【摘要】：離心壓縮機(jī)作為金屬冶煉、壓力供給、氣體輸送及分離等工業(yè)部門的核心設(shè)備,其轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性和軸位移故障關(guān)乎整套機(jī)組的可靠運(yùn)行和企業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益�；瑒虞S承燒瓦或磨損是離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子失穩(wěn)及軸位移故障的直接體現(xiàn)之一,而高端滑動軸承大多面臨重載、高速、極端溫度等苛刻工況,摩擦副表面接觸、摩擦、磨損和潤滑狀態(tài)復(fù)雜。同時,以高效率和結(jié)構(gòu)緊湊為優(yōu)勢的整體齒輪式壓縮機(jī)的動力學(xué)問題日益凸顯,已制約著國產(chǎn)齒式離心壓縮機(jī)的發(fā)展與進(jìn)步,所以解決高速重載軸承的設(shè)計問題和解決軸承-轉(zhuǎn)子-齒輪耦合復(fù)雜系統(tǒng)的動力學(xué)問題迫在眉睫。針對離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性及軸位移故障防治問題開展研究具有很強(qiáng)的工程背景,本文主要圍繞著徑向振動與軸向振動所涉及的滑動軸承性能和轉(zhuǎn)子動力學(xué)行為進(jìn)行研究,通過結(jié)合理論分析和試驗(yàn)測試手段,揭示滑動軸承的靜動特性等關(guān)鍵參數(shù)對機(jī)組運(yùn)行和轉(zhuǎn)子振動的影響規(guī)律,并診治了相關(guān)的轉(zhuǎn)子失穩(wěn)及軸位移故障,為防治轉(zhuǎn)子失穩(wěn)和軸位移故障提供理論依據(jù)和試驗(yàn)驗(yàn)證。具體研究內(nèi)容如下:1、為提高重載推力軸承性能的預(yù)測精度,建立了考慮潤滑油粘溫效應(yīng)、湍流模型和離心慣性項(xiàng)的軸承熱彈流耦合動力潤滑性能計算的理論模型,并編寫了推力滑動軸承仿真分析程序,獲得在多物理場耦合作用下推力軸承的油膜厚度、壓力、溫度及軸瓦溫度和變形等,發(fā)現(xiàn)軸瓦的彈性變形不僅影響軸瓦溫度的預(yù)測,也關(guān)系著雷諾數(shù)的計算,若不考慮彈性變形,雷諾數(shù)偏小,不能及時預(yù)測到過渡流或湍流的發(fā)生。2、針對離心壓縮機(jī)的軸位移故障防治問題,提出了利用液壓激勵系統(tǒng)結(jié)合輔助變量濾波算法辨識推力軸承靜動特性參數(shù)的方法,設(shè)計了利用電動油泵系統(tǒng)中的電磁比例溢流閥向推力軸承施加靜態(tài)和動態(tài)軸向載荷的試驗(yàn)裝置,最大靜態(tài)載荷為20000N,測試了轉(zhuǎn)速和軸向載荷對軸瓦溫度的影響,并研究了軸向激勵大小和激勵頻率對軸向和徑向振動的影響,不僅揭示了轉(zhuǎn)子軸向振動與徑向振動之間的耦合關(guān)系,還揭示了喘振造成軸位移振動故障的機(jī)理。結(jié)果表明,隨著靜態(tài)軸向載荷的增加,軸瓦溫度、軸向剛度和阻尼系數(shù)也隨之增加。激勵幅值的增大會降低軸向剛度和阻尼系數(shù),從而影響推力軸承的承載能力。同時,發(fā)明了一種離心壓縮機(jī)軸位移故障自愈調(diào)控裝置,能夠智能調(diào)控軸位移,增加推力軸承的承載能力,降低軸瓦溫度。3、為在設(shè)計階段對高速重載軸承性能進(jìn)行測試,開發(fā)了基于電磁執(zhí)行器加載的徑向滑動軸承性能試驗(yàn)方法,首次利用電磁執(zhí)行器模擬齒輪耦合-軸承復(fù)雜系統(tǒng)中齒輪嚙合造成的徑向軸承負(fù)荷變化,設(shè)計的徑向滑動軸承性能試驗(yàn)臺的最高轉(zhuǎn)速達(dá)12000r/min,利用電磁執(zhí)行器加載的總軸承載荷為20000N,通過施加不同軸承載荷大小和方向,對不同軸承間隙的滑動軸承性能進(jìn)行測試,主要研究高速重載情況下軸瓦溫度和功率損耗隨轉(zhuǎn)速和載荷的變化情況。研究表明,除了轉(zhuǎn)速和負(fù)載大小外,軸承載荷角度對軸瓦溫度也有明顯的影響。與轉(zhuǎn)速對功率損耗的影響相比,軸承負(fù)載對功率損耗的影響相對較小。4、針對整體齒輪式離心壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性問題,在不同的載荷大小和載荷角度下,分析了徑向滑動軸承剛度和阻尼系數(shù)的變化情況,并在此基礎(chǔ)上建立了軸承-轉(zhuǎn)子-齒輪耦合的四平行軸系有限元模型,研究不同載荷下齒輪轉(zhuǎn)子耦合復(fù)雜系統(tǒng)的動力學(xué)行為和不平衡響應(yīng)規(guī)律,以及不同軸承結(jié)構(gòu)、載荷和交叉耦合剛度等因素對轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的影響。分析指出,在整體齒輪式壓縮機(jī)運(yùn)行過程中,要求軸承具有寬闊的穩(wěn)定操作范圍,保證在不同轉(zhuǎn)速和不同軸承載荷下,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不會發(fā)生失穩(wěn)。在相同的交叉耦合剛度影響下,齒式壓縮機(jī)的高速軸比低速軸和中速軸更容易也更快地發(fā)生失穩(wěn)�？傊�,研究離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性及軸位移故障防治關(guān)鍵技術(shù),有助于齒輪軸系-軸承耦合復(fù)雜系統(tǒng)的動力學(xué)行為分析,特別是滑動軸承靜動特性的理論分析和試驗(yàn)測試,對高端軸承的設(shè)計、制造和故障防治等具有十分重要的意義,能夠克服關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn),提高滑動軸承仿真精度,保證滑動軸承的加工制造品質(zhì),防止轉(zhuǎn)子失穩(wěn)和軸承故障的發(fā)生,進(jìn)而避免轉(zhuǎn)子振動異常和軸承損壞。
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH452
【圖文】：

，在必行，發(fā)展空間和發(fā)展機(jī)遇均不容錯過。離心壓縮機(jī)作為金屬冶煉、壓力供給、氣逡逑體輸送及分離等工業(yè)部門的核心設(shè)備，其轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性和軸位移故障影響著整套機(jī)組的逡逑可靠運(yùn)行和企業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益�；瑒虞S承是離心壓縮機(jī)中不可或缺的基礎(chǔ)零部件。逡逑隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的提升和國防建設(shè)的需要，對旋轉(zhuǎn)機(jī)械中起支承、減振等作用的滑逡逑動軸承提出了特殊的要求：高轉(zhuǎn)速、高載荷、高精密、高性能、高精度、低噪聲、長逡逑壽命等優(yōu)點(diǎn)，能夠應(yīng)用在高轉(zhuǎn)速及高性能動力設(shè)備中。逡逑因?yàn)檗D(zhuǎn)子的徑向振動與軸向振動都關(guān)乎著離心壓縮機(jī)的安全運(yùn)行，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子逡逑穩(wěn)定性和軸位移故障防治一直受到國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注。例如，在圖１－１中，某壓逡逑縮機(jī)組內(nèi)，由于徑向圓瓦軸承的潤滑油膜發(fā)生了油膜渦動和油膜振蕩，使轉(zhuǎn)子發(fā)生失逡逑穩(wěn)，首先造成徑向軸承磨損，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和止推盤傾斜，進(jìn)而引發(fā)固定瓦推力軸承燒瓦逡逑的軸位移故障，為機(jī)組發(fā)電帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為消除轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性和軸位移故障，逡逑將原軸承更換為能夠直接潤滑和自動調(diào)心的可傾瓦推力軸承和可傾瓦徑向軸承，如圖逡逑１－２所示，因?yàn)榭蓛A瓦軸承瓦塊能夠繞支點(diǎn)自由的擺動，并不容易產(chǎn)生油膜失穩(wěn)現(xiàn)象，逡逑在服務(wù)６年后除定期檢修維護(hù)，未出現(xiàn)嚴(yán)重的軸承磨損故障。以上故障案例說明，軸逡逑承燒瓦或磨損是轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性及軸位移故障的最直接體現(xiàn)之一，對轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性與軸位移逡逑故障的防治研究是很有必要的。逡逑

Ｆｉｇ．１－２邋Ｂｅａｒｉｎｇ邋ｐｉｃｔｕｒｅ邋ｆｏｒ邋６邋ｙｅａｒｓ邋ｏｆ邋ｏｐｅｒａｔｉｏｎ邋ａｆｔｅｒ邋ｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ逡逑離心壓縮機(jī)軸位移故障通常是由超限的轉(zhuǎn)子軸位移而導(dǎo)致的報警或聯(lián)鎖停車。些非正常工況發(fā)生時，過大的軸向位移可能損壞如密封、０形環(huán)等壓縮機(jī)零部件推力軸承產(chǎn)生沖擊力，破壞軸承油膜穩(wěn)定。離心壓縮機(jī)的軸向推力主要由靜態(tài)力態(tài)力構(gòu)成。對于發(fā)電與煉油工業(yè)中的透平機(jī)械，一般都由平衡盤來平衡部分穩(wěn)態(tài)力，而由推力滑動軸承來承擔(dān)殘余軸向力。穩(wěn)態(tài)軸向力過大會造成軸位移變大，會導(dǎo)致過高的軸瓦溫度，也會導(dǎo)致過大的油膜剛度，容易引起推力軸承燒瓦或磨事故，使設(shè)備被迫聯(lián)鎖停機(jī)。因?yàn)槠胶庋b置具有相對固定的平衡能力，所以仍需推力軸承來支撐設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的動態(tài)力。推力軸承的軸向剛度和阻尼系數(shù)制轉(zhuǎn)子軸向振動的主要參數(shù)，直接影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動穩(wěn)定性。如果軸向動態(tài)激過大，可能引起軸向位移超過設(shè)計工作間隙，同樣會造成推力軸承損壞，嚴(yán)重事生的可能性較大。因此，隨著離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，推力軸承靜動態(tài)特性的準(zhǔn)測變得越來越重要。同時，與現(xiàn)有的試驗(yàn)結(jié)果相比較，理論預(yù)測的驗(yàn)證是有必要的。逡逑離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性是指轉(zhuǎn)子受到微弱擾動后復(fù)原為初始狀態(tài)的行為。為轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定運(yùn)行，其運(yùn)動狀態(tài)在受到外部干擾后，整個系統(tǒng)需具有抗激勵的能力持穩(wěn)定性。我國曾引進(jìn)數(shù)套大化肥裝置，其中一些心壓組，

很多方面的原因能夠引起離心壓縮機(jī)軸位移故障，為識別和消除導(dǎo)致故障的原因萊賽蘭（Ｄｒｅｓｓｅｒ－Ｒａｎｄ）公司的ＢｏｒｅｒＰ］采用全負(fù)荷測試法評估作用在離心葉輪上的力，逡逑過使用動壓探針、應(yīng)變片和振動傳感器全面分析了壓力脈動、旋轉(zhuǎn)失速和葉輪應(yīng)力逡逑的相關(guān)故障機(jī)理，研宄證實(shí)計算流體力學(xué)（ＣＦＤ）的價值在于幫助理解氣動力的產(chǎn)生。逡逑中高壓離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子軸向推力面臨著精確計算和測定的挑戰(zhàn)，曼透平（ＭＡＮ逡逑ｉｅｓｅｌ＆Ｔｕｒｂｏ）公司的Ｂｉｄａｕｔｆｆｌ提出推力軸承的承載能力應(yīng)該足夠高，以支撐機(jī)器壽命逡逑間的任何推力變化，但軸承尺寸又關(guān)乎功率損耗和轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題。ＧＥ公司的逡逑ａｌｄａｓｓａｒｒｅＷ通過全負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了高壓離心壓縮機(jī)軸向推力的計算模型，推軸承瓦塊上安裝的力傳感器，揭示了軸向推力與軸位移之間的變化趨勢。索拉（Ｓｏｌａｒ）逡逑平公司的Ｋｕｒｚ［５］重點(diǎn)討論了氣流阻塞工況對壓縮機(jī)氣動性能、軸向推力載荷和徑向逡逑荷的影響，指出氣流阻塞減弱了壓縮機(jī)葉輪交變應(yīng)力的強(qiáng)度。逡逑國內(nèi)很多學(xué)者分析探討了實(shí)際機(jī)組的軸位移故障，并提出了相應(yīng)的解決措施。王逡逑閣［６］指出轉(zhuǎn)子動平衡、找正、軸向力和推力軸承等問題都會引起軸位移增大。方紫逡逑［７］針對主推力瓦與止推盤主推面磨損嚴(yán)重的故障，對空氣壓縮機(jī)組進(jìn)行了四次故障逡逑修，最終發(fā)現(xiàn)靜電腐蝕是造成軸位移波動的關(guān)鍵因素。潤滑油變質(zhì)也容易造成軸位逡逑［８］

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本文編號：2761032