基于磁流變阻尼器的密封減振技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究

郭詠雪， 何立東， 李 寬

(北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 高端機(jī)械裝備健康監(jiān)測與自愈化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

隨著汽輪機(jī)、壓縮機(jī)等透平機(jī)械向著高速、高效的方向發(fā)展，流體激振成為了造成轉(zhuǎn)子振動加劇、葉片斷裂等重大設(shè)備故障的重要原因之一。根據(jù)密封流體激振的形成機(jī)理，目前對于此種類型的振動防治主要有兩條途徑：第一是減小間隙流體的周向速度[1]，主要措施有反旋流法[2]和阻尼密封[3]減振方法，在工業(yè)中的應(yīng)用較為廣泛；第二是調(diào)整轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)的偏心率，避免密封周向的不均勻壓力分布，目前，偏心自調(diào)裝置尚處于實(shí)驗(yàn)階段，尚無應(yīng)用[4]。何立東[5]分析了反旋流抑制密封流體激振的原理，呂江等[6]和呂成龍等[7]通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證得到反旋流噴嘴數(shù)量、噴射位置和噴射流量等對抑制密封間隙內(nèi)流體激振的影響。阻尼密封[8]通過增加靜子密封環(huán)內(nèi)孔表面的粗糙度，降低密封腔中流體的周向速度，從而增大阻尼，減小密封的交叉剛度，抑制轉(zhuǎn)子振動，其中蜂窩密封已成功應(yīng)用于多種透平機(jī)械中[9]。

磁流變阻尼器作為一種新型的阻尼減振裝置，能夠?qū)θ我庖蛩匾鸬臋C(jī)械結(jié)構(gòu)振動起到良好的控制作用，在建筑、船舶和車輛領(lǐng)域[10]已得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和應(yīng)用。2001年，汪建曉等[11-13]開始將磁流變液引入轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，磁流變阻尼器在旋轉(zhuǎn)機(jī)械上的應(yīng)用，研究人員搭建了單盤懸臂轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種環(huán)形剪切式磁流變阻尼器作為懸臂端轉(zhuǎn)子支撐，對其減振性能進(jìn)行了測試，結(jié)果表明磁流變阻尼器可以降低原臨界轉(zhuǎn)速附近振動降低。王锎等[14]將一種剪切式磁流變阻尼器引入齒輪平行軸系，研究磁流變阻尼器對齒輪傳動軸系振動的控制規(guī)律，驗(yàn)證了磁流變阻尼器的阻尼可調(diào)特性。

本文基于密封流體激振的研究現(xiàn)狀，將磁流變阻尼器應(yīng)用至密封的減振當(dāng)中，設(shè)計(jì)和搭建了相應(yīng)的可安裝磁流變阻尼器的立式密封轉(zhuǎn)子減振實(shí)驗(yàn)臺，開展了基于磁流變阻尼器的密封轉(zhuǎn)子減振實(shí)驗(yàn)研究，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。

1 基于磁流變阻尼器的密封轉(zhuǎn)子減振實(shí)驗(yàn)臺

1.1 磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)及工作原理

本文應(yīng)用的磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，主要由外殼、線圈、阻尼片、內(nèi)環(huán)軸承和磁流變液等組成。

圖1 磁流變阻尼器立體模型Fig.1 Three-dimensional map of magnetorheological damper

圖2 磁流變阻尼器剖面示意圖Fig.2 The profile of magnetorheological damper

磁流變液是磁流變阻尼器的主要工作部件。磁流變液具有磁流變效應(yīng)，無磁場作用時，磁性顆粒在磁流變液中分散而雜亂；有磁場作用時，磁流變液會在幾毫秒內(nèi)發(fā)生明顯變化，磁場使顆粒聚在一起并且形成鏈狀結(jié)構(gòu)，一定程度地增加黏度，并抵抗一定程度的剪切應(yīng)力使其不發(fā)生斷裂，能夠?qū)φ駝悠鸬矫黠@的抑制作用。除此之外，磁流變液產(chǎn)生的剪切應(yīng)力或阻尼力隨其所在的磁場強(qiáng)度的大小而變化，故磁流變液也具有良好的可調(diào)控性能。本實(shí)驗(yàn)所用的磁流變阻尼器的磁場來源于帶電的控制線圈，當(dāng)輸入線圈的電流不同時，阻尼器即可產(chǎn)生不同大小的阻尼力。由此，便可通過改變控制線圈的電流大小來改變磁場的大小，從而改變阻尼器產(chǎn)生的阻尼力的大小。這一控制過程，有助于在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，針對不同程度的振動，提供對應(yīng)的、適宜的阻尼力進(jìn)行減振。

1.2 密封轉(zhuǎn)子減振實(shí)驗(yàn)臺

本文將磁流變阻尼器與密封轉(zhuǎn)子系統(tǒng)相結(jié)合，設(shè)計(jì)和搭建了基于磁流變阻尼器的密封轉(zhuǎn)子減振實(shí)驗(yàn)臺，具體結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)臺轉(zhuǎn)子及阻尼器Fig.3 Test bench rotor and damper

圖4 密封轉(zhuǎn)子減振實(shí)驗(yàn)臺整體Fig.4 Overall sealing rotor damping test bench

電機(jī)垂直安裝在支架上，主動軸由電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器進(jìn)行驅(qū)動，磁流變阻尼器與主軸通過其內(nèi)部的滑動軸承進(jìn)行連接。主軸末端連接有不銹鋼圓筒，兩者通過主軸自帶螺紋及螺母及進(jìn)行連接；不銹鋼圓筒用以模擬密封轉(zhuǎn)子，與轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動；密封轉(zhuǎn)子的外側(cè)套有另一個不銹鋼圓筒以模擬密封靜子，該密封靜子固定在盛水容器上，不發(fā)生轉(zhuǎn)動；密封轉(zhuǎn)子與密封靜子共同模擬了光滑密封結(jié)構(gòu)，兩者之間的間隙為密封間隙，實(shí)驗(yàn)中的單邊間隙值為5 mm。密封靜子的外側(cè)為盛水容器，在密封間隙和盛水容器中填滿水，作為密封介質(zhì)。阻尼器線圈接入了直流電壓輸出器，為磁流變阻尼器提供工作電流。同時，在轉(zhuǎn)軸末端安裝有豎直方向和水平方向的電渦流傳感器，以測試轉(zhuǎn)子的振動位移幅值；在轉(zhuǎn)子其他位置安裝有光電傳感器，以實(shí)時測試轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。各測點(diǎn)示意圖如圖5所示。

圖5 電渦流傳感器及光電傳感器測點(diǎn)示意圖Fig.5 Location of the measuring point

在電渦流傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)子振幅采集的同時，利用基于Labview的數(shù)據(jù)分析及控制程序?qū)?shù)采集卡所采集的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時計(jì)算和分析，得到轉(zhuǎn)子的振動情況，若振動較大，利用NI模塊調(diào)控直流可調(diào)穩(wěn)壓電源的輸出電壓，改變阻尼器的輸入電流，使阻尼器產(chǎn)生相應(yīng)的阻尼力對密封轉(zhuǎn)子振動進(jìn)行控制，如此便可形成一個對密封轉(zhuǎn)子振動的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2 基于磁流變阻尼器的密封轉(zhuǎn)子減振實(shí)驗(yàn)研究

2.1 磁流變阻尼器對不同轉(zhuǎn)速下密封轉(zhuǎn)子的減振規(guī)律

密封轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加，會使得間隙流體的周向速度增加，而周向速度是引起激振的重要因素之一。本節(jié)通過改變轉(zhuǎn)速來增加密封轉(zhuǎn)子的振動，考察了磁流變阻尼器的抑振作用。實(shí)驗(yàn)測定了轉(zhuǎn)速分別為40 r/min，60 r/min，80 r/min，100 r/min，120 r/min，140 r/min，160 r/min，180 r/min和200 r/min時密封轉(zhuǎn)子的原始振動幅值和安裝磁流變阻尼器之后的振動幅值。并對每種轉(zhuǎn)速下，控制線圈電流分別為0.5 A，1.0 A，1.5 A和2.0 A時的磁流變阻尼器抑振效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了各轉(zhuǎn)速的密封轉(zhuǎn)子在不同電流下的振幅變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 不同電流下密封轉(zhuǎn)子在測點(diǎn)1方向的振幅對比Fig.6 Comparison of the amplitude of the sealed rotor in the direction of measuring point 1 at different currents

圖6中，電流為0 A時的振幅為原始振動。對比幅值可以看出，當(dāng)磁流變阻尼器通入電流時，轉(zhuǎn)子的振幅明顯減小。其中，控制線圈的電流為0.5 A時，測點(diǎn)1和測點(diǎn)2分別在各轉(zhuǎn)速下的振動幅值比原始振幅平均降低了30.19%；電流為1.0 A時，降低了59.24%；電流為1.5 A時，降低了65.44%；電流為2.0 A時，降低了66.65%?？梢园l(fā)現(xiàn)，振動降幅隨著電流的增大而增大。

2.2 磁流變阻尼器對不同偏心率下密封轉(zhuǎn)子的減振規(guī)律

密封轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的偏心率是引發(fā)激振的另一個重要因素，本文通過調(diào)整密封的偏心率，增大密封轉(zhuǎn)子的振動，考察了磁流變阻尼器對由偏心率增大引起的密封轉(zhuǎn)子振動的控制規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中，將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速定為90 r/min，測定了密封轉(zhuǎn)子偏心率為0，0.2，0.3，0.4和0.6五種工況下的原始振幅，并改變磁流變阻尼器的線圈電流，測定了控制線圈電流為0.5 A，1.0 A，1.5 A，2.0 A時的轉(zhuǎn)子振幅，對測點(diǎn)1和測點(diǎn)2的振幅進(jìn)行矢量求和，得到的測量結(jié)果如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)速為90 r/min時不同偏心率下阻尼器對密封 轉(zhuǎn)子的振動控制規(guī)律Fig.7 Rotation control effect of the damper on the sealed rotor at different eccentricity at 90 r/min

圖7中，控制電流為0 A時的振幅曲線為各偏心率下密封轉(zhuǎn)子的原始振動。由圖7可以看出，隨著偏心率的增大，轉(zhuǎn)子振幅明顯增大。為磁流變阻尼器的控制線圈通入電流后，振動得到明顯抑制，并且通入的電流越大，振動降幅越大。其中，電流為0.5 A時，轉(zhuǎn)子在各偏心率下的振幅相比原始振幅的下降幅度平均為15.8%；電流為1.0 A時，降幅平均為45.4%；電流為1.5 A時，平均降幅為61.48%；電流為2.0 A時，平均降幅為65.02%；可以發(fā)現(xiàn)，隨著控制線圈電流的增大，轉(zhuǎn)子的振動降幅也增大。當(dāng)控制線圈的電流為2.0 A時，振幅幾乎不隨偏心率的增大而增大，有力驗(yàn)證了磁流變阻尼器對由偏心率增大而引起的密封轉(zhuǎn)子振動的有效控制。

3 基于磁流變阻尼器的密封轉(zhuǎn)子振動開關(guān)控制實(shí)驗(yàn)

由上節(jié)可知，密封轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加和偏心率的增加均會引起密封系統(tǒng)振動的增大，而磁流變阻尼器可以對該類振動實(shí)施簡單有效的控制?；诖?，本文進(jìn)一步將由Labview軟件平臺開發(fā)的開關(guān)控制程序引入了磁流變阻尼器的電流控制當(dāng)中，以實(shí)現(xiàn)對磁流變阻尼器線圈電流的開關(guān)控制，從而實(shí)現(xiàn)對密封轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動的在線開關(guān)控制，其控制策略如圖8所示，控制流程圖如圖9所示。

圖8 基于磁流變阻尼器的密封轉(zhuǎn)子振動開關(guān)控制原理圖Fig.8 Schematic diagram of vibration control of sealed rotor based on magnetorheological damper

圖9 基于磁流變阻尼器的密封轉(zhuǎn)子振動開關(guān)控制流程圖Fig.9 Switch control flow chart of seal rotor vibration based on MR damper

3.1 不同轉(zhuǎn)速下密封轉(zhuǎn)子振動開關(guān)控制實(shí)驗(yàn)

由圖6可知，密封轉(zhuǎn)子的振幅隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，在40～100 r/min的振幅增速較快，在這個區(qū)間可以采用開關(guān)控制策略對其進(jìn)行振動控制，設(shè)定振幅的門檻值為370 μm，當(dāng)轉(zhuǎn)子振幅超過370 μm時，Labview開關(guān)程序打開電流開關(guān)，為磁流變阻尼器的控制線圈通入電流。其中電流值可以自行設(shè)定，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定了兩種電流值，即0.5 A和1.0 A，分別對這兩種電流值進(jìn)行了開關(guān)控制實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 磁流變阻尼器對不同轉(zhuǎn)速下的密封轉(zhuǎn)子振動 的控制效果Fig.10 Magnetorheological damper for different speed of the sealed rotor vibration control effect

從圖10可以看出，當(dāng)密封轉(zhuǎn)子的振幅開始超過370 μm時，基于Labview的開關(guān)程序能夠及時打開電流開關(guān)，使電流值迅速到位，磁流變阻尼器及時作用于轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子振幅開始下降，最終分別在300 μm和160 μm左右保持平衡。其中電流為0.5 A時，控制后的密封轉(zhuǎn)子振幅相對于原始振幅的最終平均下降率為31.15%；電流為1.0 A時最終下降率為58.94%。這一現(xiàn)象充分表明，基于磁流變阻尼器開展的開關(guān)控制，能夠?qū)Σ煌D(zhuǎn)速下的密封轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動起到顯著的抑制作用。

3.2 偏心引起的密封轉(zhuǎn)子振動的開關(guān)控制實(shí)驗(yàn)

進(jìn)一步對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為90 r/min時由偏心率增大引起的密封轉(zhuǎn)子振動進(jìn)行開關(guān)控制實(shí)驗(yàn)。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速為90 r/min時密封轉(zhuǎn)子的振幅隨偏心率的增大而增大，在偏心率為0.2～0.4的振幅增長較快，在這一區(qū)間可以采用開關(guān)控制對幅度增大的振動情況進(jìn)行控制。根據(jù)原始振動曲線，將打開電流的振動門檻值設(shè)定為349 μm，當(dāng)轉(zhuǎn)子振幅超過349 μm時，Labview開關(guān)程序打開電流開關(guān)，給磁流變阻尼器的控制線圈通入電流。電流值可以自行設(shè)定，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定了兩種電流值，即0.5 A和1.0 A，分別對這兩種電流值進(jìn)行了開關(guān)控制實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 磁流變阻尼器對由偏心率增大引起的密封 轉(zhuǎn)子振動的控制效果Fig.11 The control effect of magnetorheological damper on the sealed rotor vibration caused by the eccentricity increase

由圖11可以發(fā)現(xiàn)，對于由偏心率增大引起的密封轉(zhuǎn)子振動，基于磁流變阻尼器的開關(guān)控制程序也能夠起到良好的抑制作用。當(dāng)轉(zhuǎn)子振幅超過349 μm時，控制程序打開電流開關(guān)，磁流變阻尼器接入電流，轉(zhuǎn)子振幅明顯下降，兩種電流工況最終分別在250 μm和120 μm左右保持平穩(wěn)。其中控制電流為0.5 A時，各偏心率下控制后的振幅相對于原始振幅的平均下降率為35.38%；電流為1.0 A時，平均下降率為68.71%。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，基于磁流變阻尼器開展的開關(guān)控制，能夠成功抑制由偏心率引起的密封轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動。

4 結(jié) 論

將磁流變阻尼器引入密封轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行振動控制，設(shè)計(jì)和搭建了安裝有磁流變阻尼器的密封轉(zhuǎn)子減振實(shí)驗(yàn)臺，實(shí)驗(yàn)研究了磁流變阻尼器對不同轉(zhuǎn)速和偏心率下的密封轉(zhuǎn)子振動的抑制規(guī)律。結(jié)合磁流變阻尼器的可控性能，應(yīng)用基于Labview的開關(guān)控制程序，對密封系統(tǒng)開展開關(guān)控制實(shí)驗(yàn)，獲得了其控制規(guī)律。實(shí)驗(yàn)的主要結(jié)論如下：

(1) 磁流變阻尼器可以對密封流體激振起到顯著的抑制作用。無論是由轉(zhuǎn)速引起的轉(zhuǎn)子振動，還是偏心引起的密封激振，均可以通過磁流變阻尼器進(jìn)行控制，振動降幅最高達(dá)到65.02%。且這一降幅隨著線圈工作電流的增加而增大，在減振過程中可以通過增加阻尼器的工作電流來增加抑振效果。

(2) 將基于Labview的開關(guān)控制引入磁流變阻尼器對密封轉(zhuǎn)子的振動控制當(dāng)中，通過改變轉(zhuǎn)速和改變偏心率來增大轉(zhuǎn)子的振幅，在線監(jiān)測這一幅值并對其進(jìn)行了開關(guān)控制實(shí)驗(yàn)，取得了良好的抑振效果。最高降幅可達(dá)68.71%，驗(yàn)證了將基于磁流變阻尼器的開關(guān)控制作為密封轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動控制方法的可行性。