磁轴承动静不平衡扰动影响及其控制策略

磁轴承系统是磁悬浮飞轮储能系统的核心部件之一.由于加工精度以及设备安装精度等因素的影响,使得转子在转动过程几何轴与惯性轴不重合、磁场中心与质心不重合、位移传感器中心与质心不重合,使得磁轴承系统支撑的转子在旋转时会产生不平衡振动,影响转子的运行特征和稳定性.飞轮储能装置的转子由磁轴承控制,要抑制振动的关键就在于磁轴承控制器的设计.首先对磁轴承进行数学建模,随后对振动的产生和影响进行了数学分析,在分析的基础上提出了一种自适应迭代补偿的控制方法,随后通过仿真验证了上述方法对振动有一定的抑制作用.     

转子振动的主动控制

本文针对转子振动主动控制中系统矩阵中含有陀螺阵这一特点,提出了在频域中的二次型目标函数;根据转子振动故障的特点,明确提出了转子振动主动控制的三个作用,研究了相应的控制器设计方法;并以一悬臂模型转子为例,分析了振动主动控制的可能实施方案及效果;结果表明,本文中所提出的方法效果良好,有重要应用前景。     

含齿式联轴器的单盘转子系统耦合故障分析

为研究转子系统在不平衡-不对中耦合故障作用下的动力学特征,建立了转子-滚动轴承耦合系统动力学模型.其中,考虑齿式联轴器平行不对中问题,且刚性转盘的质心和形心不同心.通过Lagrange方法推导出系统的动力学方程,并采用数值分析的方式分别分析了联轴器不对中程度、不同的联轴器参与振动的质量大小以及不同的支承条件等对转子系统动力学特性的影响规律.计算结果表明:由于不对中故障的存在,当转子系统运行的转速达到临界转速二分之一时,转盘的横向振动位移明显增大,即不对中量会使系统在二分之一临界转速处产生一个不稳定区域;当采用滚动轴承支承时,随着不对中程度的加剧,上述不稳定区域内转子的最大振幅所对应的转速逐渐增大,而采用线性支承时,尚未出现此类现象;随着联轴器参与不对中故障的质量的增加,系统的振动越来越剧烈.     

影响涡轮叶尖间隙的转子振动抑制方法

为了提高现代航空发动机的性能,涡轮叶尖间隙的主动控制已成为国内外的一个研究热点.在对影响涡轮叶尖间隙变化因素的初步分析基础上,针对飞行器稳态飞行条件下涡轮转子系统的不平衡力产生的振动对叶尖间隙的影响,提出了一种新的抑制涡轮转子振动的方法——电磁平衡头在线动平衡方法,并通过建模仿真分析,论证了这种方法的有效性.     

磁悬浮动量轮的主动振动控制

由于同传统的滚珠轴承动量轮相比,磁悬浮动量轮的定子和转子之间没有接触,不需要润滑,允许高速旋转,而且磁悬浮动量轮可以提供框架控制能力,因而磁悬浮动量轮被认为是未来高精度航天器姿态控制的理想招待机构。然而,尽管与传统动量轮产生干扰力矩的机理不同,磁悬动量轮本身还是存在一些振动源。如何消除这些振动源引起的扰动,即磁悬浮动量轮的主动振动控制是将磁悬浮动量轮应用于航天器姿态控制所要解决的主要问题。由于磁悬浮动量轮的转子是依靠磁性轴承来维持其在定子中的悬浮转动,为了更好地了解磁悬浮动量轮的主动振动控制,本文首先对一般的磁性轴承系统的主动振动控制方法进行了综述,这些方法包括：自适应开环前馈补偿方法、带通滤波器方法、基于观测器的方法、鲁棒控制方法以及模型跟踪控制方法等。在此基础上本文对磁悬浮动量轮的主动振动控制问题进行了讨论,重点对自适应模型跟踪控制方法进行了介绍。     

含齿式联轴器的单盘转子系统耦合故障分

为研究转子系统在不平衡-不对中耦合故障作用下的动力学特征,建立了转子-滚动轴承耦合系统动力学模型.其中,考虑齿式联轴器平行不对中问题,且刚性转盘的质心和形心不同心.通过Lagrange方法推导出系统的动力学方程,并采用数值分析的方式分别分析了联轴器不对中程度、不同的联轴器参与振动的质量大小以及不同的支承条件等对转子系统动力学特性的影响规律.计算结果表明：由于不对中故障的存在,当转子系统运行的转速达到临界转速二分之一时,转盘的横向振动位移明显增大,即不对中量会使系统在二分之一临界转速处产生一个不稳定区域;当采用滚动轴承支承时,随着不对中程度的加剧,上述不稳定区域内转子的最大振幅所对应的转速逐渐增大,而采用线性支承时,尚未出现此类现象;随着联轴器参与不对中故障的质量的增加,系统的振动越来越剧烈.     

弹性箔片轴承-盘式永磁电机转子系统轴向冲击响应

轴向磁通永磁(Axial Flux Permanent Magnet,AFPM)电机在给转子输出周向电磁转矩的同时,还作为一种“磁轴承”,与弹性箔片轴承(Gas Foil Bearings,GFBs)并联工作.当GFBs支承的单定子单转子AFPM电机转速发生突变时(如加、减速),叶轮或者透平会产生一个瞬时轴向力.为揭示此轴向冲击对转子系统振动的影响机理,针对采用2个径向GFBs和1个轴向GFB支承的单定子单转子AFPM电机,建立了系统的刚性转子动力学方程,计入了永磁体的轴向吸力、径向回复力以及轴向GFB的推力对转子振动的影响.计算显示：轴向冲击对横向振动的影响非常小,箔片结构刚度的非线性效应会对转子振荡幅值和时间均产生影响,永磁体的负刚度绝对值越大,轴向振幅越大.在设计时,要注意永磁轴承刚度、箔片结构刚度和结构阻尼的合理匹配,以保证转子在轴向冲击下的轴向振荡时间和振幅均不超过允许值.     

航空发动机高压转子-滚动轴承系统非线性动力响应分析

基于有限元方法建立了航空发动机高压转子 滚动轴承系统的高维动力学模型,该模型考虑滚动轴承的非线性支撑力,转子的剪切变形、陀螺力矩和转动惯量.利用自适应步长Newmark-β方法计算了转子随转速变化的不平衡响应,得到了不同转速区间转子的振动特征.针对低转速区出现的VC(Varying Compliance)振动现象,计算分析了不同转速下转子不平衡量、轴承游隙对VC振动幅值的影响.结果表明：随着转速的升高,VC振动幅值先减小再增大,之后再减小直至基本消失;增大轴承游隙会使转子VC振动幅值增大,而转子VC振动幅值对不平衡量的变化并不敏感.     

转子动力学研究进展

本文简要回顾了转子动力学的发展历程,指出了转子动力学的研究对象,如以汽轮发电机、燃气轮机、离心/轴流压缩机和航空发动机等大型装备为代表的复杂转子系统;主要研究内容涉及转子系统动力学建模、临界转速和振动响应计算、柔性转子动平衡技术、支承转子的各类轴承动力学特性、转子系统动力稳定性、转子系统非线性动力学、转子系统振动故障及其诊断技术、转子系统振动控制和多场耦合激励下转子系统振动,如机电耦合振动等.未来的研究主要聚焦在转静子系统耦合振动,基于大数据的转子系统智能诊断和考虑新材料、新结构的转子系统振动控制技术等方面.     

带有星型齿轮传动结构的转子系统不平衡耦合振动分析

齿轮传动风扇发动机(GTF)的低压转子系统由于带有星型齿轮传动结构,使得其具有有别于传统发动机的动力学特性,因此由于这种齿轮柔性转子耦合系统而产生的振动问题更为复杂.本文基于该低压转子的结构特点,建立了具有星型齿轮传动结构的三支点转子系统有限元模型,通过对高速转子轮盘施加偏心质量,研究不平衡矢量激励下转子系统的耦合振动特性,并进行了相关试验分析.结果表明：在双盘不平衡激励下,由于不平衡之间耦合效应,转子系统各轴段均存在振动减弱的情况.并且与中心齿轮相比,环形齿圈与游星齿轮之间的啮合力更大,且受不平衡初始相位的影响更显著.此外,当相位差为180°时,不平衡对转子系统的危害较大.     

Vibration Control of a Planar Parallel Manipulator Using Piezoelectric Actuators

This paper presents an active damping control approach applied to piezoelectric actuators attached to flexible linkages of a planar parallel manipulator for the purpose of attenuation of unwanted mechanical vibrations. Lightweight linkages of parallel manipulators deform under high acceleration and deceleration, inducing unwanted vibration of linkages. Such vibration must be damped quickly to reduce settling time of the manipulator platform position and orientation. An integrated control system for a parallel manipulator is proposed to achieve precise path tracking of the platform while damping the undesirable manipulator linkage vibration. The proposed control system consists of a PD feedback control scheme for rigid body motion of the platform, and a linear velocity feedback control scheme applied to piezoelectric actuators to damp unwanted linkage vibrations. In this paper, we apply the proposed vibration suppression algorithm to two different types of piezoelectric actuators and evaluate their respective performances. The two piezoelectric actuators are (i) a PVDF layer applied to the flexible linkage and (ii) PZT actuator segments also applied to the linkage. Simulation results show that both piezoelectric actuators achieve good performance in vibration attenuation of the planar parallel manipulator. The dynamics of the planar parallel platform are selected such that the linkages have considerable flexibility, to better exhibit the effects of the vibration damping control system proposed.     

汽轮机转子碰摩热弯曲动力特性研究

本文简化了汽轮机转子模型,并根据转子碰摩理论建立了一种简单的求解碰摩截面热分布的计算模型,使得碰摩截面热分布的计算大大简化.依据转子动力学理论推导了本模型的运动方程,并作无量纲化以便于MATLAB数值求解收敛,最终建立了转子系统由摩擦引起的弹性热弯曲——碰摩耦合故障动力模型.利用四阶Runge-Kutta方法求解微分方程组得到了在不平衡力、碰摩力和碰摩热弯矩耦合作用下转子系统的响应,并对低于、接近和高于临界转速下碰摩热弯曲转子的动力学特性进行了数值仿真研究,包括时域、频谱、轴心轨迹以及碰摩力的变化.结果表明,转子在低于和接近临界转速运行发生碰摩,转子的振动由平稳状态逐渐发散,而在高于临界转速发生碰摩时转子的振动会逐渐减小.     

滚动转子压缩机转子组合结构振动特性分析与测试

为了避免压缩机转子系统在工作过程中的振动超标,需要对其开展系统化的动态优化设计,包括压缩机转子乃至整机的振动特性测试以及利用转子动力学对其建模与分析.本文以转子系统组合件(泵组件+外壳组件)为研究对象,首先创建了压缩机转子系统三维实体有限元分析模型.进一步,对转子系统的固有特性进行了分析,获得了前5阶固有频率与模态振型.最后,对该滚动转子压缩机进行了动力学实验,校验了上述分析模型的合理性.本文的研究可为压缩机系统的减振与降噪提供技术参考.     

Active multivariable vibration isolation for a helicopter

The compensation of vibrations generated by the rotor of a helicopter and transmitted to the cabin is of great importance for rotorcraft design. These vibrations occur at discrete, well known frequencies, the so-called rotor-blade harmonic frequencies. In this paper the application of active control technology is investigated for vibration compensation. The multivariable mode of the helicopter is first decoupled in three subsystems. Then, a compensator is developed, which isolates the cabin from the oscillating rotor/gear-box unit at the first harmonic frequency and at the same time fixes the cabin to the rotor/gear-box unit for ascend or descend maneuvers.     

三维实体转子系统热-结构耦合响应分析

以某型航空发动机高压转子系统为研究对象,基于不均匀分布稳态温度场,建立了某高压转子系统三维实体单元有限元模型以及稳态温度场下转子系统热-结构耦合振动方程,利用热-结构-动力学耦合理论,采用间接耦合法,通过稳态温度场分析和静力分析生成热应力,然后进行预应力模态分析,最后利用模态叠加法进行不平衡量和热弯曲耦合响应分析,实现热-结构-动力学耦合计算.通过稳态温度场对典型级盘稳态响应影响的分析以及不平衡量与热弯曲耦合稳态响应分析,发现耦合响应对转子系统各级盘的振动响应有较大影响.     

Adaptive Synchronization Control of the Magnetically Suspended Rotor System

An adaptive controlapproach to the implementation of synchronization control forthe magnetically suspended rotor system is presented. The controlsystem enables a translatory mode for the whirling rotor alongthe bearing axes, thereby eliminating the gyroscopic effectsthat can vastly degrade the rotor stability at high speeds. Thecontrol method features the integration of adaptive control andcross feedback control for the electromagnetic circuit, in whichan adjustment system is trained to tune the adaptation parametersto minimize the differential errors of state variables throughouta cross coupling controller. Under this control process, thecontrol variables are updated in a way to suppress the conicalmodes against the gyroscopic forces. This paper develops twokinds of synchronization control algorithms in conjunction withan optimization design, and the simulation of synchronizationcontrol for a magnetically suspended rotor system is presented.     

Delayed reference control for multi-degree-of-freedom elastic systems: Theory and experimentation

The objective of this paper is to provide an experimental proof of the effectiveness and ease of implementation of a non-time based control strategy for the simultaneous active vibration control and path tracking of multi-degree-of-freedom linear systems. What is peculiar in the proposed scheme, named DRC, is that it allows reducing elastic vibrations while guaranteeing coordinated motion among the system rigid-body degrees of freedom, and hence the accurate tracking of desired paths through space. The DRC is here applied to damp the oscillation of a load suspended to the moving platform of an Adept Quattro parallel robot by means of a cable.     

转子系统不对中问题的研究进展

转子系统的不对中问题在旋转机械中非常普遍,是引起严重整机振动的主要原因之一.特别地,以先进涡扇发动机转子系统为代表的带有弹性支承、内外布置的多转子系统,其动力学特性具有特殊性,不对中的理论问题与工程需求十分突出.本文首先针对两类不对中问题(联轴器不对中和支点不对中),评述了目前不对中建模方法、不对中转子系统的动力学和振动特性方面的代表性研究成果.其次,针对航空发动机转子系统,详细综述了目前已有的套齿联轴器、弹性支承组件的动力学研究成果.在此基础上,作者针对其具体结构特征,进行了航空发动机转子系统不对中成因与模式分类,初步建立了联轴器不对中和支点不对中的转子系统动力学模型并进行了振动特性分析.     

A model of magnetostrictive actuators for active vibration control

One of the most frequent applications of magnetostrictive actuator technology is the active structural vibration control (AVC). Magnetostrictive actuators (MAs) can deliver high-output forces and can be driven at high frequencies. These characteristics make them suitable for a variety of vibration control applications. The use of this technology, however, requires an accurate knowledge of the dynamics of such actuators. Several models are available in the literature. However, their use in control applications, characterized by high dynamics, is often limited by nonlinearities and complexity of the model. To overcome this difficulty, the paper introduces a linear model of magnetostrictive actuators that is valid in a range of frequencies below 2 kHz. The assumptions supporting the linearity of the system are discussed and the theoretical model is presented. Finally the model is validated through experimental tests carried out on two different magnetostrictive actuators.