(zhuǎn)子動力學(xué)提出了一系列的研究課題［1］。旋轉(zhuǎn)機械由于制造及安裝的誤差會引起轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心，進而會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動，易使旋轉(zhuǎn)機械發(fā)生故障。當旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速下運行時，輕則使轉(zhuǎn)子振動加劇，重則會造成事故。

隨著電子計算機技術(shù)的進步，一些復(fù)雜的動力學(xué)問題，也可以用數(shù)值分析方法來解決［2］。目前計算臨界轉(zhuǎn)速通常采用傳統(tǒng)Prohl傳遞矩陣法、Riccati傳遞矩陣法、傳遞矩陣-阻抗耦合法、有限元法等［3-7］。但是由于諸多外界因素會對臨界轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，計算值與真實值往往存在偏差，因此如何提高其計算精度是人們研究的重點。本文采用集總參數(shù)法，應(yīng)用加時間因子t的傳遞矩陣法建立了計算模型，運用QR法計算矩陣特征值，最終求出臨界轉(zhuǎn)速。這種方法可以提高計算精度，并且縮短計算時間，同時運用雙重步QR法［8］進行求解，有效地解決了溢出和丟根的問題。VB編程實現(xiàn)了臨界轉(zhuǎn)速的解析計算，按照此方法可以有效地提高計算精度，縮短計算時間，對轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動力學(xué)分析有著重要的參考價值。

1 滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算

1.1 臨界轉(zhuǎn)速解析計算

應(yīng)用傳遞矩陣法需要將質(zhì)量連續(xù)分布的彈性系統(tǒng)離散化為集中質(zhì)量［9］的多自由度系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的頻率方程，實際是一個代數(shù)方程，求此方程的根有若干種數(shù)值算法，例如二分法、牛頓迭代法等。本文采用QR方法，并運用雙重步QR算法進行計算，可以有效提高收斂速度，該方法在文獻［10］中有詳細描述。

計算出特征值后，由于在計算過程中引入了時間因子t，所以需要將與時間有關(guān)的量除以時間因子t，才是需要的復(fù)頻率結(jié)果。

1.2 V B編程計算壓縮機轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速

用VB程序計算此壓縮機轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速，利用Matlab畫出轉(zhuǎn)子渦動頻率的坎貝爾圖，如圖1所示。將時間因子取值20 000。圖中各階渦動頻率曲線與同頻線的交點值為轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。

圖1 解析法計算壓縮機轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)坎貝爾圖

1.3 借助A N S Y S軟件計算壓縮機轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速

計算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速必須能夠考慮旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)渦動時產(chǎn)生的陀螺效應(yīng)對轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的影響，這是轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算同其他非旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)固有頻率計算的差異所在。ANSYS有限元軟件已經(jīng)可以考慮陀螺效應(yīng)和支承阻尼的影響。建模時，選用BEAM188模擬空心軸單元；MASS21模擬質(zhì)量點單元；COMBI214模擬二維彈簧阻尼單元。在模態(tài)提取方面，本文采用QR阻尼法。最后運用PLCAMP命令畫出轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的坎貝爾圖，得到其臨界轉(zhuǎn)速。

圖2 ANSYS計算轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)坎貝爾圖

1.4 機電耦合

轉(zhuǎn)子相對于旋轉(zhuǎn)軸線所產(chǎn)生的質(zhì)量偏心是引發(fā)不平衡磁拉力的主要原因。質(zhì)量偏心主要是由加工和安裝誤差、轉(zhuǎn)子撓度等原因引起的，而徑向不平衡磁拉力會增加轉(zhuǎn)子撓度，進而加重偏心效果。由于傳統(tǒng)公式計算不平衡磁拉力的結(jié)果偏大，所以本文采用有限元法計算徑向不平衡磁拉力，并與轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的計算進行機電耦合，使計算出的臨界轉(zhuǎn)速值更接近于實際值。有關(guān)機電耦合部分詳見參考文獻［8］。

首先，建立二維定子和轉(zhuǎn)子的有限元模型，并進行剖分；其次，輸入各種參數(shù)值（循環(huán)變量值、材料屬性值、電流密度值等）；最后分析計算得出定、轉(zhuǎn)子上的運動磁場強度分布。

利用ANSYS有限元軟件進行永磁電機定、轉(zhuǎn)子電磁場分析，計算作用在轉(zhuǎn)子外表面的徑向電磁力密度，積分得到轉(zhuǎn)子外表面徑向力，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子外表面徑向電磁力及諧波幅值分析圖

表1 兩種方法計算臨界轉(zhuǎn)速結(jié)果比較 r/min

1.5 解析計算與ANSYS計算結(jié)果對照

通過表1可以看出，考慮不平衡磁拉力時臨界轉(zhuǎn)速計算結(jié)果比無磁拉力時的計算結(jié)果有明顯降低。編程計算電磁力使1階正進動臨界轉(zhuǎn)速降低8.84%（ANSYS計算為8.46%），幾乎不影響2階正進動臨界轉(zhuǎn)速。

2 滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)分析

轉(zhuǎn)子在不平衡力和不平衡力矩的激勵下所產(chǎn)生的振動稱為不平衡響應(yīng)。不平衡響應(yīng)是研究轉(zhuǎn)子動力學(xué)的基本問題之一。定轉(zhuǎn)速時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和變轉(zhuǎn)速時的瞬態(tài)響應(yīng)是轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)研究的兩大主要內(nèi)容。

穩(wěn)態(tài)不平衡響應(yīng)的計算是轉(zhuǎn)子動力學(xué)中與臨界轉(zhuǎn)速同等重要的基本任務(wù)，其計算方法與臨界轉(zhuǎn)速計算方法類似。

3 滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性分析

對數(shù)衰減率是以振幅衰減程度為指標，對系統(tǒng)在受到干擾后回復(fù)到平衡狀態(tài)過程的度量。現(xiàn)已被推廣到多自由度系統(tǒng)。針對此轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，運用MATLAB畫出其對數(shù)衰減率曲線（圖5），分析軸系的穩(wěn)定性。

4結(jié) 論

1）根據(jù)與用有限元法計算的有動偏心負載情況下氣隙徑向不平衡磁拉力進行機電耦合的計算相比較，可以發(fā)現(xiàn)不平衡磁拉力導(dǎo)致了臨界轉(zhuǎn)速降低。

圖4 不平衡量在不同節(jié)點上時軸系的不平衡相應(yīng)（不同轉(zhuǎn)速下）

圖5 壓縮機轉(zhuǎn)子對數(shù)衰減率

2）通過對計算結(jié)果的比較，一階臨界轉(zhuǎn)速受不平衡磁拉力影響較大，而二階臨界轉(zhuǎn)速值無明顯變化。

3）分析了偏心質(zhì)量處于軸系不同位置上的不平衡響應(yīng)，在轉(zhuǎn)速從0 rad/s變化到350 rad/s的過程中，整個軸系的不平衡相應(yīng)比較平穩(wěn)。在接近400 rad/s（3 820 r/min）處節(jié)點振幅突然增大，軸系發(fā)生了共振，體現(xiàn)了軸系臨界轉(zhuǎn)速的分布情況。

4）分析滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機轉(zhuǎn)子的對數(shù)衰減率曲線，其中一階反向渦動的對數(shù)衰減率最低，其表征了較小的穩(wěn)定性裕度，易導(dǎo)致軸系失穩(wěn)。

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