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《北京化工大学》 2006年
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旋转机械主动平衡技术及工程应用的研究

沈伟  
【摘要】: 现代过程工业如化工、发电、航天和冶金等行业中,透平机械、离心压缩机、大型风机和发电机等转子系统由于不平衡产生的振动或由振动引起的其它故障往往导致机组无法正常运行,一般要停车进行动平衡,带来巨大的经济损失。因此,研制并且在现代工业中推广运用在线主动平衡技术具有重大的经济意义。 本文首先分析了电磁型主动平衡执行器中各组成部件的结构,研究了核心部件配重盘的结构、配重原理和平衡原理;在此基础上阐明了配重盘的自锁原理和解锁运动原理;结合动环的具体尺寸,研究了配重盘相对转轴正常运转的最大角加速度和控制器发出脉冲大小的计算过程和方法,并在此基础上提出了电磁型主动平衡系统的循环流程和平衡过程中配重盘转动角度的计算方法。 本文还研究了电磁型主动平衡装置基于影响系数法的单平面自校正自适应控制算法,引入了收敛误差因子ε_k、换算因子η_α和η_β,在线实时修正稳定因子α_k和遗忘因子β_k的取值,消除振动控制收敛速率和瞬时最大振动值间的矛盾;提出了电磁型在线主动平衡的监控策略,引入了主动平衡系统开启和关闭的上、下限e_(high)和e_(lon),避免了电磁型主动平衡系统盲目地开启和关闭;最后在Jeffcott转子系统上针对正确和错误的影响系数初始值,仿真对比研究了传统的影响系数法、固定参数和时变参数影响系数法的平衡过程,仿真结果表明了时变参数影响系数法的优越性。 本文开展了电磁型主动平衡系统的试验和工程应用研究。 在三盘柔性弯曲转子试验台上进行了单、双平面电磁主动平衡对比试验。单平面和双平面主动平衡实验表明,弯曲转子在一阶临界转速时,振动峰值分别降低约80%和93%。 在大型立式超重力机上完成了电磁型主动平衡试验。稳态振动试验表明,在26.10秒内转子的振动峰值由平衡前的154.96μm下降到平衡后的15.73μm,振动峰值下降了89.8%。瞬时振动试验表明,在4.9秒内电磁型主动平衡装置仅经过一次主动调整后,转子的振动峰值就从平衡前的30.4μm下降到平衡后的9.86μm。 针对一台带有尾透的离心压缩机转予的振动问题,开展了电磁型主动平衡系统的工程应用研究。提出了修改高压缸转子结构的方案,仿真分析表明初始设计的高压缸转子尾透处的响应值为修改设计后的2.5倍;经过数值仿真计算,提出将最大平衡能力为2500g·mm的电磁型主动平衡装置安装在左端联轴节和右端轴承座附近的方案,并且设计了安装图;针对电磁型主动平衡试验中铝质配重盘在离心压缩机工作转速下的失效问题,提出将配重盘的材质改为钢材的解决方案,仿真计算和试验结果显示,平衡能力为2500g·mm的钢质配重盘在工作转速下Y方向的最大变形量减小到500微米以下,保证了配重盘相对转轴的正常运转;另外计算总结出配重盘最大平衡能力和配重盘直径、配重盘旋转速度间的关系图表,为配重盘的安全设计方法和工程应用提供了理论基础。 针对烟气轮机由于结垢经常发生不平衡振动的工程实际问题,研究利用电磁型主动平衡技术实施在线平衡。建立了烟气轮机悬臂转子系统有限元模型,计算了单平面平衡4种方案和双平面平衡3种方案的平衡效果:在现场尺寸测量的基础上,提出了双平面电磁平衡方案和单平面液压平衡方案,并设计了安装图纸;设计和搭建了烟机悬臂转子模拟试验台,为进行单平面液压型和双平面电磁型主动平衡方案的对比试验奠定了基础。 最后本文理论分析和试验研究了液压型主动平衡系统的结构和控制算法。提出了液压型主动平衡系统中平衡头的设计和安装方法,并对平衡头进行了强度校核;在对平衡头中平衡腔个数优化计算的基础上,研究了三腔平衡头最大平衡能力的计算方法:提出了一种液压平衡控制算法——逐腔寻优法,在Jeffcott转子上的平衡过程仿真结果表明,不平衡量不论在任何角度,逐腔寻优法都可以快速有效地降低转子的振动水平;在一台钻床上进行了液压主动平衡试验,该液压型主动平衡系统能够在12秒钟内经过9次平衡喷液将转子的振动从975μm/s降到25μme/s以下。
【学位授予单位】:北京化工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TH17

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【引证文献】
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