转子在线主动平衡技术发展现状与研究展望

转子动平衡伴随旋转机械的诞生而出现,是一种旋转机械常用的振动控制手段.纵观其技术发展,转子动平衡经历了机上平衡、现场停机平衡和在线不停机平衡等主要阶段,目前处于三者共存状态.以机床电主轴应用为例,转子在线主动平衡通过传感检测、驱动控制和平衡机构组成闭环系统,实现对运行中转子智能平衡.通过总结现有文献,认为转子在线主动平...     

高速主轴动平衡及其在线控制技术

针对机床主轴在线自动平衡控制问题,阐述了高速主轴不平衡识别方法和在线自动平衡技术国内外现状,分析了喷液式在线自动平衡装置原理,设计了喷液式平衡系统,并通过高速主轴实验对该系统的有效性进行了验证。研究结果表明,主轴经过平衡后,不平衡量振动值由1.60mm/s降至0.34mm/s,主轴失衡振动得到了有效抑制。     

基于径向励磁和永磁-电磁联合驱动的主动平衡执行器

在线主动平衡系统因可实时抑制旋转设备运行过程中的不平衡振动,在高端机床和航空发动机等高端装备领域具有重要应用价值。平衡执行器作为主动平衡系统的终端执行机构,其性能参数决定了平衡系统的整体指标。对已有电磁滑环式平衡执行器的轴向励磁方法进行了改进研究,提出了一种基于径向励磁和永磁-电磁联合驱动方法的新型执行器结构,通过建立有限元模型定量分析了执行器的关键性能参数,并最终通过试验验证了上述结构的可行性和有效性。结果表明,径向励磁结构在整周范围内均可驱动配重盘完成自锁和步进动作,结构设计方案可行,且利用永磁-电磁联合驱动可将驱动电压有效降低12.5%,为该类执行器的工业应用提供了技术支撑。     

转子在线主动平衡技术发展现状与研究展望

转子动平衡伴随旋转机械的诞生而出现,是一种旋转机械常用的振动控制手段。纵观其技术发展,转子动平衡经历了机上平衡、现场停机平衡和在线不停机平衡等主要阶段,目前处于三者共存状态。以机床电主轴应用为例,转子在线主动平衡通过传感检测、驱动控制和平衡机构组成闭环系统,实现对运行中转子智能平衡。通过总结现有文献,认为转子在线主动平衡核心技术包括平衡装置、失衡检测和平衡控制三个方面,机械、液压和基于电磁原理的平衡装置是目前主流平衡执行机构,基于信号的特征提取和基于数据的智能识别是目前失衡检测两条主要思路,基于影响系数在线估计的频域和时域平衡是目前关注最多的平衡方法,其中电磁平衡装置和时域平衡方法仍需进一步深入研究。总体而言,转子在线主动平衡技术在精密机床、过程机械和军工装备等领域已取得诸多研究成果,但鉴于其技术复杂性在实际应用中仍存在诸多难题亟待解决。展望转子在线主动平衡技术未来发展方向和研究课题,可为从事转子动平衡技术研究的国内外同行提供有益参考。     

砂轮不平衡振动主动控制的实验研究

砂轮不平衡振动会影响工件表面的质量,降低砂轮的耐用度。为了降低由砂轮不平衡振动造成的危害,作者提出了一种内置力执行器的砂轮不平衡振动主动控制方案,并在前期进行了理论分析与研究。在此基础上,对内置力执行器电机的绕组参数及柔性电主轴-转子系统进行了设计;并借助DSP2812建立了砂轮不平衡振动主动控制的实验平台。在此平台上,对不同转速下砂轮的不平衡振动进行了主动控制的实验研究,证明了该主动控制方案在控制砂轮端不平衡振动方面的可行性,为进一步的应用研究提供了参考依据。     

基于不平衡识别的主动电磁轴承转子系统自动平衡

转子不平衡引起的同步振动是主动电磁轴承转子系统高速运行面临的一个主要激振源.通过对转子系统不平衡特性的分析,提出了一种基于不平衡识别的主动电磁轴承转子系统自适应自动平衡控制方法.该方法无需控制对象的传递函数,亦不影响原控制系统稳定的频率边界,通过对主动电磁轴承在线施加试探性激振信号,同时检测控制电流响应中不平衡频率成分的幅值和相位变化,直接识别出不平衡干扰的Fourier系数,产生精确的补偿信号,从而使转子绕其质心轴旋转.实验测试结果表明提出的自适应自动平衡方法对不平衡干扰有显著的抑制作用.     

转子振动的前馈自学习控制

针对转子轴承系统由不平衡引起的振动，提出不需建立对象数学模型、能够在转子工作转速下进行实时在线主动控制的前馈自学习控制方法。对这种控制方法在转子不停车的情况下自动实现不平衡振动的识别和控制过程的理论及算法进行了论述和推导。最后在单盘对称转子轴承系统上进行了实验验证，实验结果证明该基于减振原理的控制方法对不平衡振动具有较好的抑制能力。     

电磁力参数自寻优的转子多频振动主动抑制

提出一种转子多频振动的在线主动抑制方法,该方法利用电磁作动器向转子施加多个与转子振动频率相匹配的旋转电磁力,通过在线自寻优的方式确定电磁作动器的控制电流相位和幅值,使施加的多个频率成分的旋转电磁力能够削减转子的多频振动幅值,实现转子系统的多频振动在线抑制。首先建立了转子-轴承-电磁作动器系统动力学模型;提出一种转子系统多频振动的主动抑制方法,对该方法的有效性和可行性进行了理论推导;建立了电磁作动器控制电流相位和幅值的寻优模型,提出一种控制电流相位的整周寻优策略;随后搭建实验装置,进行了实验研究,理论推导和实验结果均表明该方法能够实现转子的多个频率成分振动的主动抑制。     

气压液体式磨床自动平衡装置控制策略与实验研究

砂轮在线动平衡装置是高速磨床上的重要组成部分。介绍了一种新型的气压液体式在线自动平衡系统,为该平衡系统提供了一种靶向控制策略。该控制策略在平衡装置执行操作前,已经准确定位不平衡量的大小和相位;平衡过程中,系统有确定目标的进行注气操作,系统振动幅值单调下降,平衡过程无错调现象。对注气操作的控制方案进行了定量分析,并选出了最优方案。实验结果表明,在多种转速下,该类平衡装置均可在15s内有效地降低系统的不平衡振动,且振幅下降比例均在90%以上。     

基于蠕动泵的注排液式转子自动平衡实验研究

自动平衡可以有效的延长转子系统的运行周期.针对常规注液式自动平衡装置在工作一段时间后会由于腔内液体注满无法排出而失去平衡能力以及在首次注液时可能"错调"将导致振动增大的问题,提出一种可连续注排液式自动平衡系统并研究其关键技术.在转子运行过程中,控制系统根据预先测得的转子的影响系数,运用实时测得的振动信号直接计算消除振动所需要的平衡量,从而避免了首次注液振动量可能增大的问题,而不受控的排液可以保持平衡盘的平衡能力.在流量控制方面本论文创新性地提出了一种蠕动泵组流量控制系统,可以实现流量的精确控制.同时针对不同应用环境,将该平衡系统设计成具备注排液式和单注液式两种工作方式.通过在立式悬臂转子实验台上进行实验研究,结果表明,连续注排液式自动平衡装置能有效降低转子振动,并能在振动发生瞬时变化时快速反应.     

超精密机床的主动隔振系统研究

本文以ＨＣＭ－Ｉ型亚微米超精密车床为研究背景,在分析了机床结构与振动的基础上,建立了机床主动隔振系统的力学模型。通过几种作动器的性能对比选择了磁致伸缩作动器为执行器。通过反馈控制分析和实验,表明：采用主动隔振可以明显提高机床减振性能,尤其对低频隔振效果较好。     

基于磁力等效原理的刚性磁悬浮转子系统高精度在线动平衡

针对磁悬浮飞轮转子不平衡振动问题,提出了一种在线动平衡方法。其基于磁轴承控制作用力与转子不平衡离心力之间的等效原理,通过检测磁轴承的控制作用力解算转子不平衡校正质量。设计了零位移控制器,使转子绕几何轴旋转,此时磁轴承的控制作用力与控制电流呈线性关系,通过测量控制电流来准确获得磁轴承的控制作用力。该方法消除了传统方法由动力学模型过度简化带来的误差,尤其适用于强陀螺效应的扁平型刚性磁悬浮转子系统。实验验证了该方法的有效性,对提高磁悬浮转子系统的动平衡精度具有实际意义。     

基础支承刚度对激光照排机振动性能的影响

在旋转机械振动理论的基础上,建立转子不平衡引起激光照排机振动的数学模型,理论分析与实验结果基本吻合.实验结果表明:增大基础支承刚度,能够减小转子不平衡引起的振动;转子的工作频率与激光照排机--基础支承系统的固有频率相接近,则产生振动峰值;不平衡转子通过平衡补偿,将有效的减少振动,同时对基础支承刚度的要求降低.     

非线性裂纹转子的振动控制与裂纹延缓的研究

针对裂纹转子的非线性振动问题,以具有非线性恢复力的轴承和电磁执行器的Jeffcott裂纹转子为研究对象,通过仿真和实验分析了系统的振动响应,同时采用神经网络PID控制的电磁执行器,实现对裂纹转子系统的非线性振动的主动控制。并通过对神经网络PID和传统PID控制方法的仿真比较,表明神经网络PID对非线性裂纹转子系统具有更好的控制性能和抗干扰性。其次,基于转子动力学理论,分析了裂纹的开闭特性,用数值方法分析了不同参数对裂纹扩展的影响,提出了有效延缓裂纹扩展的方法。     

磁-球轴承复合支撑电主轴振动特性分析EI北大核心CSCD

为提高电主轴系统刚度和抗振能力,提出一种由磁悬浮轴承和角接触球轴承共同支撑的复合支撑电主轴,通过球轴承保证主轴系统刚度,引入磁轴承控制系统对主轴振动进行抑制,实现电主轴系统在球轴承低预紧状态下仍具有较好的动态性能。基于ANSYS模态分析、谐响应分析和瞬态动力学仿真,分析了不平衡质量引起的振动响应,比较了磁-球轴承复合支撑电主轴和球轴承支撑电主轴的振动特性。搭建复合支撑电主轴试验平台,对该复合支撑电主轴进行振动特性测试与分析。结果表明,复合支撑电主轴与球轴承支撑电主轴相比,复合支撑系统可以有效提高转子的临界转速、降低转子的振动幅值和球轴承应力,使电主轴具有较高的动态刚度。     

异步电机静偏心状态电磁激励力的建模分析与实验研究

为了建立异步电机磁-固耦合动力学模型,并准确预测电机在不平衡运行状态下的气隙径向电磁激励力,推导转子-气隙系统的拉格朗日-麦克斯韦能量方程,采用4阶龙格库塔法计算异步电机存在静偏心时的转子振动响应的数值解,根据转子实际振动偏心计算各阶次不平衡电磁力波,最后分析转子主轴系统弯曲刚度以及初始静偏心大小对气隙磁场和径向电磁力的影响。通过实验研究验证了理论建模和数值计算的准确性。结果表明,在异步电机静偏心状态下,气隙磁场受转子振动偏心影响而发生改变,电机转子弯曲刚度越小且初始静偏心越大,气隙磁场的分布就越不均匀,导致电机定子受到的径向电磁激励力也会越大。因此,该模型和数值解有助于提高异步电机不平衡电磁力的计算精度,对细长主轴异步电机尤其有效。     

基于三维有限元模型对裂纹非对称转子振动及裂纹扩展控制研究

针对裂纹非对称转子的振动问题,运用非线性接触单元法建立了裂纹非对称转子的三维有限元模型,并采用自由界面模态综合法对模型进行降阶来缩短计算时间。通过仿真分析了相关参数的变化对主共振不稳定区域及不同裂纹位置对转子的振动特性变化等的影响,结果表明裂纹的出现会影响转子的共振频率及不稳定区域范围。同时采用模糊PID控制电磁执行器(EMA)实现对该转子系统振动的主动控制。其次,基于转子动力学理论及提出的裂纹开闭映射法研究了转速、不均匀质量和非对称转子的扁平性等参数变化对转子裂纹开闭特性的影响,提出了有效延缓裂纹扩展的方法。通过实验,利用EMA可对裂纹转子的振动及裂纹呼吸效应等均具有抑制效果,验证了控制方法的有效性。     

基于有限元模型的转子动平衡识别方法研究

在传统的转子动平衡与有限元分析理论基础上,提出一种基于有限元模型的转子系统动平衡识别方法,首先阐述了不平衡量识别的理论方法,分析了Huber-M估计函数与Tukey-M估计函数对识别精度的影响,并且利用混入噪声干扰的数据信号验证了估计函数的鲁棒性。通过转子试验台,利用少数测点实测的系统响应数据结合系统有限元模型,可较为精确的识别出转子不平衡量故障,通过对转子不平衡故障的再次配平试验验证,结果表明平衡后的转子系统的振动响应有了明显的降低改善。从而验证了该方法在无需多次启停转子系统时,可实现对转子系统的有效平衡。     

气压液体式磨床在线自动平衡装置结构设计与性能研究

砂轮不平衡是磨床振动的主要原因。为了在线调整砂轮的平衡状态,提高磨床的磨削精度,介绍一种新型的气压液体式在线自动平衡系统。该平衡系统利用压缩空气驱动平衡液在位置相对的储液腔间进行质量转移,改变平衡盘中的液体分布,进而实现砂轮平衡状态的在线调整。通过对装置平衡性能的分析,认为该类装置具有平衡速度快、平衡能力线性度好的优点。最后经过实验验证,该装置在5 500 r/min的转速下,将系统不平衡振动从10.2μm降至0.37μm,振幅下降比例达95%以上。     

基于机床动态特性的超精密飞切加工表面波纹机理解析

采用超精密飞切加工技术可获得软脆性平面光学元件的最终表面,而元件表面微观形貌的加工可控性对于光学元件使用性能有直接影响。首先运用多尺度小波分解方法,对飞切机床的加工表面波纹进行了特征提取,得到了工件表面波纹的频率组成及占比;然后通过对机床主轴系统的有限元分析,结合冲击振动测试,找到了与工件表面波纹对应的模态;最后通过对机床的在线振动测试及加工实验进一步明确了飞切加工表面微波纹的成因。结果表明:表面波纹在17 mm左右的空间周期上存在最大的分量,显著影响光学元件的精度和使用效果,该波纹由主轴系统在间断切削的冲击响应所引起,可以通过改变主轴结构实现波纹频率和幅值的控制。