环道离心机异常振动的仿真与试验研究

袁晓云 ，彭利果，班久庆

（1. 国家石油天然气大流量计量站成都分站，成都 610213；2. 中国石油西南油气田分公司天然气研究院，成都 610299；3. 中国石油集团公司天然气质量控制与能量计量重点实验室，成都 610299）

环道离心机是用于将天然气加压，以使得天然气能够进行远距离输送的一种离心机，由于其作用对象为天然气，对于环道离心机的强度与刚度都有较高要求，故其结构安全的可靠性设计越来越受到重视。环道离心机将在外界载荷的激励下发生振动现象，而振动系统的固有频率及模态振型是其动态特性的重要参数，因此针对环道离心机进行模态分析得出其固有频率与模态振型，找出振幅较大的部分，以避免发生共振，从而提高环道离心机的工作寿命。

国内国外对于离心机振动方面的结构优化设计研究均比较普遍，国内宝钢工业检测公司的φ3 000盘式离心机，由于转子不平衡缠身异常振动振造成轴承损坏、基座与基础连接螺栓松动的现象，通过控制冷型的结构对称与平衡，保证冷型安装在工作盘的同轴度和垂直度，改进冷型与工作盘的连接方式等进行解决[1]。其次是德国生产的SZ1000/-12/4K10 两级推料离心机，在运行过程中，同时存在篮筐的转动或是前后移动的三维运动现象，导致离心机主轴发生振动，南化集团连云港建厂对于离心机结构方面的改进是：在油箱下放以及减震块上方增加均匀厚度的钢板来增加配重，从而减小离心机的振动[2-3]。在WG-800 离心机生产聚氯乙烯过程中发现，由于某些零件精度不够，或者螺钉松动等原因而使得离心机机体振动严重，从而严重影响PVC 树脂的生产，福建榕昌化工有限公司采用自制的实心橡胶减震器，大幅度减小了离心机振动幅度[4]。在国外技术中，例如瑞典诺克森（NOXON）公司的卧螺离心机采用斜板沉淀原理，推出一种新的技术：Lamella 技术；德国所生产的卧螺离心机在与污泥接触的螺旋叶片外缘采用了烧结耐磨合金片或陶瓷片镶嵌工艺，可以降低磨损，从而减小振动[5]。

以上案例对于离心机的振动问题的原因探究，大多都是从机械结构，例如轴承磨损、螺钉松动、零件精度不够导致三维运动等方面，而极少有从外界激励与离心机本身产生共振的方面进行探究[6]。然而对于环道离心机而言，其产生异常振动的主要原因还是源于环道离心机自身结构与外部激励（各类频率的天然气激扰力）产生了共振[7]。

考虑到离心机主要的失效形式是振动破坏，对离心机进行动态特性分析，选取离心机材料为45 钢，在对离心机进行模态分析之后，进行谐响应分析，通过对离心机进行模态分析与谐响应分析，确定离心机可能发生共振的频率和模态振型。

本文以环道离心机为研究对象，建立环道离心机三维模型，在有限元软件Hypermesh 中运用Optistruct 模块进行模态分析与谐响应分析，选取振动较大的点，得出速度—频率响应曲线，结合实验结果进行对比分析。并进行离心机结构优化，从而改善振动状况。

1 环道离心机模型及异常振动描述

1.1 异常振动描述

在环道离心机的实际使用情况中发现，当离心机通入天然气并开始工作时，其内部压力与不同的转速会影响离心机自身的振动情况，且处于某些工况时，离心机自身的振动会达到设定的报警值（振动烈度4 mm/s）甚至停机值（振动烈度7 mm/s），针对离心机的振动问题进行相应的测试，测试原理图如图1所示，测试结果如图2 所示。

图1 环道离心机振动测试测点示意图Fig.1 Schematic diagram of vibration test points of loop centrifuge

图2 环道离心机振动速度随压强和转速的变化Fig.2 Variation of vibration speed of loop centrifuge with pressure and speed

由图2 曲线可知在压强为0.4 MPa，1.0 MPa，2.5 MPa 以及3 MPa 的工况下，不同转速工况测点3 的振动烈度始终低于4 mm/s，处于正常工作范围。在压强为1.5 MPa 工况下，测点3 在2 800 r/min 时，振动烈度达到6.5 mm/s，超过了报警值4 mm/s。在压强为1.8 MPa 工况下，测点3 在2 600 r/min 时，振动烈度达到5.5 mm/s，超过了报警值4 mm/s，而在2 700 r/min 及以上，测点3 的振动烈度均小于4 mm/s，处于正常工作范围。

1.2 离心机模型

利用三维建模软件Solidworks 对离心机进行建模，文中所述的离心机结构较为复杂，在建立其三维实体模型的过程中对其进行简化，如删除了一些对动态分析影响不大的小孔等。在三维软件中建立的模型如图3 所示，离心机的主要参数如表1 所示。整机材料选取45 号钢，强度硬度较高，塑性韧性较好，材料属性如表2 所示。

表1 离心机的主要参数Table 1 Main parameters of centrifuge mm

表2 45 钢的材料属性Table 2 Material properties of steel 45

图3 离心机的三维模型Fig.3 Three dimensional model of centrifuge

2 环道离心机振动仿真分析

环道离心机在运行过程中会不停振动，在其运转过程中，产生的振动信号主要由两部分组成：环道离心机自身的固有频率以及由于外界激励而产生的冲击振动。通过有限元分析计算所述的两种频率。

2.1 有限元建模

利用有限元分析软件HyperMesh 的optistruct 模块进行有限元分析，对环道离心机进行有限元建模如图4 所示。

图4 离心机的有限元模型Fig.4 Finite element model of centrifuge

2.2 模态分析

模态分析用于计算环道离心机固有频率，当离心机作自由振动（无外界工况激励）时，振动的频率与初始条件无关，而只与自身属性有关。

对于物体固有频率计算公式为：

式中k——物体劲度系数，单位N/m；

m——物体质量，单位kg。

此式能够看出，离心机的固有频率是其固有属性，只与材质、结构、尺寸有关，而与外界激励以及其旋转速度等因素无关。

由牛顿经典力学可以推算，物体的动力学方程：

式中M——质量矩阵；

C——阻尼矩阵；

K——刚度矩阵；

x（t） ——位移；

F（t） ——外部激励。而模态分析与外界激励无关，即：F（t） = 0。引入无量纲参数阻尼比ξ，有：

阻尼会对固有频率造成影响，如式（3）所示：

而工程中通常ξ≤0.05，0.998 7 ≤ωr/ω≤1，所以阻尼对固有频率影响极小，故可以忽略阻尼影响，使得有阻尼频率近似地等于无阻尼周期频率。

此时动力学方程为：

设简谐运动方程为：

可计算无阻尼运动方程：

即可得出：

式中ωi——第i阶固有频率；

Ai——第i阶振型[8]。

2.3 模态分析结果

对离心机进行模态分析，通过模态分析振型显示，找到了反应离心机大小是否超标的点3，其位置于图4 中所示，图5 表3 主要反映了该频率所对应的振型及测点3 振动较大的频率。

表3 测点3 振动较大的频率及阶数Table 3 Frequency and order of large vibration at measuring point 3

图5 环道离心机主要振型（与激振力频率接近且测点3 附近变形大）Fig.5 Main vibration modes of loop centrifuge (close to the frequency of exciting force and large deformation near measuring point 3)

2.4 谐响应分析

谐响应分析用于确定线性结构在承受随时间按正弦（简谐）规律变化的载荷时的稳态响应，根据模态分析的固有频率结果显示，设置加载频率范围为600 ～ 1 700 Hz 。对离心机进行谐响应分析后，提取测点3 附近节点的速度频谱图[9]，见图6，可知，837、1 120、1 377 和1 678 Hz 等均有较大响应峰 值。

图6 测点3 横向速度频谱图Fig.6 Spectrum of transverse velocity of measuring point 3

3 试验结果与分析

实验测得，当离心机分别在工况1.5 MPa，2 800 r/min、1.8 MPa，2 600 r/min 下工作时，离心机测点3 的Y向加速度频谱图如图7、8 所示。

图7 压强1.5 MPa，转速2 800 r/min 测点3 Y 向加速度Fig.7 Acceleration in Y direction of measuring point 3 at pressure 1.5 MPa, rotating speed 2 800 R / min

由实验测试可知，在1.5 MPa 与2 800 r/min 工况下，主要激振频率为831、1 105、1 647 Hz，在1.8 MPa 与2 600 r/min 工况下，主要激振频率为831、1 117、1 393 与1 674 Hz。

图8 压强1.8 MPa，转速2 600 r/min 测点3 Y 向加速度Fig.8 Acceleration in Y direction of measuring point 3 at pressure 1.8 MPa, rotating speed 2 600 R / min

4 解决方案

为了减小离心机振动，在离心机局部位置增加加强筋（厚度15mm，位于原有两个加强筋之间），来改变离心机刚体的固有频率，进而使激励力远离设备固有频率，减小设备振动。加强筋的位置如图9所示。

图9 加强筋位置Fig.9 Stiffener position

计算局部加强后离心机的固有频率，测点3 变形较大的主要频率及振型分别如表4，图10 所述。测点3 的能量—频率曲线如图11 所示，峰值为2.08，与优化前4.26 相比有较大的下降。

图10 优化前后频率和对应振型对比Fig.10 Comparison of frequencies and corresponding vibration modes before and after optimization

表4 测点3 振动较大的频率及阶数（优化后）Table 4 Frequency and order of large vibration of measuring point 3 (after optimization)

5 结论

通过仿真与实验对比，得到以下结论：

（1）在838 Hz、1 120 Hz、1 373 Hz、1 377 Hz、1 387 Hz 和1 678 Hz 附近的固有频率与激励频率（1.5 Hz 和1.8 MPa）较为接近，这引起了结构共振或振动放大，对测点3 振动贡献较大。

（2）在1.5 MPa，2 800 r/min 的工况下，离心机设备的主要激扰力来源于气体的扰动，扰动频率831 Hz、1 106 Hz、1 374 Hz 和1 650 Hz 与结构固有频率点838 Hz、1 120 Hz、1 373 Hz（1 377 Hz 或1 387 Hz）和1 678 Hz 接近造成设备振动放大；

（3）在1.8 MPa，2 600 r/min 的工况下，离心机设备主要的激扰力来源于气体的扰动，扰动频率831 Hz、1 117 Hz、1 393 Hz 和1 674 Hz 与结构固有频率点838 Hz、1 120 Hz、1 387 Hz（1 373 Hz 或1 377 Hz）和1 678 Hz 接近造成设备振动放大。

（4）中频段800 ～ 1 700 Hz 激扰力引起设备的共振是振动超标的主要原因。

（5）通过在离心机底座中心位置处添加一根加强筋，测点3 的振动能量从4.26 下降至2.08，故离心机的振动有了大幅度降低，从而改变其异常振动情 况。