磁悬浮轴承转子动力学分析及其主动控制研究

转子是磁悬浮轴承系统旋转机械的核心部件,其性能与系统稳定性及各项技术指标紧密相连。磁悬浮轴承转子系统以其高转速,高功效的特点已成为当代旋转机械系统的核心,有效提高其安全性能已经成为研究因素里的重中之重。综述了磁悬浮轴承转子系统动力学特性研究内容的现状和研究方法的应用,以及转子振动主动控制的几种方式,分别针对每个要素的不同研究方法做出了分析与总结,旨在对磁悬浮轴承转子振动控制技术的发展趋势进行展望。     

转子系铳稳定性研究

对考虑轴承和基础的转子系统，推导出其特征多项式。用计算多项式零点的单纯轮回算法分析转子系统稳定性，此法解决了初值选取困难的问题，在此基础上，分析了各参数对转子稳定性的影响。     

滑动轴承转子系统非线性动力学稳定性研究

采用多尺度法研究了滑动轴承刚性平衡转子系统临界点的稳定性。研究发现，滑动轴承在其线性失稳转速上发生Hopf分岔，系统是发生超临界Hopf分岔还是亚临界Hopf分岔取决于系统参数的设计。给出了通用的公式和程序，为滑动轴承的非线性动力学设计及性能预测提供了有利的工具。     

周向均布拉杆柔性组合转子轴承系统的非线性动力特性

针对周向均布拉杆柔性转子轴承系统,应用哈密顿原理建立周向拉杆的动力学模型,得到了拉杆产生的附加刚度矩阵及由于拉杆预紧不均所产生附加广义力矩的一般形式,结果说明当拉杆数目大于等于3且拉杆均布时,拉杆产生的刚度矩阵保持各向同性;各根拉杆初始预紧不均的作用是产生一个以工作转速旋转的恒定广义附加力矩.结合对整体转轴应用计及轴向力的铁木辛格梁轴单元建立的有限元模型,得出了拉杆组合转子轴承系统的系统动力方程,进而采用自由界面系统缩减方法将系统中的线性自由度部分缩减,同时保留非线性自由度以方便非线性力的施加.运用打靶法结合Floquet稳定性分叉理论得到了系统稳态周期解的稳定性边界和分叉形式.数值结果表明,转子不平衡和拉杆预紧不均对系统周期解稳定性具有很大的影响,拉杆预紧不均将使得系统过一临界转速时周期解的倍周期分叉现象加剧.     

有限长轴承支撑的转子系统非线性动力学分析

基于π油膜假设,运用变分约束原理和分离变量法求得了有限长动压轴承非线性油膜力的近似解析表达式。通过计算比较可知,该方法和有限元法的计算结果非常接近,而且可以节约大量计算时间。在此基础上,以转子的角速度、圆盘处的偏心量及转轴的刚度为控制参数,运用Newmark法分析了轴承-转子系统的非线性动力学行为。数值结果揭示系统具有周期运动、倍周期运动、准周期运动、六周期运动、十周期运动等复杂丰富的非线性动力学特征。     

磁力轴承转子系统非线性支承特性的研究

通过对磁力轴承非线性支承力特性的分析,可以看出控制器参数与支承特性之间有非常强的非线性耦合关系。虽然其支承的刚度和阻尼都能够通过改变控制器参数进行调整,但控制器参数的选择受非线性因素的影响较大。当比例增益越大,则在转子平衡点处的线性刚度就越大,能提供的最大支承力也越大,但支承实现正刚度的转子位移区间越小,系统稳定的转子位移区间就越小。通过对主动磁力轴承转子系统非线性支承特性的研究,揭示了控制器结构参数、机械结构参数与支承特性之间的耦合关系。     

电磁轴承柔性转子系统动态响应分析

给出了基于多输入多输出(M IMO)系统建模方法的电磁轴承柔性转子系统动态响应优化算法,通过数值仿真实例搜索得到系统最佳工作点。对电磁轴承柔性转子系统动态响应为目标函数的寻优规划的凸凹性进行了判定,对寻优结果作了鲁棒性分析,据此对寻优结果的可靠性给出了定量结论。计算与分析结果表明:电磁轴承柔性转子系统动态响应寻优规划为非凸规划,通过本文提出的优化仿真方法得到的系统最佳工作点为局部最优解且逼近全局最优解。     

双跨转子轴承系统耦合实验研究

在多功能转子实验台上，对具有双跨度、三个圆柱滑动轴承支撑的多圆盘弹性转子轴承系统不同位置的振动信号进行分析。通过对位移信号的快速FFT变换，分析了系统振动信号的基本特征，研究了双侧转子对中间轴颈振动的影响；用信号能量和信号功率指标分析了转子弹性能的分布。结果表明：中间轴承相对于系统承受最大的振动模值，同时该轴颈的振动信号包容了系统振动的所有信息，反映了双跨间耦合对中间轴承的作用；振动信号的能量和功率指标验证了上述结论。     

扭矩激励下转子轴承系统建模与试验研究

从轴承载荷出发,考虑轴承非线性油膜力、转子偏心质量、轴承座的振动,建立了扭矩激励下单跨转子轴承系统的数学模型,并对该模型进行了求解和仿真,得到了无扭矩激励和扭矩激励下转轴的时域、频域以及轴心轨迹仿真图形。最后,将仿真信号与在搭建的试验台上采集的信号进行对比,试验结果和仿真结果的一致验证了该模型的正确性,揭示了扭矩激励、轴承载荷与转子弯曲振动之间的密切联系,为研究扭矩激励对转子轴承系统的影响提供了一种新的思路。     

齿轮轴承转子系统支撑刚度特性研究

建立考虑齿轮-轴承转子系统多刚体、多柔体及刚柔耦合的动力学模型,并采用不同轴承刚度计算方法获得支撑刚度。在此基础上,研究系统支撑刚度对齿轮动态啮合力及振动位移等响应的影响规律,并与理论值对比分析。研究结果表明:刚性体模型仿真结果与理论值相比数值普遍偏大,而柔性体仿真结果与理论值基本一致;齿轮-轴承转子系统支撑刚度对齿轮动态响应产生较大影响,支撑刚度取3倍齿轮啮合刚度时,齿轮振动角速度等值与理论值基本相符。因此,利用柔性体模型并选择合理的支撑刚度对齿轮-轴承转子系统的动力学仿真分析具有实际意义。     

外阻尼作用下滑动轴承转子系统稳定性区域形态研究

在线性范围内对滑动轴承转子系统在有转子外阻尼作用时的稳定性界限和区域形态进行了研究,导出了卧式转子系统的界限转速及涡动频率的解析表达式,最后辅以算例证明。     

静压阻尼器-轴承-转子系统的动力学研究

用有限差分法计算静压型挤压油膜阻尼器的刚度、阻尼系数,在状态空间中建立静压阻尼器轴承转子系统的运动方程,通过不平衡响应及特征值计算,分析系统的过临界振动特性及稳定性裕度;针对实际系统,计算、分析了静压阻尼器的参数对系统动力性能的影响,以系统综合动力性能为目标对系统进行了优化。给出的系统动力学分析计算方法及性能分析结果可用于工程实际。     

电磁轴承-挤压油膜阻尼器-转子系统的主动控制

转子系统的许多非线性因素由于转子偏心的存在而得到放大 ,至使转子与静件容易出现碰磨现象。本文针对转子系统偏心所引起的离心力提出一种主动控制方法 ,使系统避免出现碰磨 ,同时使挤压油膜阻尼器所产生的非线性不稳定影响最小。本文引入磁轴承理论对转动圆盘进行主动控制 ,并进行了仿真计算。     

悬臂转子-CSFDB系统振动主动控制研究

从理论上探讨了用可控挤压油膜阻尼器进行转子系统振动主动控制的可行性 ,研究了油膜间隙变化时转子动力学特性的变化规律 ,进而设计了锥型可控挤压油膜阻尼器 ,进行了主动控制理论与实验研究 ,研究结果表明用锥型可控挤压油膜阻尼器进行转子系统振动主动控制是有效的     

转子电流变阻尼器系统振动模糊控制的实验研究

电流变液是一种智能材料 ,它具有控制方便、反应快等特点 ,适合于振动控制方面的应用。本文针对摩擦板式电流变阻尼器转子振动系统设计了自适应模糊逻辑控制策略 ,进行了转子系统振动主动控制的实验研究 ,验证了自适应模糊控制方法的有效性。实验表明 ,模糊逻辑控制方法具有算法实现简易、善于利用专家的经验以及自适应能力强等诸多优点 ;转子电流变阻尼器振动系统在模糊逻辑控制器的控制之下 ,不但一阶临界振动得到有效抑制 ,而且其它转速下的振动幅值也大大降低     

部分充有粘性流体的转子系统稳定性的理论分析

在直接对二维 Navier- Stokes方程进行线性化的基础上 ,详细分析了二维粘性旋转流体模型 ,得到了旋转流体对转子作用力的表达式 ,然后研究了部分充液转子系统的稳定性问题 ,分析了转子系统的各参数对稳定性的影响     

The Stability Margin of a Roughened Hole-Entry Hybrid Journal Bearing System

The present work describes a theoretical investigation into the effect of surface roughness on the stability margin of an orifice-compensated, hole-entry hybrid journal bearing system. A modified form of the average Reynolds equation is used for the solution of a lubricant flow field in the clearance space of a rough journal bearing system. The effects of surface roughness parameter (Λ), variance ratio (V?_rj), and the surface orientations (γ) on the bearing flow, load-carrying capacity, and stability threshold speed margin are studied. The study indicates that the bearing configurations having surface roughness on one of the opposing surfaces (stationary or moving roughness) show an opposite trend between stability threshold speed margin and load-carrying capacity. However, the bearing configurations having transverse- and isotropic-type roughness patterns on both bearing and journal surfaces provide an improved value of both stability threshold speed margin and load-carrying capacity only when the surface roughness has a variance ratio value between 0.49 and 0.59 for the transverse roughness pattern and between 0.59 and 0.84 for the isotropic roughness pattern.     

Auto-Eliminating Clearance Auxiliary Bearing Device for Active Magnetic Bearing Systems

An auto-eliminating clearance auxiliary bearing device (ACABD) for active magnetic bearings (AMBs) has recently been designed and a prototype system was tested in this study. ACABD mainly consists of a series of connected tilting supports. In this design, a ball bearing is directly mounted on a rotor as the auxiliary bearing in an AMB system. The outer race of this ball bearing is surrounded by these supports. In the open position, there exists an initial protective clearance between the outer race of the ball bearing and the tilting supports. When the bearing-mounted rotor drops on these supports due to an AMB failure, the friction between the outer race of the ball bearing and the tilting support rotates these supports to eliminate the clearance and recenter the rotor. Due to elimination of the clearance, the possibility of backward whirl of the rotor is eliminated. The movement mechanism of this device is analyzed kinematically. The rotation of these supports, elimination of the protective clearance, as well as the rotor rotating stability after the clearance elimination are discussed from the perspective of statics. Furthermore, a preliminary prototype experimental rig was developed to demonstrate the feasibility of the ACABD after AMB system failure. Experimental results show that, after the AMB system failed, the ACABD immediately eliminated the clearance between the outer race of the ball bearing and the supports and pushed the rotor center close to the initial position.     

磁悬浮轴承转子系统的稳定性及动态特性分析

对某磁悬浮轴承转子系统的稳定区域、固有频率、振型、不平衡响应等特性进行了理论分析及实验研究。结果表明 ,本文所建立的数学模型与实际系统基本符合 ,能为实际系统的运行调试及实验结果分析提供理论指导。     

位移传感器在磁悬浮电主轴中安装结构的改进

位移传感器在径向的安装结构是否合理,直接影响磁悬浮电主轴的控制精度。探讨了位移传感器在磁悬浮电主轴中几种不同的安装方式,并设计了一种新的安装结构。实验证明:该结构设计合理、工作可靠。