磁液双悬浮轴承单自由度支承系统解耦控制研究

磁液双悬浮轴承是以电磁悬浮为主,静压为辅的一种新型支承轴承,能够大幅度提高承载能力及刚度,适于中速重载的场合。由于液体静压系统特性为小间隙、强阻尼、正刚度、斥力型,而电磁悬浮系统特性为大气隙、弱阻尼、负刚度、吸力型,且两系统共同支承时相互耦合,互为干扰,大幅降低了支承系统的运行稳定性,因此本文拟研究磁液双悬浮轴承单自由度磁液两支承系统之间的耦合特性,揭示其耦合力的产生机理并设计解耦控制器。首先,本文介绍了磁液双悬浮轴承的结构特点、单自由度支承系统的受力形式以及控制调节机理。然后,建立了磁液双悬浮轴承单自由度支承系统的数学传递函数,揭示磁液两支承系统之间的耦合特征及影响规律。最后,设计了类前馈解耦控制器及对角阵解耦控制器,并通过Simulink模块对比分析了两种解耦控制器的解耦效果。研究表明：两种解耦控制器均能够有效减小单自由度磁液两支承系统间的耦合程度,但类前馈解耦控制器比对角阵解耦控制器具有更好的稳定性、准确性,更适用于磁液双悬浮轴承单自由度磁液两支承系统的解耦控制。本论文能够为磁液双悬浮系统的稳定控制提供理论参考。     

磁液双悬浮轴承单自由度支承系统稳定性分析

磁液双悬浮轴承采用液体静压与电磁悬浮的双重支承形式,在大幅度提高承载能力及刚度的同时,也使得其稳定性的影响因素较多,易诱发其支承系统运行不稳定。然而稳定性又是磁液双悬浮轴承结构设计及性能分析的前提及基础,因此本文拟对磁液双悬浮轴承单自由度支承系统进行稳定性分析及校正。首先,本文介绍了磁液双悬浮轴承的结构特点、支承调节机理。接着,基于力学平衡方程、电磁方程及流量方程,推导了轴承单自由度支承系统的传递函数,并对其支承稳定性进行了分析。研究表明:轴承单自由度支承系统存在右端极点是系统本质不稳定的主要原因。最后,采用根轨迹法与频率法对单自由度支承系统进行了稳定性校正,并利用Matlab软件对校正后的单自由度支承系统进行了检验。结果表明:校正后的支承系统稳定性得到了大幅度提升及具有良好动态品质。本文所做研究能够为磁液双悬浮轴承系统的结构设计及性能分析提供理论参考。     

磁液双悬浮轴承单自由度支承系统稳定性分析（英文）

磁液双悬浮轴承采用液体静压与电磁悬浮的双重支承形式,在大幅度提高承载能力及刚度的同时,也使得其稳定性的影响因素较多,易诱发其支承系统运行不稳定。然而稳定性又是磁液双悬浮轴承结构设计及性能分析的前提及基础,因此本文拟对磁液双悬浮轴承单自由度支承系统进行稳定性分析及校正。首先,本文介绍了磁液双悬浮轴承的结构特点、支承调节机理。接着,基于力学平衡方程、电磁方程及流量方程,推导了轴承单自由度支承系统的传递函数,并对其支承稳定性进行了分析。研究表明:轴承单自由度支承系统存在右端极点是系统本质不稳定的主要原因。最后,采用根轨迹法与频率法对单自由度支承系统进行了稳定性校正,并利用Matlab软件对校正后的单自由度支承系统进行了检验。结果表明:校正后的支承系统稳定性得到了大幅度提升及具有良好动态品质。本文所做研究能够为磁液双悬浮轴承系统的结构设计及性能分析提供理论参考。     

龙门加工中心移动横梁模糊PID控制器的设计与仿真

磁悬浮系统是典型的非线性迟滞系统,针对其特点提出了可以显著降低悬浮磁铁功耗的电磁永磁混合悬浮技术.为了解决电磁铁线圈中的电流变化对总体刚度的影响,采用双闭环控制系统,即在位置环内引入电流环,构成位置电流双闭环系统.根据机床加工过程的特点,设计出符合机床悬浮横梁要求的模糊PID控制器.通过仿真结果的比较,可以看出采用模糊PID控制器提高了悬浮系统的刚度,能够满足机床磁悬浮横梁系统的精度要求.     

超导球转子悬浮特性分析及实验研究

介绍了超导球转子的悬浮结构和原理。讨论了悬浮结构的电磁分布特点和悬浮力的计算。进行了超导球转子的悬浮实验,通过控制悬浮电流可将转子悬浮在旋转轴方向上的任意高度。结果为进一步提高转子悬浮的稳定性和刚度提供了参考。     

基于不同加工工艺的微孔节流空气静压轴承的特性研究

随着超精密加工技术和地面微低重力仿真的发展,相关产业对空气静压轴承的性能要求越来越高。由于传统的孔式节流器其结构特点不能完全满足实际使用的需要,节流孔直径与气膜间隙同一数量级的微孔节流空气静压轴承因其良好的刚度和承载特性,越来越受到关注。但在微孔节流器的发展过程中,微孔的加工工艺却限制了其推广应用。针对目前常用的三类微孔加工工艺,进行了理论仿真研究,通过建立不同加工工艺轴承仿真模型,运用双向流固耦合仿真方法,对比分析了基于不同加工工艺的微孔节流空气静压轴承的动静态特性。研究结果表明：锥孔类轴承承载性能优于其他两类,但耗气量大且在小间隙时刚度较差;薄壁直孔类轴承承载性能稍逊,但在大间隙下轴承刚度较佳;嵌套类轴承承载性能较差,但在小间隙下轴承刚度较大且耗气量较低。     

龙门加工中心磁悬浮刚度控制的研究

大型龙门加工中心磁悬浮横梁刚度的要求不同于磁悬浮列车及其它磁悬浮装置的要求,针对其特点提出了可以显著降低悬浮磁铁功耗的电磁永磁混合悬浮技术.为了解决电磁铁线圈中的电流变化对总体刚度的影响,采用双闭环控制系统,即在位置环内引入电流环,构成位置电流双闭环系统.根据机床加工过程的特点以及模糊规则等控制器参数选定的繁琐性,设计出符合机床悬浮横梁要求的遗传算法模糊PID控制器.仿真结果表明,将遗传算法引入模糊PID控制器中可以提高悬浮系统的刚度,满足了机床磁悬浮横梁系统的精度要求;同时遗传算法的优化效果十分显著,使得模糊PID控制器各项参数的确定更具有综合性和科学性.     

径向型超导轴承的计算和实验研究

针对应用于离心式氦气冷压机的径向型高温超导磁悬浮轴承,给出了永磁转子磁场计算和结构设计方法,并开展了轴承径向力和径向刚度的计算研究,搭建了超导轴承性能测量平台,开展了轴承转子空间磁场测量和轴承性能测试。计算和测试结果表明,磁场计算方法可行,且结果准确,在距离永磁转子外表面1 mm处的最大外磁场强度约为0.5 T。轴承径向力在场冷和零场冷条件下的计算结果均随转子偏心量的增大而增大,与测试结果在线性度和趋势上具有很好的一致性。本文实验轴承径向刚度测试值为362.4 N/mm,与场冷条件下的径向刚度计算结果334.594 N/mm接近。本文所述的径向轴承磁力计算方法可用于超导轴承径向刚度的定性计算和设计,对超导轴承的应用研究具有一定的指导意义。     

磁液双悬浮轴承-单盘转子系统动力学行为研究

随着轴承系统高转速、高效率的发展需求,磁液双悬浮轴承转子与静子的装配间隙不断减小,导致碰摩事故经常发生。综合考虑转子偏心比、转速比、磁液双悬浮轴承与静子碰摩等多种耦合故障,建立磁液双悬浮轴承转子系统“间隙-碰摩”动力学方程,数值模拟转子运行规律。研究结果表明：随着偏心比的增加,转子由周期1运行演化出周期2、周期3、拟周期、混沌等多种运行规律;当偏心比ρ∈(0.28~0.4)及转速比w∈(1.2~1.7)时,转子位移波动剧烈,在此区域内转子极易发生分岔甚至混沌,且在碰摩区间内,转速比在1.5、1.67附近时,转子轴承处与转盘处碰撞力分别出现最大值。     

磁共振成像超导接收线圈品质因数的实验研究

射频接收线圈是磁共振成像系统中的重要部件,主要针对超导接收线圈的品质因数进行实验研究,并给出了测试原理和方法。使用一种双探测线圈法对Bi2223/Ag超导带材制作的接收线圈在室温和液氮温度下的品质因数进行了测试,并与铜制谐振回路的测试结果进行对比分析。结果表明,在77K下超导接收线圈比室温下铜线圈的品质因数高约两倍。这说明使用超导材料制作射频接收线圈,可有效提高谐振回路的品质因数,从而进一步改善磁共振成像系统的信噪比及成像质量。     

混合式变刚度磁弹簧力学特性研究北大核心

基于磁通叠加原理,提出一种混合式变刚度磁弹簧,具有刚度快速调节特性,可作为柔性机器人关节的弹性部件。在通入电流时,通过改变电流实现磁弹簧的刚度变化范围的调节;在未通入电流时,机构间只存在永磁磁通,在永磁力作用下可实现弹簧自复位。通过等效磁荷法、间隙磁导法和虚位移法推导出了磁弹簧的轴向磁力解析模型,基于有限元分析确定了线圈-永磁环的最优布置形式,并对机构参数进行了优化设计,使机构的输出刚度变化范围最大化。有限元仿真与模型计算共同表明,轴向磁力与刚度随着气隙变化呈先平缓后急剧增加的非线性关系;输出力和刚度与线圈电流近似线性关系;通过控制电流的大小和方向,可以控制混合式变刚度磁弹簧的刚度增减。     

主动磁悬浮电主轴系统建模与控制参数分析

为实现磁悬浮电主轴的稳定悬浮运行并满足加工精度要求,通过对某型号主动磁悬浮电主轴的结构和控制原理进行研究,在忽略主轴转子磁化和磁漏等非线性因素影响的前提条件下,通过对主轴转子在磁悬浮轴承中的受力分析,建立了磁悬浮轴承的电磁支承力与轴承气隙偏移量及控制电流的表达式,对基于不完全微分PID控制的磁悬浮电主轴系统的临界转速与磁悬浮轴承的电磁刚度进行了定量研究,得到不同PID控制参数下,磁悬浮轴承支承刚度随涡动频率的变化曲线及固有频率随PID控制参数的变化曲线图。研究结果为磁悬浮电主轴控制系统进一步设计使用和分析优化提供了依据。     

滚动轴承-转子系统的非线性动力学分析

考虑轴承径向内部间隙这一非线性因素对滚动轴承刚度的影响,建立滚动轴承-转子系统的数学模型。研究滚动轴承-转子系统在轴承不同内间隙量、不同转速下系统的分岔特点和混沌行为。通过对各间隙量下转子系统非线性动力学行为的研究,表明滚动轴承间隙量是影响转子系统运动的一个重要的因素。     

轻载电主轴动静压轴承的性能规律与双目标优化

针对轻载、高速、小偏心下电主轴动静压轴承刚度难以提升且温升过高的问题进行研究,采用有限差分数值法求解广义雷诺方程。以某精密磨床电主轴样机轴承为例,分析了额定载荷下轴承的性能受主要参数的影响规律。以增大刚度和控制温升为双目标,优化轴承间隙和节流孔直径,结果表明:在温升满足要求的条件下,优化后的轴承在额定载荷下的主刚度提升了8.8%;适当改变供油压力后的轴承,其额定载荷下主刚度提升了15.3%。证明单一参数的改变难以同时降低温升并提高主刚度,多参数协同优化能够使轴承额定载荷下的主刚度有较明显的提升效果。     

KZ型高刚度轧机轧辊弹性弯曲微尺度行为研究

由于轧辊弹性弯曲微尺度行为是否可控,直接影响轧机轴承和轴向调节螺纹机构的寿命,为此对KZ型高刚度轧机轧辊弯曲微尺度行为进行了理论分析和实验研究,并用自行开发的三维接触边界元轴承专用程序解析出KZ型轧机轴承和轴向调节螺纹载荷特性。结果表明,KZ型高刚度轧机具有空间自位性能,其轧机轴承和轴向调节螺纹机构载荷均载,轧辊弹性弯曲微尺度行为可控。     

小间隙下狭缝节流静压气体止推轴承静态性能的研究

减小气膜间隙可以提高气体轴承的刚度和承载,为研究小间隙下狭缝节流气体止推轴承静特性,运用FLUENT软件对小间隙下狭缝节流止推轴承进行流场仿真。采用滑移边界条件对小间隙下轴承流场进行计算,结果表明,随着气膜厚度的增加,滑移的影响逐渐减小,当膜厚大于等于4μm时滑移影响可以忽略。计算了狭缝结构对轴承静特性的影响,结果表明,在其他参数相同的条件下,轴承的承载力随狭缝的宽度的增加而增加;随着狭缝深度的增加而减小。在其它结构参数相同的条件下,随着狭缝宽度的减小,最大刚度值增加,最大刚度对应的气膜厚度逐渐减小;随着狭缝深度的增加,最大刚度值增加,最大刚度对应的气膜厚度逐渐减小。     

外间隙节流腔内孔式回油液体静压轴承

液体静压轴承结构是多样的,在我国广泛采用的定压式液体静压轴承中,有固定节流、可变节流、反馈可变节流等形式,反馈可变节流液体静压轴承,其油膜刚度较高,但结构比较复杂,使用受到一定限制。内反馈节流液体静压轴结构比较简单,但制造精度要求较高,由于主轴挠度的干扰,影响了内反馈节流液体静压轴承油膜刚度的提高,同时油腔部分的摩擦面较大,产生较大的温升,因此,也不够理想。我校在高速磨削与磨床的研究中,曾对外间隙节流液体静压轴承进行过试验研究,现已成功地用于MS1320高速外圆磨床产品,获得了良好的效果,对于中小型机床是非常适用的。但外间隙节流液体静压轴承属固定节流,轴承刚度的提高受到一定的限制,为了扩大外间隙     

磁液双悬浮轴承单自由度支承系统一阶参数灵敏度分析

磁液双悬浮轴承是将液体静压和电磁悬浮两种支承相结合而形成的一种新的轴承,能够大幅提升承载能力及刚度。由于耦合了液体静压和电磁悬浮两个非线性支承系统,磁液双悬浮轴承系统在运行过程中受到多参数的影响,使得其运行规律不明确。对系统中参数进行灵敏度分析,寻找主要影响参数。推导轴承系统的状态空间描述和其一阶灵敏度方程,通过MATLAB仿真求解6个特征参数(油液黏度系数、轴承质量、液膜厚度、封油边宽度、流量和电流)对轴承系统振动的影响。结果表明:当各参数变化相同的数值时,轴承转子位移对轴承系统中流量、电流以及液膜厚度的灵敏度函数λ₁⁵、λ₁⁶、λ₁³远远高于其他灵敏度函数所表现出的对系统的影响强度;静压力主要参数流量a₅和液膜厚度参数a₃及电磁力主要参数电流a₆的2种灵敏度指标明显大于其他参数;流量a₅、电流a₆分别为系统的第一、第二影响参数。研究结果为磁液双...     

发动机缸体曲轴孔精加工专用夹具设计与研究

曲轴孔精加工工序的精度将直接影响发动机的寿命与品质,而先进合理的夹具系统是加工精度的重要保障。针对某企业对缸体曲轴孔精加工精度要求,确定了工艺参数及定位基准,在此基础上,对夹具系统的定位机构、让刀机构、夹紧机构及镗模等主要结构进行了设计与分析。最后,分析了镗杆的动态特性,并研究了轴承刚度对镗杆动态特性的影响,适当提高轴承预紧力即轴承刚度,能有效提高镗杆系统的刚度。经实际加工检验,验证了设计的正确性。     

可调式高速轧辊磨床液体滑动轴承的结构有限元分析

为了提高液体滑动轴承的应用范围和运行效率,设计出了一种可调式高速轧辊磨床液体滑动轴承,在此基础上,利用有限元分析软件ANSYS对该轴承的结构性能进行了有限元分析。分析结果表明:该轴承在调节位置的正中间和左右两极端位置时均能满足强度和刚度的要求,从而,该轴承在其调节范围的任何位置,其结构性能均能满足高速轧辊磨削的工况要求。该研究结果为其实际应用提供了重要的理论支持。