CN111881525A - 基于动力模态的超重力离心机安全运行控制与提高方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动力模态的超重力离心机安全运行控制与提高方法。对离心机转动动力模态测试，得到不同离心加速度和不同配重下振动模态和固有频率；处理得到一阶固有频率曲线和旋转频率曲线，找到两条曲线间的危险点，设置安全因子并判断安全因子是否满足，再进行加固处理；另外处理旋转二倍频率曲线，根据旋转二倍频率曲线和旋转频率曲线的交点获得安全运行回避区间的上下限，控制离心机的旋转频率和速度，使得离心机的离心加速度在当前配重对应下回避区间之外进行工作运行。本发明方法获得超重力离心机在转动下动力性能的变化，控制并提高超重力离心机运行安全性，可操作性强，在保证离心机安全运行的同时节约分析成本，易于推广使用。

Description

基于动力模态的超重力离心机安全运行控制与提高方法

技术领域

本发明属于离心机设计与运行技术领域的运行控制与提高方法，涉及一种基于动力模态的超重力离心机安全运行控制方法与一种基于动力模态的超重力离心机安全运行提高方法。

背景技术

掌握旋转机械的转子在运行过程中的动力性态对整个机组的安全运行及关键部位的稳定性设计具有重要作用；而转子在运行过程中常遇到的危险状况就是共振引发的结构大变形以至于破坏；因此保证旋转机械整个机组安全运行最重要的基准点就是考虑转子运行过程中动力模态的变化。

超重力离心机作为旋转机械的典型代表在土木工程等相关研究领域发挥着重大作用，尤其是随着设计离心加速度的提升，机器性能参数的不断提高导致其机械结构的设计也必然更加复杂。故而掌握其在运行状态下的动力模态变化并以此为参数进行超重力离心机的安全运行设计和整体稳定性评估具有很重要的实际意义。

CN109253872A号发明专利申请公开了一种基于CEEMDAN的转子运行状态监测方法。该方法的工作原理：利用振动模拟试验台模拟转子的振动过程，通过传感器采集到的振动状态参数作为数据样本，对采集到的振动状态参数进行分解并对模态进行识别。

CN109520690A号发明专利申请公开了一种基于视频的旋转机械转子模态振型全局测量装置及方法。该方法的工作原理：在转子周围布置位移传感器，获得其基频等全局参数；通过影像放大技术对视频中振动变化进行振幅放大；对转子振动后的影像进行分析并确定其模态振型。

《福建建材》期刊2002年01期中“运转工况下离心机转子模态参数的识别及分析”一文中介绍了在运转工况下，利用时域识别方法识别了几种情况下矿棉离心机转子系统的模态参教。

《工程设计学报》期刊2006年03期中“离心机动力学特性分析及设计技术”一文中介绍了采用有限元方法，对离心机的动态特性进行分析，得到离心机的各阶固有频率及模态振型随转速变化的规律，并对离心机进行了模态试验。

《长江科学院院报》期刊2012年29卷03期中“大型土工离心机TLJ-500模态分析与试验”一文中介绍了分别采用理论计算和试验的方法对大型土工离心机进行模态分析，得到了前若干阶模态参数，并将两种方法得到的模态频率和振型进行了比较。

CN110404693A号发明专利申请公开了一种大型离心机设计方法，该方法的工作原理是：根据设计需求选取成熟产品的原型离心机作为相似设计参考模板，根据相似设计理论和缩放因子K求解预设计离心机的相关技术参数。

现有相关技术或方法的主要缺点如下：

(1)现有的转子动力模态的测试手段均是建立在机器结构规模小，结构性较为简单的情形下，因此其运行状态可以利用成熟的观测技术得到或模拟出。但是超重力离心机规模大，结构复杂很难通过这些小尺度手段或方法得到符合精度的运行过程中的动力模态，而必须是基于整个机组的现场动力测试。

(2)现有的关于超重力离心机动力模态的测试均是静力施加激励得到固有频率另外补充数值模拟运行过程中的动力模态或者是在小尺度的离心机上进行动力模态测试，首先静力模态和动力模态区别很大，因此静力测试的结果并不足以支撑设计，数值模拟方法无法考虑实际机器的尺寸偏差和常年运行导致的机器结构性能变化，因此模拟的结果过于理想化无法用于实际进行安全性运行和控制安全运行。而小尺度的离心机测试结果无法可靠代表大型复杂的超重力离心机的动力性态。

(3)现有的有关大型土工离心机的设计方法是基于相似理论的，没有进一步复核运行过程中离心机的动力模态变化。考虑到实际机器结构性偏差，实测的动力模态与理论结果往往差别很大。

现有技术缺少了针对超重力离心机实时进行安全运行的控制方式和提高安全运行稳定的处理方式。

发明内容

本发明的目的在于解决上述背景技术中的技术问题而提出的基于动力模态的超重力离心机安全运行控制与提高方法，基于机组动力模态测试的结果进行处理，来提高和控制整体安全性，使得离心机试验安全运行。

超重力离心机在运行过程中其动力模态或者其固有频率，尤其是最重要的一阶固有频率是不断变化的，而且不同的离心机其变化模式各不相同，因此只有基于现场实际测试才能得到其可靠的变化过程。

本发明利用动力模态的结果实时进行安全性评估与结构性能的校核与加固，能使得离心机试验有效避开可能共振的情形以保证机组安全进行。

本发明所采用的技术方案是：

一、一种基于动力模态的超重力离心机运行安全性提高方法，具体的包括如下步骤：

步骤一、首先对离心机进行转动动力模态测试，得到在不同离心加速度以及不同离心机的配重情况下的各阶振动模态与其对应的固有频率；

不同离心加速度以及不同配重是进行交叉实验进行转动动力模态测试，即在每一离心加速度下设置不同配重来进行转动动力模态测试。

如图1所示，转动动力模态测试时在离心机的离心机转臂上布置多个加速度传感器，加速度传感器在离心机转臂每条臂上沿径向间隔布置。

步骤二、根据步骤一获得的各阶振动模态与其固有频率的数据得到最危险一阶固有频率随着离心加速度变化的曲线，作为一阶固有频率曲线；

配重为离心机吊篮中的载重。一种配重有一条对应的一阶固有频率曲线，不同种配重有不同对应的一阶固有频率曲线。

步骤三、在不同离心机的旋转频率下进行工作，绘制离心机的旋转频率随离心加速度变化的曲线，作为旋转频率曲线；

步骤四、根据一阶固有频率曲线和绘制的旋转频率曲线，找到两条曲线在离心加速度相同情况下离心机的旋转频率和固有频率最接近的位置，在该位置标记危险点F；并记录危险点F处对应的固有频率和危险点F处对应的旋转频率；

步骤五、根据离心机的安全性能要求获得设置安全因子K_F，K_F大于1，并采用以下公式根据危险点F判断安全因子K_F是否满足：

其中，f_F为危险点F处对应的固有频率，f_T为危险点F处对应的旋转频率；

当公式满足时，则认为离心机在当前安全因子K_F的运行条件下稳定性满足安全储备；

当公式不满足时，则认为离心机在当前安全因子K_F的运行条件下稳定性不满足安全储备；对离心机结构进行加固。

所述步骤二中，最危险一阶固有频率是指在给定的离心加速度下，离心机所能容纳的最大配重时测试得到的一阶固有频率，代表了这个离心加速度下的一阶固有频率下限。

本发明方法中，实验处理获得离心机的倾覆模态对应的频率，是离心机最危险也是通常出现的。

所述步骤三中，离心机旋转频率是根据离心机的驱动控制系统直接获得，离心加速度通过下述公式处理得到：

a＝(2πf_T)²R

其中，f_T为离心机的旋转频率(Hz)，a为离心机的离心加速度(m/s²)，R为离心机的有效旋转半径(m)。

具体实施中，方法的步骤五中的安全因子K_F，根据不同的离心机性能要求可以自主设定其值，如可以设为1.3。

所述步骤五中，加固具体采用调增轴承刚度、增强轴承座等固定支承部件刚度的处理，以提高超重力离心机支承刚度的手段。

二、一种基于动力模态的超重力离心机安全运行控制方法，方法具体的包括如下步骤：

步骤一、首先对离心机进行转动动力模态测试，得到在不同离心加速度以及不同离心机的配重情况下的各阶振动模态与其对应的固有频率；

不同离心加速度以及不同配重是进行交叉实验进行转动动力模态测试，即在每一离心加速度下设置不同配重来进行转动动力模态测试。

步骤二、根据步骤一获得的各阶振动模态与其固有频率的数据得到最危险一阶固有频率随着离心加速度变化的曲线，作为一阶固有频率曲线；

一种配重有一条对应的一阶固有频率曲线，不同种配重有不同对应的一阶固有频率曲线。

步骤三、在不同离心机的旋转频率下进行工作，绘制离心机的旋转二倍频率随离心加速度变化的曲线，作为旋转二倍频率曲线；

步骤四、根据一阶固有频率曲线和绘制的旋转二倍频率曲线，找到两条曲线的交点及交点所对应的离心加速度；

步骤四、利用交点所对应的离心加速度根据以下公式获得安全运行回避区间的上下限：

a_up＝a₀(1+K_c)

a_down＝a₀(1-K_c)

其中，a_up是回避区间的上限，a_down是回避区间的下限，a₀是交点对应的离心加速度，K_c是回避区间安全因子；

步骤五、对不同配重下的一阶固有频率曲线重复步骤二～步骤四，得到各个配重下的回避区间[a_up，a_down]；

步骤六、控制离心机的旋转频率和速度，使得离心机的离心加速度在当前配重对应下回避区间之外进行工作运行。

所述步骤三中，离心机二倍旋转频率是根据下述公式处理得到：

其中，f_2T为离心机的旋转二倍频率(Hz)，a为离心加速度(m/s²)，R为离心机有效旋转半径(m)。

本发明的安全运行回避区间指的是离心加速度的限制区间，区间中点是频率曲线交点对应的离心加速度值，当超重力离心机在这个区间运行时有发生共振的危险。所述方法中的回避区间安全因子K_c可以根据不同的离心机性能和实验要求确定，如可以取为0.15。

本发明方法包括基于动力模态的超重力离心机运行安全性提高方法，建立最危险一阶固有频率曲线和旋转频率曲线之间的关系并设置安全因子实现安全性提高加固处理。还进一步针对不同配重下的一阶固有频率曲线和旋转二倍频率曲线交点分布情况处理获得安全运行回避区间，以进行离心机安全运行控制。

本发明的有益效果为：

本发明基于现场机组的动力模态测试，相比较已有的技术和方法，本发明得到动力数据真实可靠，完整获得了超重力离心机在转动下的动力性能的变化，能够有效判断获得转动下超重力离心机的整体稳定性能，还可以从动力角度复核离心机的结构性能进行加固提高处理。

本发明的超重力离心机安全运行控制方法，能够准确获得离心机动力性能的参数，构建的回避区间控制离心机试验能保证机组避开发生共振的危险区间而稳定运行，这是现有技术尚未考虑和解决的重要方面。

本发明的安全运行评估和设计方法可操作性强，能准确获得超重力离心机在转动下动力性能的变化，分析结果可靠，适用性广，在保证超重力离心机安全运行的同时节约分析成本，易于推广使用。

附图说明

图1为实施例的超重力离心机动力模态测试布点示意图；

图2为超重力离心机一阶倾覆模态示意图；

图3为不同离心机的频率曲线及相应的危险点图；

图4为不同配重下超重力离心机的回避区间；

图5为某一离心机实测固有频率曲线及回避区间设计图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

按照本发明发明内容完整方法实施的具体实施例及其实施过程如下：

实施例1、基于动力模态测试的超重力离心机运行安全性提高方法实施过程：

首先对离心机进行转动动力模态测试，得到其在不同离心加速度和不同配重情形下的各阶振动模态和相应的固有频率，一个加速度传感器作为一个测点，加速度传感器的测点布置方案示意图如图1所示，对应的一阶振动模态示意如图2所示，该振动模态对应的固有频率即为一阶固有频率。

然后，根据各阶振动模态与其固有频率的数据得到最危险一阶固有频率随着离心加速度变化的曲线，作为一阶固有频率曲线。

接着，在不同离心机的旋转频率下进行工作，绘制离心机的旋转频率随离心加速度变化的曲线，作为旋转频率曲线。

根据一阶固有频率曲线和绘制的旋转频率曲线，找到两条曲线在离心加速度相同情况下离心机的旋转频率和固有频率最接近的位置，在该位置标记危险点F。如图3所示给出三种有效半径相同的离心机可能的最危险一阶固有频率曲线和绘制的离心机旋转频率曲线，并标出每个离心机的危险点F，由于不同的离心机其性能和结构等均不同，于是对应的危险点的位置也是不同的。

最后，分别对不同的超重力离心机的危险点，校核其频率比值(危险点一阶固有频率/旋转频率)与安全因子K_F的关系进行运行安全性检测，结果见下表1所示：

表1实施例的计算数据

项目	频率比值(f<sub>F</sub>/f<sub>T</sub>)	安全因子K<sub>F</sub>	安全性
				离心机1	1.3	1.3	安全
离心机2	1.25	1.3	不安全
				离心机3	1.55	1.3	安全

从表中的数据可以发现，离心机1和离心机3评估为安全，其中离心机3的安全储备更高，而离心机2在这个安全因子等级下被认为不安全，根据性能和重要性要求调整安全因子等级，或者对离心机2进行结构加固，以满足1.3的安全因子要求，使得离心机能运行稳定。

实施例2、基于动力模态测试的超重力离心机安全运行控制方法实施过程：

首先对离心机进行转动动力模态测试，得到其在不同离心加速度和不同配重情形下的各阶振动模态和相应的固有频率，一个加速度传感器作为一个测点，加速度传感器的测点布置方案示意图如图1所示，对应的一阶振动模态示意如图2所示，该振动模态对应的固有频率即为一阶固有频率。

然后，根据各阶振动模态与其固有频率的数据得到最危险一阶固有频率随着离心加速度变化的曲线，作为一阶固有频率曲线；

接着，在不同离心机的旋转频率下进行工作，绘制离心机的旋转二倍频率随离心加速度变化的曲线，作为旋转二倍频率曲线；

然后，找到两曲线的交点及交点所对应的离心加速度，接着对交点的离心加速度值计算安全运行回避区间的上下限，按下述公式确定：

a_up＝a₀(1+K_c)

a_down＝a₀(1-K_c)

超重力离心机旋转二倍频率曲线及各配重下的一阶固有频率曲线如图4所示，图4中也给出了不同配重下的频率曲线交点对应的离心加速度的回避区间(包括加速度上下限)。

实施例的某一超重力离心机实测不同配重下的固有一阶频率曲线及对应机械的旋转频率曲线和旋转二倍频率曲线，如图5所示。从图5中按照上述步骤，得到2T(吨)配重下的频率曲线交点对应的离心加速度为a₀＝50g，此时设置回避区间安全因子K_c＝0.15根据公式计算其回避区间为[42.5g，57.5g](也就是下限加速度a_down＝42.5g，上限加速度a_up＝57.5g)。

因此，未来在此台超重力离心机上设计试验时，当拟设计的试验重量达到2吨左右时，其运行的离心加速度设置在回避区间[42.5g，57.5g]之外，才能保障离心机不发生共振的危险而平稳运行。

此外，从图5还可以进一步评估该超重力离心机的运行安全性，若认为离心加速度150g对应的2T固有频率曲线上的频率值已经达到了该离心机最危险一阶固有频率，那么频率比＝3.845/2.7303＝1.41>1.3，则认为满足1.3的安全因子要求，被认为能安全运行。

Claims (6)

1.一种基于动力模态的超重力离心机运行安全性提高方法，其特征在于：具体的包括如下步骤：

步骤一、首先对离心机进行转动动力模态测试，得到在不同离心加速度以及不同离心机的配重情况下的各阶振动模态与其对应的固有频率；

步骤二、根据步骤一获得的各阶振动模态与其固有频率的数据得到最危险一阶固有频率随着离心加速度变化的曲线，作为一阶固有频率曲线；

步骤三、在不同离心机的旋转频率下进行工作，绘制离心机的旋转频率随离心加速度变化的曲线，作为旋转频率曲线；

步骤四、根据一阶固有频率曲线和绘制的旋转频率曲线，找到两条曲线在离心加速度相同情况下离心机的旋转频率和固有频率最接近的位置，在该位置标记危险点F；

步骤五、根据离心机的安全性能要求获得设置安全因子K_F，K_F大于1，并采用以下公式根据危险点F判断安全因子K_F是否满足：

其中，f_F为危险点F处对应的固有频率，f_T为危险点F处对应的旋转频率；

当公式满足时，则认为离心机在当前安全因子K_F的运行条件下稳定性满足安全储备；

当公式不满足时，则认为离心机在当前安全因子K_F的运行条件下稳定性不满足安全储备；对离心机结构进行加固。

2.根据权利要求1所述的一种基于动力模态的超重力离心机运行安全性提高方法，其特征在于：所述步骤二中，最危险一阶固有频率是指在给定的离心加速度下，离心机所能容纳的最大配重时测试得到的一阶固有频率。

3.根据权利要求1所述的一种基于动力模态的超重力离心机运行安全性提高方法，其特征在于：所述步骤三中，离心机旋转频率是根据离心机的驱动控制系统直接获得，离心加速度通过下述公式处理得到：

a＝(2πf_T)²R

其中，f_T为离心机的旋转频率，a为离心机的离心加速度，R为离心机的有效旋转半径。

4.根据权利要求1所述的一种基于动力模态的超重力离心机运行安全性提高方法，其特征在于：所述步骤五中，加固具体采用调增轴承刚度、增强轴承座等固定支承部件刚度的处理。

5.一种基于动力模态的超重力离心机安全运行控制方法，其特征在于：方法具体的包括如下步骤：

步骤一、首先对离心机进行转动动力模态测试，得到在不同离心加速度以及不同离心机的配重情况下的各阶振动模态与其对应的固有频率；

步骤二、根据步骤一获得的各阶振动模态与其固有频率的数据得到最危险一阶固有频率随着离心加速度变化的曲线，作为一阶固有频率曲线；

步骤三、在不同离心机的旋转频率下进行工作，绘制离心机的旋转二倍频率随离心加速度变化的曲线，作为旋转二倍频率曲线；

步骤四、根据一阶固有频率曲线和绘制的旋转二倍频率曲线，找到两条曲线的交点及交点所对应的离心加速度；

步骤四、利用交点所对应的离心加速度根据以下公式获得安全运行回避区间的上下限：

a_up＝a₀(1+K_c)

a_down＝a₀(1-K_c)

其中，a_up是回避区间的上限，a_down是回避区间的下限，a₀是交点对应的离心加速度，K_c是回避区间安全因子；

步骤五、对不同配重下的一阶固有频率曲线重复步骤二～步骤四，得到各个配重下的回避区间[a_up，a_down]；

步骤六、控制离心机的旋转频率和速度，使得离心机的离心加速度在当前配重对应下回避区间之外进行工作运行。

6.根据权利要求5所述的一种基于动力模态的超重力离心机安全运行控制方法，其特征在于：所述步骤三中，离心机二倍旋转频率是根据下述公式处理得到：

其中，f_2T为离心机的旋转二倍频率(Hz)，a为离心加速度(m/s²)，R为离心机有效旋转半径(m)。

Images