1 前言
上悬式离心机结构复杂，零部件繁多，工作情况多变。其主要功能是通过电机带动转鼓高速转动，在离心力作用下去除溶解液中的不溶性残渣，从而保障后续工艺的顺利运行。离心机是高速挠性旋转设备，其振动是难以避免的，但振动一旦超过一定的限度，轻则造成零部件损坏，影响机器使用寿命；重则造成重大安全事故，酿成严重恶果。
为了能够进一步提高转子振动控制，本文提出的离心机减振方法，就是要研究如何在转子上，直接作用控制力，能够让各种力直接作用于转子，从而去抵消转子上产生振动的故障力。
本模拟实验装置目的是进行振动控制策略的验证，控制策略是基于电磁轴承（电磁控制器）的振动控制，通过安装电磁执行机构，改变控制策略，进行振动控制。电磁控制器施加的可以是电磁力，也可以是弹性力（相当于一个弹性支承）；
2 试验台有限元模型的模态分析
2.1 转子动力学建模
通过ANSYS中模态及谐响应计算模块对其进行计算，以得到试验台转子固有频率及振型。并基于此，对试验台转子结构进行不平衡响应分析，计算包括平衡盘在内的转轴在受迫振动下的响应幅值随频率变化的规律。为下文开展试验台减振方案分析及后续开展实验提供参考。
同样的，使用扫掠及六面体主导的方式划分网格，网格大小取为10mm，总结点数290986，总单元数84252。试验台部分计算模型如图 1所示。
图 1 试验台转子部分网格划分
2.2 模态分析及坎贝尔图
试验台最高工作转速3000rpm，在无负载的条件下分别计算试验台转速为0rpm、3000rpm两种工况时的系统模态，分析步长500rpm，忽略系统结构阻尼。计算中考虑转子陀螺效应及科氏力，所得到试验台坎贝尔图如下图2所示。
图2 试验台坎贝尔图
得到试验台前四阶临界转速计算结果如下表1所示，前4模态振型如下图 2所示。需要说明的是，由于离心机球铰的作用，且转子没有约束旋转自由度，因此在模态分析时，前三阶模态频率很小，几乎为零，对应的振型分别是转子绕球铰的刚体摆动（两个相互垂直方向）和转子绕轴的旋转。
表1 试验台前四阶临界转速
观察图 1中试验台的模态振动模式可以看出，由于试验台轴长径比较大，一、二阶振型主要变形集中在平衡盘处，为试验台转子绕球绞刚体摆动，支座与轴套几乎无变形，且一二阶摆动方向互相垂直呈90°；三阶变形主要为转子旋转变形，转子发生绕轴旋转，变形量集中在远离平衡盘一侧；三阶为转子扭转振动，变形较为明显，主要集中在上平衡盘的外边缘处，但与支座连接处变形量依然较小，几乎为零。
图 3 试验台前4阶模态振型图
3 新型减振系统设计——电磁控制器
在对上悬式离心机建模的基础上，进行电磁执行器结构设计。采用12极E型磁极，磁极分布采用SNS-SNS-SNS-SNS。建立图 4所示有限元模型，并划分网格进行计算：
图 4 三维有限元模型及网格划分图
计算得到如下曲线：
图 5 计算不同间隙下电磁力与电流的关系
图 6 计算在偏置电流下差动扫频下的电磁力并拟合刚度系数
以上图表证明模拟得到的电磁力和刚度系数满足设计要求。在电磁激振器制造完成后，需要对电磁激励器力标定试验
4 电磁控制器振动抑制试验
负载为平衡盘，在500rpm、800rpm、1200rpm恒转速情况下，在启动电磁控制器前后，转子的时域振动与基频振动情况如图 8所示.。
图 8 恒转速下振动控制测试
图9连续多段速基频振动控制测试
在启动电磁控制器后，恒转速情况下，振幅衰减比较明显，总体振幅效果可达30%以上，对于基频振动的抑制可达50%以上。
负载为平衡盘，在500-1000-1500-1000-500rpm和500-1000-1500-2000-2200-2000-1500-1000-500两组变速工况下，在启动电磁控制器前后，转子的基频振动情况见图9。
控制器开启后，两次测试均得到了持续而稳定的基频振动抑制效果，证明了控制算法的转速跟随性，可以在变速工况下维持控制效果。
负载为平衡盘，随机在平衡盘上加配重6g，测试转速分别是500rpm、800rpm和1200rpm，启动电磁控制器前后，改变了不平衡量构成，不同转速下的振动仍有可观的衰减，进一步验证了该算法的有效性。在500rpm和800rpm转速下，控制前出现了杂乱的频率成分，可能是由于增加的配重后致使振动响应变大，电磁执行器处发生了碰磨，在启动控制器后，振动很快趋于稳定，同步振动得到显著衰减，轴心轨迹也趋于向中心靠拢。
开启控制器后，离心机转子振动得到了有效抑制，包括同步及非同步成分，瀑布图中的各频段振动均有不同程度的衰减，其中非同步成分降幅最为明显。从时域振动波形上也可以清晰看出，整体降幅显著。
5 结语
通过上述测试发现，电磁控制可以对上悬式离心机振动在一定范围内起到抑制作用，具备实际应用的可行性。
6 未来与展望
近年来我国开始重视转子动力系统中应用电磁轴承的研究。重点研究旋转机械的振动监测、诊断和控制技术。在相关理论推导和论述的基础上，结合电磁力式平衡装置，通过实验验证了算法的有效性。理论分析及实验研究结果表明通过安装电磁作动器对转子进行主动控制，对于解决转子振动过大问题提系统高稳定性是一种行之有效的方法。
根据综上所述的研究来看，通过电磁控制器来进行离心机的减振处理，具有比较大的前景。
参考文献
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