支承方式对转子动力学特性影响研究

高速永磁同步电机在运转时很容易接近临界转速而产生共振现象,引发噪声,甚至损坏电机,而支承方式是影响转子动力特性的重要因素.针对这一问题,对燃料电池空气压缩机用永磁同步电机的转子动力学特性进行研究.建立高速转子系统的动力学特性分析有限元模型,基于ANSYS workbench仿真计算轴承刚性支承和弹性支承时转子系统的振型、固有频率和临界转速,得到坎贝尔图;求解不同轴承支承刚度下转予系统的动力学特性,总结了临界转速及其避开裕度的变化规律,可为转子系统的动力学设计提供理论支持.     

滚动轴承-转子系统动力学特性分析

在滚动轴承动力学和转子动力学基础上,建立滚动轴承-转子系统非线性动力学分析模型,采用New-mark-β积分法和Newton-Raphson迭代法对轴承-转子系统非线性动力学微分方程进行求解,对轴承结构参数和工况参数与轴承-转子系统动力学特性关系进行分析,分析结果表明:系统中转子的转动频率始终存在,支承轴承的变刚度频率随着轴承结构参数和系统工况参数的不同而出现或消失;支承轴承内、外沟曲率半径系数的变化不改变系统中已存在的振动频率成分;系统的非线性特性随轴承钢球个数、预紧力的增加而减弱,随径向载荷的增大而增强;存在一个最佳转速区间,在此区间内,系统的非线性特性较弱。     

移动载体上电磁轴承-转子系统的基础激励振动主动抑制

安装在移动载体上的电磁轴承-转子系统往往会受到来自其承载基础的振动激励干扰。对单自由度支承模型和多自由度转子模型在基础激励条件下的动力学响应进行比较分析,认为可以将基础激励引起的电磁轴承-转子系统定转子之间的相对运动等效为一个由基础加速度决定的强迫振动。提出一种基于基础加速度信号作为参考信号的自适应滤波器的电磁轴承-刚性转子系统基础激励响应抑制方法,并分析该方法抑制各种类型振动的有效范围,所需滤波器的阶数,以及滤波器自适应收敛的最佳权值。在电磁轴承-转子系统试验平台上进行试验,结果表明提出的控制方法对稳定的基础激励造成的转子振动响应能有效抑制,强制定转子间隙保持稳定,避免碰撞。     

基础摆动条件下主动电磁轴承-柔性转子系统的稳定性

与基础平动不同,基础摆动不仅会给转子系统产生额外的激励力,而且还会改变转子系统的阻尼及刚度特性,对系统的稳定性产生影响。以电磁轴承支承的柔性转子系统为例,研究了基础摆动条件下转子系统的稳定性。首先,用有限元法建立了基础摆动条件下电磁轴承–柔性转子系统的动力学模型,然后基于Routh-Hurwitz准则推导了基础恒定摆动条件下转子系统的稳定性条件,并用特征根轨迹进行分析。之后,基于Floquet理论研究了基础正弦摆动对电磁轴承柔性转子系统稳定性的影响,得到了系统的稳定性边界,并利用转子系统响应进行了验证。最后,研究了PID控制器参数对基础摆动条件下电磁轴承–柔性转子系统稳定性的影响,针对基础正弦摆动,提出了使用相位补偿器补偿转子系统稳定性的方法。研究结果表明,基础恒定摆动条件下,主动柔性转子系统的稳定性与摆动的幅值有关;基础正弦摆动条件下,转子系统的稳定性与摆动的幅值和频率有关。合理地选择PID控制器的参数能够改善转子系统的稳定性。PID控制器串联相位补偿器,对于基础正弦摆动条件下电磁轴承–柔性转子系统的稳定性具有良好的补偿效果。     

陀螺效应对电磁轴承系统设计的影响

电磁轴承是机械领域中一种新型的支承部件 ,其工作原理是依靠电磁力使转子非接触地悬浮于轴承体内。在分析研究电磁轴承系统的动态特性时 ,有 2个重要的方面 ,即轴承转子系统动力学特性和系统陀螺效应对系统稳定性的影响。介绍电磁轴承系统在考虑了陀螺效应时的系统理论分析方法和结果 ,并讨论了系统的设计方法和特点 ;提出了系统控制器的设计思想和实现的一种方法 ;同时以 2个实际的电磁轴承转子系统为例 ,指出了陀螺效应在具体应用中的分析原则。为电磁轴承支承的转子系统动态特性分析提供了理论依据     

焦建彬，男，1967年出生，工学博士，哈尔滨工业大学现代生产技术中心副教授。主要从事CAD/CAM、敏捷制造等方面研究。参加并完成国家863项目2项，参与编写论著3部，发表论文30余篇。

电磁轴承是机械领域中一种新型的支承部件,其工作原理是依靠电磁力使转子非接触地悬浮于轴承体内。在分析研究电磁轴承系统的动态特性时,有2个重要的方面,即轴承转子系统动力学特性和系统陀螺效应对系统稳定性的影响。介绍电磁轴承系统在考虑了陀螺效应时的系统理论分析方法和结果,并讨论了系统的设计方法和特点;提出了系统控制器的设计思想和实现的一种方法;同时以2个实际的电磁轴承转子系统为例,指出了陀螺效应在具体应用中的分析原则。为电磁轴承支承的转子系统动态特性分析提供了理论依据。     

基于非线性度的滑动轴承-转子系统支承松动状态评估

基于振动信号非线性度建立了滑动轴承-转子系统支承松动状态评估方法。针对滑动轴承-转子系统支承松动故障,运用转子动力学、机械振动等理论分别建立转子系统存在支承松动故障与无故障时的非线性动力学模型,其中松动间隙产生垂直方向弹性力采用非线性项进行描述。根据非线性度的定义,对支承松动系统动力学模型中滑动轴承油膜力采用8个系数动态特性线性化,松动故障弹性力部分采用泰勒展开进行近似,得到线性近似系统动力学模型。比较存在支承松动转子系统动力学模型与线性近似动力学模型的动力学行为差异,结合MATLAB数值积分方法,计算在不同松动间隙大小情况下滑动轴承-转子系统动力学行为非线性度,建立非线性度与松动程度之间的关系,直观地反映出支承松动故障对滑动轴承-转子系统动力学行为的影响程度,为转子轴承系统的支承松动状态评估提供一种新的思路。     

摇摆工况下椭圆轴承转子系统动力学特性研究

倾斜摇摆工况下,不仅轴承承受载荷随时间变化,而且轴承动特性参数也发生变化,这必然会影响轴承支撑的转子系统的安全性与稳定性分析结果。仅通过稳态分析难以保证支撑轴承自身的安全性和可靠性以及转子轴承系统的稳定性。基于轴承刚度和阻尼的分段线性化假设,建立不同横摇角度的转子轴承模型,用某大学润滑理论与轴承研究所开发的转子轴承系统动力学分析软件DLAP(Dynamic Lubrication Analysis Program),耦合求解椭圆轴承转子系统动力学模型,采用特征值和特征向量,稳定性分析、不平衡响应分析以及瞬态动力学分析等手段,详细研究了转子轴承系统的稳定性和安全性,并与正常工况下轴系的动力学特性对比,最终得出摇摆工况下椭圆轴承支撑的转子系统的动力学特性。     

高速电主轴动态特性研究

作为数控机床的核心功能部件,高速电主轴的动力学特性直接影响着工件的加工精度。建立了高速电主轴的轴承-转子动力学模型,计算了角接触球轴承的动态支承刚度和轴承-转子系统的固有特性,并且研究了不同转速下轴承支承刚度对系统固有频率的影响。以2GDZ60型高速电主轴为研究对象,测试了系统的1阶固有频率和2阶固有频率,与理论计算值相比较误差较小。     

不对称润滑对碰摩转子-轴承系统的动力学影响

在考虑非线性油膜力的基础上,建立了具有碰摩故障的转子-轴承系统的动力学模型。用数值方法研究了在非线性油膜力作用下具有碰摩故障的转子系统的动力学特性,并研究了当改变其中一个支承轴承润滑油的粘度时,转子系统的动力学特性。研究发现,随着一轴承润滑油粘度的降低,转子系统亚临界角速度区的混沌区域和拟周期区域扩大了。该结果为采用不同粘度润滑剂的转子-轴承系统的优化设计、安全运行和故障诊断等提供了一定的理论参考     

智能磁力轴承系统静态参数的识别方法

利用机器人的理论和技术赋予电磁轴承以专业设计人员的"智慧",使它能够"独立"地"鉴别"将要"面对"的任何转子(或悬浮体)特点,再根据"已有的专业知识",包括"设计经验",对转子(悬浮体)系统进行静、动特性分析与综合分析,"在线设计"出系统合适的控制参数,实现稳定的悬浮支承。本文针对在智能磁力轴承的实现过程中,智能磁力轴承的静态参数(也可称为固有参数或设计参数)及转子(悬浮体)的静态参数(如质量、质心、静载荷)的识别、存储和传输技术进行分析,并给出一种以计算机中的PnP(plug and play)技术为基础的实施方法。     

电磁轴承及其系统设计方法

电磁轴承是磁悬浮原理在机械领域中的一个应用实例,其工作机理是依靠电磁力使转子非接触地“支承”于轴承体内,有运动阻力小、无接触摩擦和磨损、功耗低以及寿命长等优点。国外在这方面已有成熟的产品应用于生产实际。介绍了电磁轴承及其系统设计的特点、系统控制器的设计方法、刚性转子系统的设计方法和柔性转子系统的动力学设计方法,并提供了几个实际设计的数据和部分试验结果。     

Dynamic responses of rotor drops onto double-decker catcher bearing

In an active magnetic bearing(AMB) system,the catcher bearings(CBs) are indispensable to protect the rotor and stator in case the magnetic bearings fail.Most of the former researches associated with CBs are mainly focused on the dynamic responses of the rotor drops onto traditional single-decker catcher bearings(SDCBs).But because of the lower limited speed of SDCB,it cannot withstand the ultra high speed rotation after rotor drop.In this paper,based on the analysis of the disadvantages of SDCBs,a new type of double-decker catcher bearings(DDCBs) is proposed to enhance the CB work performance in AMB system.In order to obtain the accurate rotor movements before AMB failure,the dynamic characteristics of AMB are theoretically derived.Detailed simulation models containing rigid rotor model,contact model between rotor and inner race,DDCB force model as well as heating model after rotor drop are established.Then,using those established models the dynamic responses of rotor drops onto DDCBs and SDCBs are respectively simulated.The rotor orbits,contact forces,spin speeds of various parts and heat energies after AMB failure are mainly analyzed.The simulation results show that DDCBs can effectively improve the CBs limit rotational speed and reduce the following vibrations,impacts and heating.Finally,rotor drop experiments choosing different types of CBs are carried out on the established AMB test bench.Rotor orbits,inner race temperatures as well as the rotating speeds of both inner race and intermediate races after rotor drop are synchronously measured.The experiment results verify the advantages of DDCB and the correctness of theoretical analysis.The studies provide certain theoretical and experimental references for the application of DDCBs in AMB system.     

带弹性环保护轴承的动力学特性

提出在传统保护轴承外圈加弹性环来提高其在主动磁悬浮轴承(Active magnetic bearing,AMB)系统中的工作性能。为完善转子跌落仿真模型,得到AMB失效前转子准确的运动状态,理论推导得到AMB的支撑动刚度曲线,进而基于有限元分析方法得到转子在其支撑下的模态,并与试验结果进行对比,验证所得刚度曲线的正确性。在刚性转子理论基础上,建立转子在AMB系统中的动力学模型。基于Hertz接触理论,分别建立AMB失效后转子与保护轴承内圈之间的碰撞模型和保护轴承的实时动刚度模型。根据所建立的模型,对不同弹性环支撑刚度阻尼在不同初始转速下跌落后的动力学响应进行仿真计算,并与无弹性环状态下跌落结果进行对比。仿真分析结果表明,选用合适的弹性环有利于降低转子跌落后的振动幅值和碰撞力。分别在不同初始状态下进行跌落试验研究,试验结果与理论分析结果基本相符。     

差动变压器式位移传感器及其在磁悬浮轴承中的应用

针对差动变压器式位移传感器的性能及其在磁悬浮轴承中的应用,理论分析传感器与磁悬浮轴承转子之间加入不同隔层时对传感器输出的影响;对传感器进行静态和动态标定,并将其应用于2自由度和5自由度磁悬浮轴承试验台进行静态和动态悬浮。研究结果表明：该传感器测试范围在–0.5～＋0.5 mm时,线性度可达±1.38%,灵敏度为20.18 mV/μm,截止频率在800 Hz左右;理论分析加入非导磁隔层不影响传感器性能,但实际中涡流、漏磁等多方面原因将影响传感器的静动态性能;在2自由度试验台上实现磁悬浮转子2自由度的静态悬浮,不加入隔层时转子的静态位移振动峰峰值小于5 μm,加入隔层时转子的静态位移振动峰峰值小于10 μm;在5自由度试验台上实现了磁悬浮转子的高速旋转,转速为30 kr/min,不加隔层时转子两端的径向振动峰峰值为25 μm,加入隔层时转子两端的径向振动峰峰值为25 μm,但波形没有不加隔层时规则。研究结果为差动变压器式位移传感器的设计,并将其应用于磁悬浮轴承系统中提供一定的理论和试验基础。     

含转子不平衡的磁轴承建模与同频电流抑制

为实现含转子不平衡的磁轴承系统动力学建模与同频电流抑制,分析了同频电流、力和力矩的产生机理,即转子不平衡（含静不平衡和动不平衡）经控制器、功放系统、感应电动势在磁轴承线圈中引起同频电流,进而与电流刚度和位移刚度相互作用产生力和力矩,完成了径向4自由度全主动磁轴承系统的建模。对该模型进行了数学求解和验证,提出了一种基于相移通用陷波反馈控制的同频电流抑制方法,可有效抑制控制器、功放系统和感应电动势产生的同频电流。仿真和实验验证了该方法的有效性,与传统的控制器串联陷波器方法相比,基于相移通用陷波反馈控制的同频电流抑制方法还可减少感应电动势引起的同频电流,同频电流进一步衰减了8.8dB。     

磁力轴承支承刚性转子的临界转速计算

针对磁力轴承支承转子的结构特点提出了一种用于分析该类转子的简化处理方法,并使用Samcef Rotor有限元软件建立了某刚性转子的轴对称模型,计算得到了转子的临界转速及振型。研究了该转子的临界转速与磁力轴承支承刚度的关系。计算结果及相关结论将为磁力轴承和传感器的布置以及控制系统的设计提供重要依据。     

Frequency domain indirect identification of AMB rotor systems based on fictitious proportional feedback gain

It is very difficult to directly identify an unstable system with uncertain dynamics from frequency domain input-output data. Hence, in these cases, closed-loop frequency responses calculated using a fictitious feedback could be more identifiable than open-loop data. This paper presents a frequency domain indirect identification of AMB rotor systems based on a Fictitious proportional feedback gain (FPFG). The closed-loop effect due to the FPFG can enhance the detectability of the system by moving the system poles, and significantly weigh the target mode in the frequency domain. The effectiveness of the proposed identification method was verified through the frequency domain identification of active magnetic bearing rotor systems.