透平膨胀机叶轮超速试验台主轴系统的减振支承

　　透平膨胀机的增压轮和工作轮是高速旋转零件,为了确保安全,应在专门的超速试验装置中进行高速旋转强度试验,检验、考核其整体强度。

　　多年来,我们进行了大量的增压轮和工作轮的超速试验,发现钎接叶轮在超速过程中焊缝处会产生裂纹,甚至于整个轮盖和轮盘在钎焊缝处完全脱开,分成两部分。有时叶轮内孔会发生严重塑性变形。因此,对试验设备的主轴系统要具有良好的吸振能力,也就是说轴系中需设置减振支承。浙江大学化工机械研究所受某空分设备厂的委托研制了一台专门用于透平膨胀机增压轮和工作轮超速用的ZDCK7型超速试验机,如图1照片所示。

　　其主要指标为:最高设计转速73000r/min,最大工作叶轮质量5kg,最大工作叶轮直径250mm,驱动功率15kW。轴系简图如图2所示。

　　1　“O”型橡胶圈减振支承的结构

　　试验台的主轴系统中的减振支承,我们设计成带“O”型橡胶圈的阻尼支承结构,它具有结构简单、紧凑、减振效果好等优点。其结构为将套在柔性主轴上的两个滚动轴承,通过动轴承座(振子)座落在一组可以横向挤压的“O”型橡胶圈上,利用橡胶的内阻尼吸收振动能量,构成了一个挤压橡胶减振支承。它既可以使主轴系统临界转速降低,又可以有效地抑制主轴经过临界转速或叶轮产生不平衡时而造成的振动。其结构如图3所示。

　　紧定螺钉的作用是既要保证动轴承座(振子)在径向方向自由运动,又要保证“O”型橡胶圈有一定的预压缩量。为了防止紧定螺钉的松动,往往需加防松装置。

　　2　“O”型橡胶圈的动态特性

　　“O”型橡胶圈是一种粘弹性阻尼材料,将它应用于高速旋转机械的减振支承中还是近期才有的事。在理论的研究上,有从分子结构理论推导出整体性质的方法和从数学分析方法来描述物体的粘弹性的连续介质力学的方法,可以得到一些特殊情况下的解析解或数值解,但求解都比较困难,误差也大。因此,要从理论上来完全解决橡胶类阻尼材料的粘弹性结构的动力响应还存在一定困难。于是我们通过实验研究的方法得出一些相关规律,来指导“O”型橡胶圈减振支承的设计。

　　我们所采用的“O”型橡胶圈在宽频范围内动态性的测量方法是较权威而通用的美国NASA Lewis Research Center的Dardow和Samllery在其系列报告中提出的基于激振共振质量法,简称BERM法,这是一种测量转子支承中“O”型橡胶圈动态特性较为简单可行的方法。其力学模型如图4所示,它是通过改变参振质量m的大小来测出较宽频带范围内橡胶的动态特征参数值。参振质量m的运动方程: