作家：胡东旭王欣然 李文 戴兴修 王星 侯虎灿 陈海生 左志涛单元：1. 中国科学院工程热物理咨议所；2. 中国科学院大学；3. 中科南京将来能源体系咨议院；4. 毕节

单元：1. 中国科学院工程热物理咨议所；2. 中国科学院大学；3. 中科南京将来能源体系咨议院；4. 毕节高新工夫家产开拓区国家能源大范畴物理储能工夫研发中央

援用： 胡东旭,王欣然,李文等.双悬臂轴系构造通过临界转速时振动试验咨议[J].储能科学与工夫,2021,10(05):1536-1543.

摘 要 膨胀机和压缩机是压缩气氛储能(CAES)体系的环节部件。为餍足其变工况、低功耗等央浼，中小型机组众采用双悬臂轴系构造，但双悬臂构造振动境况丰富，振动题目直接影响其运转牢固和运转安定，而而今对其咨议还不敷充盈，基于此发展了针对双悬臂轴系构造振动特色的试验咨议。要点阐明了双悬臂轴系中高速轴的振动幅值弧线、振动频谱、伯德图和振动能量漫衍频谱图等，确定了该转子的临界转速，并探究了通过临界转速时升速联贯性、升速时光等对其振幅的影响。结果解说，本咨议双悬臂试验件高速轴临界转速约为14200 r/min，临界转速前共振区域约为临界转速(14200 r/min)的15%，临界转速后共振区域约为临界转速9%。靠近临界转速时其他倍频增进幅度均正在2 μm以下，不足一倍频增进幅度的5%。升速经过联贯性对通过临界转速时的振幅有肯定影响：纵然“阶梯型”升速计划通过临界转速时的升速度更疾，然则因为其正在临界转速相近有中断，变成了振动能量累计，是以使振动峰值补充。通过临界转速时，振动峰值会跟着提速时光的耽误而近似线%。

动作旋起色械中最具有代表性的机组之一，膨胀机和压缩机是压缩气氛储能(CAES)体系的环节部件。为了餍足变工况、低功耗等央浼，膨胀机、压缩机组众采用双悬臂轴系构造，这种构造格式具有高恶果和高功能等长处，是以，除了压缩气氛储能外，其还平凡操纵于化工、石油、空分等规模，是摩登工业越发是能源行业的中央装备和环节性工夫，是一个国家告终工业摩登化的首要显露。而今许众能源规模的高端齿式膨胀机组、压缩机等如故由国际工业巨头担任和支配。纵然国内修筑企业正在对引进工夫实行消化、摄取的底子上，已具备肯定的研发与坐蓐才力，但与外洋进步程度如故存正在较大差异。

正在繁众工夫困难中，牢固性和振动题目尤为超过。国内丰富齿式众轴耦合转子体系动力学特色的咨议起步较晚，仍有许众科常识题有待咨议。蒋庆磊等探究了齿轮啮合转子体系的修模伎俩，并咨议了齿轮啮合功用对体系固有特色的影响。庞辉等设备并求解了众轴系齿轮转子耦合体系的振动方程，取得了耦合转子体系的振动模态和不均衡反响，出现齿轮啮合功用会使轴系出现新的振型，同时还出现普及高速轴的均衡精度对待普及轴系的牢固性有主动旨趣。朱丽莎等、车永强等的阐明解说，因齿轮传动导致的轴系间耦合功用会明白影响轴系的振动。Gao等正在归纳商量了传动差错、齿侧间隙和时变啮合刚度的底子上，咨议了滚动轴承与滑动轴承拉拢撑持下齿轮啮合转子体系的动力学特色。Zhang等通过对五轴齿式压缩机模子的有限元阐明，指出轻载时振动平常的轴系不妨因为载荷的补充而崭露振动题目。张明通过公式推导设备了转子临界转速与轴承支承刚度之间的联系，揭示了具体齿式压缩机的临界负荷打击机理。刘宾宾使用电磁履行器模仿齿轮耦合丰富体系中齿轮啮合变成的径向轴承负荷转折，咨议了差别载荷下齿轮转子耦合丰富体系的动力学特色和不均衡反响纪律。

纵然有不少学者针对齿轮啮合双悬臂轴系的动力学特色发展了咨议事情，然则还存正在少少缺乏，越发是缺乏对双悬臂构造通过临界转速时周到振动特色的试验咨议。本文基于某型号真正的双悬臂膨胀机轴系构造，发展了针对该轴系越发是高速轴振动特色的试验咨议。通过众次起落速试验，要点阐明了高速轴的振动幅值弧线、振动频谱、伯德图和振动能量漫衍频谱图等，确定了该转子的临界转速，并探究了通过临界转速时差别升速计划对振幅的影响，取得了少少量化的试验结论，可认为日后犹如轴系构造的计划和运转供应鉴戒。

本文试验的咨议对象为压缩气氛储能规模膨胀机和压缩机最为常睹的双悬臂轴系构造，试验件的最大通报功率为10 MW，输入转速为4500 r/min，低速轴计划转速为8300 r/min，高速轴计划转速为17500 r/min。图1为试验件构造图，试验件低速轴为刚性转子，高速轴为柔性转子，即计划转速正在一阶临界转速之上，该构造的振动特色具有影响要素众、振幅转折敏锐、计划难度大等特性。是以本文以该轴系为咨议对象，要点阐明了高速轴过临界时的振动特色。

本文厉重采用试验伎俩发展了双悬臂轴系构造的动力学特色探究，要点针对柔性的高速轴动力学特色实行了阐明。起初阐明了轴系振动值随速率的转折弧线，确定了正在振动峰值对的应转速；之后，通过进一步阐明轴系的伯德图、振动能量漫衍频谱图等，表明了出现振动峰值的起因是正在升速经过中存正在着临界转速；最终，阐明了升速联贯性和升速时光对振动的影响。

本文中的动力学测试平台由动力体系、支配体系和测振体系等几部门构成。动力体系最大功率315 kW，最大扭矩1010 N·m。支配体系包含电机转速支配和供油支配，电机转速可能正在300～3000 Hz内联贯调动，动力体系增速箱最高输出转速45000 r/min，供油压力可能正在0～1 MPa内联贯调动，最大供油量400 L/min。测振体系厉重有振动探头、前置器、硬件处罚模块和软件阐明体系等构成，不妨衡量试验件振动的位移、速率和加快率等消息，并通过软件阐明体系取得转子的极坐标图、轴心轨迹图、振动频谱图、瀑布图和伯德图等详细的振动消息。本测试平台中，最为中央的部件为测振体系，电涡流振动探头的灵巧度为8.78 V/mm。振动加快率探头其最大可衡量50 g峰值振动，灵巧度为100 mV/g。速率探头的灵巧度为每秒3.94 mV/mm(颠簸局限为±5%)，衡量振动速率最大值为1270 mm/s。振动处罚器采用本特利3500模块，精度为满量程的±0.33%。

试验中，高速轴转子正在14000 r/min驾驭崭露了振动峰值，为了验证振动峰值崭露是否具有无意性，正在14000 r/min相近实行了4次起落速试验，起落速弧线次起落速经过中，转速的转折局限均为8000～17600 r/min，起初转子从8000 r/min升速至12000 r/min，中断1 min后，分裂以20、30、40和50 s差别的升速速率加快到16000 r/min，中断1 min后，无间擢升转速至17600 r/min，运转1 min后先导降速。

图 5 四次起落速弧线给出了起落速经过转子振动弧线，由图可能看出，每次起落速的振幅转折趋向根基沟通。正在升速阶段，当转速抵达12000 r/min后，振动先导迂缓升高，1 min内振动值从12 μm普及到20 μm驾驭；若无间普及转速，则振动值可能正在15 s内从20 μm普及到50 μm以上，并正在14200 r/min驾驭抵达最高值；从此跟着转速升高后振动值又陡然低落，正在15 s内从50 μm以上低落到20 μm以下，然后跟着转速擢升，振动值有迂缓擢升。正在从12000 r/min到16000 r/min的4次升速经过中振动峰值渐渐从52 μm普及到61 μm，这是由于4次升速经过中的升速时光从20 s到50 s逐次增进，能量累积也渐渐增大，导致振动峰值也逐次普及。图7给出了高速轴和低速轴振动幅值比拟，从中可能看出，低速轴无明白的振动峰值，但正在正在高速轴振动崭露峰值时，低速轴振动也从28 μm补充到了33 μm，可睹此时高速轴的振动值对低速轴的振动出现了肯定的影响。开始剖断正在14200 r/min驾驭，高速轴存正在临界转速，下文将通过进一步更周到的振动阐明来验证该剖断。

起初阐明通过14200 r/min时转子的振动转折纪律，图8给出了升速经过弧线 r/min直接升速到15500 r/min，升速时光为60 s。图9给出了该升速经过中转子振动的转折纪律。由图可知，正在转速由12000 r/min升到14200 r/min经过中，纵然只经验了30 s，然则振幅赶疾由22 μm升到66 μm，当转速无间升高到15500 r/min时，振幅值又赶疾低落到20 μm以下，该振动形象适宜轴系过临界转速时的振动特性。维系图8和图9还可能看出，振动峰值对应转速前后的共振区域局限分裂约为15%和9%，可睹对待本文的咨议对象，振动峰值前的共振区域要大于振动峰值之后的共振区域。

图 9 升速经过中振幅转折弧线给出了转子正在远离振动峰值转速和振动峰值转速时的振动频谱图。正在差别转速下，一倍频振幅永远攻克主导地位，然则正在振动峰值时，一倍频攻克的比例明显普及。正在10800 r/min时，1倍频的振幅达约为6 μm，此中0.5、2和4倍频也分裂有2～3 μm的振幅。当转速抵达14200 r/min时，1倍频振幅抵达了52 μm，增进了快要9倍，0.5倍频振幅为4 μm，其它倍频振幅均正在3 μm以下，增进幅度不足一倍频增进幅度的5%。可睹，正在转子转速靠近14200 r/min时，1倍频振幅会激烈补充，其它倍频的振幅也会有补充，然则补充的幅度远小于1倍频的补充幅度。

图11给出了转子振幅和相位角随转速转折弧线(伯德图)。从图中可能看出，从10000 r/min提速到16000 r/min经过中，相位角转折了180°以上，况且正在14200 r/min驾驭崭露了明白的振动峰值，解说转子全部地超出了14000～14500 r/min相近的临界转速，即转子正在14000 r/min驾驭存正在临界转速。

图 11 转子振幅、相位角随转速转折弧线给出了转子运转时的振动能量漫衍频谱。图中椭圆局限内一倍频斜率弧线和转速交点地位存正在着明白的能量累积(交点巨细解说能量的巨细)。从而可知，转子振动的厉重能量起原为一倍频，且厉重会合正在12000～16000 r/min之间，即14000 r/min转速相近，进一步验证了该转速局限内存正在着临界转速，这与之前的阐明和剖断是吻合的。

图13给出了转子振动的频谱瀑布图(级联图)，从中可能越发直观地看出，一倍频为转子的厉重振动频率，且箭头所指地位为振动峰值，此时的对应转速为14200 r/min。由此可能全部确定，该转子正在14200 r/min驾驭存正在临界转速。

正在压缩机、膨胀机实质运转时，因为机组计划央浼、现场前提纷歧概起因，运转时往往采用差别的升速战略。本文采用线性联贯升速和阶梯升速两种计划，比力了两种差别升速计划境况下，转子通过临界转速时的振动转折境况。表1给出了两种升速计划的周到消息。图14给出了两种差别的通过临界转速的计划。计划一中转速直接由12000 r/min提速到16000 r/min，提速时光为60 s，转速加快率为4020 r/s。计划二中转速起初由12000 r/min擢升到13000 r/min，提速时光为30 s，并中断了约20 s，之后转速由13000 r/min提速到15500 r/min，用时30 s，转速加快率为7020 r/s。

纵然通过临界转速14200 r/min经过中的转速加快率计划二高于计划一，表面上应当更有利于振动峰值的低落，然则最终计划二计划的振幅值略高于计划一。这是因为计划二中转子正在13000 r/min中断时，转子振幅仍旧从22 μm上升到了46 μm，由此可睹纵然正在13000～15500 r/min这个局限内计划二的提速时光更疾，然则因为计划二中12000～13000 r/min提速时光较慢，且正在13000 r/min转速上有中断，最终导致其过临界转速时振幅高于计划一。

表面上，通过临界转速时，升速越疾，振动峰值越低，然则受到动力前提和其它少少要素的影响，转速擢升的速率会受到限制。是以本末节将探究通过临界转速时，升速时光对转子振动幅值的影响。图16给出了过临界转速时，3种差别提速计划下的振幅弧线 r/min的提速时光分裂为20、40和60 s，转速加快率分裂对应12000、6000和4020 r/s。从图中可能看出，提速时光从20 s耽误到60 s时，振动峰值从51 μm补充到61 μm，擢升了约20%，况且振动幅值的擢升近似线性。

本文针对某通报功率为10 MW的双悬臂轴系构造实行了动力学特色试验咨议，要点阐明了该轴系高速轴的振动幅值弧线、振动频谱和振动能量漫衍频谱图等，确定了转子临界转速值，并探究了差别升速计划对转子通过临界转速时振幅的影响。最终得出以下结论。（1）取得了CAES叶轮呆滞典范双悬臂轴系转子动力学特色：转子转速靠近临界转速时，1倍频振幅会激烈补充，其它倍频的振幅也会有补充，然则幅度远小于1倍频的补充幅度。高速轴正在14200 r/min驾驭存正在临界转速，临界转速前的共振区域约为15%，临界转速后的共振区域约为9%，临界转速前的共振区域比临界转速后的共振区域要大约6%。靠近临界转速时，1倍频振幅从6 μm补充到了52 μm，补充了46 μm；其它倍频的增进幅度均正在2 μm以下，不足一倍频增进幅度的5%。（2）本咨议取得了升速联贯性对轴系振动的影响特性：轴系升速通过临界转速时，应当迅疾联贯性通过，阶梯式的升速计划对振动倒霉。计划一转速直接由12000 r/min提速到16000 r/min，提速时光为60 s，转速加快率为4020 r/s。计划二从12000 r/min擢升到13000 r/min中断20 s后无间升速到设定转速，通过临界转速的加快率为7020 r/s。纵然通过临界转速时计划二的速率加快率更疾，然则因为其正在临界转速相近有中断，变成了振动能量累计，使得最终的计划二的振动峰值反而大于计划一。（3）本咨议也取得了升速时光对轴系振动的影响特性：通过临界转速时，振动峰值会跟着提速时光的耽误而近似线 s时，加快率分裂对应12000、6000和4020 r/s，此时振动峰值从51 μm补充到61 μm，擢升了约20%。第一作家：胡东旭（1987—），男，工程师，咨议对象为压缩气氛储能，飞轮储能，E-mail：