挤压式磁流变液阻尼器--转子系统的动力学特性与控制

用磁流变液代替常规挤压油膜阻尼器的润滑油,可制成阻尼特性受磁场控制的挤压油膜阻尼器,用于转子系统的振动控制。依据Bingham模型推导了磁流变液挤压油膜的雷诺方程及其解的表达式,给出了油膜流速、压力分布、油膜反力和阻尼器内磁拉力等的计算公式;以磁流变液阻尼器—刚性转子系统为例,理论分析了挤压油膜的力学特性和转子系统的不平衡响应特性;设计和制造了一种用于转子振动控制的挤压式磁流变液阻尼器;试验研究了支承在该阻尼器上的单盘偏置柔性转子系统的不平衡响应特性和控制方法。研究表明,磁拉力可降低一阶临界转速和临界振幅;油膜反力可降低转子系统在无阻尼临界转速处的振幅,并使一阶有阻尼临界转速增大;通过开关控制能使阻尼器具有最佳的减振效果,使转子振幅在全转速区达到最小。     

金属橡胶环和磁悬浮阻尼器对磁轴承转子系统不平衡振动的影响

在磁悬浮轴承柔性转子系统中同时引入金属橡胶环和磁悬浮阻尼器,通过理论计算和系统高速旋转实验分析了金属橡胶环和磁悬浮阻尼器对系统不平衡振动的影响。研究结果表明:在一定范围内,转子在第一阶弯曲模态频率处的振动随金属橡胶环刚度和阻尼的变化而明显改变;同时引入金属橡胶环和磁悬浮阻尼器可显著减小转子在前两阶弯曲临界转速运行时的振幅,有助于简化磁轴承的控制策略,保障系统安全稳定的运行。     

磁悬浮高速电动机转子-轴承系统耦合振动特性研究

为研究磁悬浮高速电动机转子-轴承系统临界转速附近的振动特性,将简化的转子-轴承系统模型导入ANSYS Workbench中,对系统临界转速附近的振动情况进行仿真分析,基于MATLAB对改变轴承支承位置后的振幅进行了数值模拟。结果表明:转子-轴承系统中轴承支承位置垂直方向的变化对振幅的影响比水平方向大,且不同支承点的轴承位置的改变对转子临界转速附近振幅的影响不同。     

转子系统穿越临界转速瞬态响应的振幅特性分析

由于不平衡质量的作用,转子系统在起动或停车过程中穿越临界转速时会产生很大的振动,严重时会造成转子破坏。研究了转子在瞬态响应中的振幅特性,通过调整转子加速度、支承刚度以及阻尼,分析各参数变化对转子共振振幅的影响。结果表明,选取适当的参数,可以有效减小转子系统的振幅,使转子平稳地穿越临界转速的共振区。     

高速转子系统振动控制技术评述

高速转子系统在正常工作过程中必须通过临界转速,此时由于不平衡质量的作用,转子系统会产生共振,导致强烈的振动。降低系统支承刚度以降低临界转速、增大支承阻尼,以减小振幅,这些措施可以抑制系统通过临界转速时的振动幅值和外传力。在振动被动控制技术中,常用弹性支承和挤压油膜阻尼器、金属橡胶减振器、高聚物复合材料减振结构等,降低系统支承刚度,增大支承阻尼,以减小系统振动;在主动控制技术中,通过主动控制挤压油膜阻尼器的参数,改变支承的刚度和阻尼的大小,以控制系统的振动;以及采用形状记忆合金调节器、电磁阻尼器、压电调器等装置,来主动控制系统的振动。目前控制技术仍存在装置结构复杂、性能不稳定等问题,采用粘弹阻尼复合材料与滚动轴承钢外圈复合结构的一体化滚动轴承,足一种有发展前途的研究方向。     

电磁辅助支承的变刚度减振研究

对一种新型支承结构——电磁辅助支承的变刚度减振进行研究。电磁辅助支承的结构类似挤压油膜阻尼器,它直接将电磁执行器安装在主支承上,通过控制电磁执行器的电流可以改变整个支承的刚度和阻尼。该支承被应用于一单圆盘对称转子实验系统。通过对转子系统建模,仿真不同支承刚度下转子的振动响应,从而可采用变刚度来保证高速转子以较低的振幅平稳度过临界转速。实验结果证明在一阶临界转速附近,可取得70％的较好减振效果。     

变支承磁悬浮转子超临界运行仿真研究

针对工业中转子系统在跨越一阶临界转速时,振动幅度过大及失稳的问题,通过对转子系统平稳跨越一阶临界转速方法的归纳和研究,提出了一种基于主动控制下的磁悬浮轴承—转子系统变支承跨越一阶临界转速的方法。首先建立了主动控制下的变支承磁悬浮转子系统数学模型,并分析了两支承转子系统和三支承转子系统跨越一阶临界转速时的响应特性;然后利用ADAMS和Matlab联合仿真了主动控制下的变支承磁悬浮转子系统跨越一阶临界转速时的振动特性。仿真研究结果表明:变支承磁悬浮转子系统在超临界运行时具有良好的减振效果,与传统两支承转子系统相比,其最大振幅减小了52.6%。     

磁悬浮阻尼器参数对系统弯曲模态阻尼的影响

在一般磁悬浮轴承转子系统上安装磁悬浮阻尼器,组成磁悬浮轴承与磁悬浮阻尼器组合支承转子系统.通过理论计算及试验模态分析,研究了磁悬浮阻尼器参数对系统弯曲模态阻尼比的影响.结果表明,随着磁悬浮阻尼器等效支承阻尼的增加,系统第1,2阶弯曲模态的阻尼比显著增加,有利于系统越过前2阶弯曲临界转速.     

液下硫磺泵的转子动力学分析

为减少长轴液下硫磺泵转子系统的振动,基于转子动力学对液下硫磺泵进行研究,以转子体、轴承、轴承座以及联轴器构成转子系统,运用ANSYS模拟转子系统的临界转速、转子不平衡引起的同步振动响应。结果表明:转子系统在第一阶临界转速下运行,为刚性转子;在前四阶临界转速下,轴承处的变形都较小;在加载了不平衡量的谐响应分析中,轴承与叶轮都在前四阶固有频率下产生共振现象,两叶轮振幅接近,各轴承最大振幅也远小于标准要求。液下泵转子系统的动力学研究对预防转子破坏引起的故障具有重要意义。     

挠性转子变刚度阻尼支承系统振动主动控制（二）：次优控制规律

从理论上研究了采用变刚度阻尼支承主动控制转子——轴承系统的振动问题,分析和提出了在振动最优主动控制规律的有效频率范围以外,对转子——轴承系统进行次优振动主动控制的策略思想,及变刚度阻尼支承振动次优主动控制规律。根据此规律,从理论上阐明了采用变刚度阻尼支承,对转子——轴承系统进行过临界转速时的振动主动控制的原理和依据。作为示例,就一个三圆盘双支承的转子系统进行计算机仿真。仿真结果说明了本文分析的正确性及其对采用变刚度阻尼支承系统实现挠性转子振动主动控制的的理论指导意义。     

电磁阻尼器分段相位控制研究

对柔性转子轴承系统，用电磁阻尼器实施主动控制时采用分段位控制算法，按转速频率分段设置不同的优化相位超前补偿环节，以便在整个转速范围内有效控制转子过临界振动，获得较好的控制效果，分段相位控制器能提供随转速而变的刚度阻尼特性，实现变刚度及变刚度阻尼控制过程，实验证明，控制算法简单，抑制效果和稳定性好，具有效大实用价值。     

径向电涡流阻尼器对柔性转子系统振动的控制

为了抑制转子系统的振动和研发高性能的转子系统振动主动控制执行元件,基于电涡流原理提出了一种新型的转子系统径向电涡流阻尼器,在一个带有双盘的柔性转子系统上详细地测量了不同磁场强度条件下径向电涡流阻尼器支撑的转子系统在非旋转状态下的传递函数、在恒定转速下的运动轨道以及在慢加速运行过程中的不平衡响应曲线,并进行了利用径向电涡流阻尼器对转子系统的振动进行分段和比例控制的有效性试验。结果表明了这种新型的径向电涡流阻尼器不仅具有结构简单、无需流体介质、无机械接触等特点,而且其动力特性还容易控制,在设计合理的条件下能够显著地减小转子系统的振动,是一种被动和主动兼备具有良好发展和应用前景的转子系统阻尼结构。     

Rotor dynamics analysis and experiment study of the flywheel spin test system

The strength study of the flywheel is important to the flywheel energy storage. The motor and bearing are the key challenges for the high-speed flywheel spin test device in vacuum. By using a small stiffness pivot-jewel bearing and a spring squeeze film damper as the lower support of the flywheel, a simple spin system was designed at a low cost and is suitable for longtime operation. The auxiliary support at the top was not removed until the flywheel passed the first critical speed. The flywheel that kept its rigid state in sub-critical state was tested at the high speed without the top support. The dynamic model of the flywheel-bearing-damper was built by means of the Lagrangian equation to calculate critical speeds, mode shapes and modal damping ratios at different speeds. The lower damper??s effects on the modal damping ratios and forced vibration were discussed. The vibrations of the flywheel-bearing-damper system were measured at the different damping coefficients in the experiment. When the lower damper was adjusted to be overdamped, the flywheel ran up to 50000 r/min steadily, and the experimental result was in agreement with the theoretical assumption. The sub-critical rotor dynamics design and pivot-jewel bearing proved to be good solutions to the spin test for the composite flywheel.     

Design and test of a solid material damper for a rotor bearing system

For a rotor bearing system operating at high speed, a solid material flexible damped support called here a solid material damper has been designed and tested. The properties of the damper can be selected and adjusted to provide the necessary damping levels to get the vibration of the rotor under control. This is especially useful for a flexible rotor running in the vicinity of a critical speed or over the threshold speed obtained from calculations on the basis of linearized hydrodynamic forces. The damper was fabricated and installed and its ability to restrain effectively the rotor from vibration was demonstrated by means of an operating test.     

柔性支承下的大型离心压缩机转子振动特性

支承刚度对转子系统的动力学特性具有重要影响。针对大型离心压缩机转子在高速平衡条件下和实际运行工况下的支承刚度差异导致的振动问题开展研究。由于高速动平衡机的摆架刚度较低,使得一些大型离心压缩机的轴承油膜刚度与支承刚度几乎相当,导致2阶弯曲临界转速大幅降低,从而使得转子振动超标,高速动平衡难以满足标准要求。结合实际案例分别进行不考虑支承刚度及带有动平衡机摆架刚度的转子动力学分析,并对轴承瓦块、轴承座、机壳、底座进行有限元分析,获得压缩机转子的基础刚度。结果表明,考虑支承刚度的转子2阶临界转速出现了11.1%～18.3%的下降,1阶临界仅下降3.6%～7.3%,与高速动平衡试验结果吻合较好,实际支承刚度因大于轴承刚度3.5倍,机械运转试验显示1阶临界、2阶临界转速未有实质性下降,且振动满足API617标准要求,与不考虑支承刚度的转子动力学分析结果基本一致。     

齿轮传动转子系统弯扭耦合振动研究

为分析齿轮传动复杂轴系的振动问题,根据有限元法和拉格朗日法,考虑陀螺效应、油膜支承等因素,得到了转子-轴承系统的弯扭耦合振动模型;在此基础上,根据齿轮副运动过程中啮合刚度和啮合阻尼的变化,得到了齿轮副系统的弯扭耦合振动模型。然后,根据齿轮副的实际排列方式,引入方位角,使得转子模型与齿轮副模型坐标统一化,并将其耦合到一起,得到了更加接近实际的齿轮转子模型,并且计算了其临界转速和振型。研究结果表明,耦合后转子的临界转速低于单转子的临界转速,齿轮传动对转子轴系振动有着明显影响。     

Controllable high speed journal bearings, lubricated with electro-rheological fluids. An analytical and experimental approach

The problem of journal bearings control is of great importance in mechanical engineering. A very recent method for doing this is the creation of ‘smart' journal bearings using electro-rheological (ER) fluids. If such a fluid is used to lubricate a journal bearing system, it is expected that the imposition of an electric field between the rotor and the stator will cause an alteration in the dynamic properties of the journal bearing. In this paper an experiment in a high speed journal bearing (16 000 to 35 000 s⁻¹), with small radial clearance is presented. The alternation of the attitude locus (eccentricity and attitude angle) and the stiffness coefficients in a loaded journal bearing lubricated with ER fluid is investigated and presented. The Reynolds equation is solved using the finite element method in order to get the dynamic characteristics of the ER bearings vs the electric field and to simulate its dynamic behavior. The Bingham plastic model of non-Newtonian fluid flow behavior is used to described the ER lubricant. The accuracy of the algorithm is obtained by comparing the results published by previous investigators and the experimental data described in this paper. It is concluded that ER fluids can be used to create ‘smart' journal bearings. and vibration controllers can be constructed to control the dynamics and stability of the ER fluid lubricated bearings.