电磁轴承-转子系统动力学特性研究

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相比于传统的滚动轴承、滑动轴承,电磁轴承具有无接触、无需润滑、无磨损等突出优点,而且电磁轴承的支承力可控,可以通过控制策略的改变,对转子施加主动电磁力,从而实现对转子系统振动的主动控制。主动电磁轴承作为一种新型的支撑方式,其支撑特性与其结构参数、控制参数密切相关。相比于传统机械轴承支撑的转子系统,电磁轴承支撑的转子系统在很多方面有着不一样的动力学特性。本文主要从电磁轴承-转子系统的不平衡振动抑制、碰摩故障及密封气流激励的影响三个方面探讨了电磁轴承-转子系统的的动力学特性。主要研究内容如下:(1)建立了电磁轴承-刚性转子系统模型,使用自动平衡方法对转子系统的不平衡振动进行了抑制。首先考虑电磁轴承、传感器位置与转子质心位置的几何关系,建立了电磁轴承-刚性转子系统的动力学方程。然后使用优化方法对PID分散控制系统参数进行了设计。最后使用自动平衡控制方法对刚性转子的不平衡振动进行抑制,并结合时域图、频谱图,从转子振动位移、控制电流两个方面对比分析了不平衡振动控制前后的控制效果。对比发现自动平衡控制能降低转子系统的振动响应,明显减小电磁轴承控制电流。另外,为解决陷波滤波器的使用对控制系统稳定性造成的影响,在不同的转速范围内对转子系统进行分段控制。最终通过对陷波滤波器补偿相位的调整,成功实现了转子系统在整个工作转速范围内的稳定运行。(2)建立了电磁轴承-转子系统碰摩故障动力学模型,研究了转子与保护轴承发生碰摩故障时转子系统的非线性动力学特性。使用轴心轨迹、时域图、频谱图、Poincaré图和分岔图,研究了转速、不平衡激励及电磁轴承结构参数对电磁轴承-碰摩故障转子系统动力学特性的影响。研究发现,当电磁轴承支撑的转子与保护轴承发生碰摩时,转子系统表现出非常复杂的非线性动力学特征,如周期性、准周期性和混沌现象。在一定范围内适当增大电磁轴承的偏置电流、减小其初始间隙有助于碰摩故障转子系统的稳定。(3)建立了电磁轴承-密封-转子系统模型,研究了转速、密封参数及电磁轴承控制参数对转子系统动力学特性的影响。使用Mszynska密封力非线性模型和非线性电磁力模型建立转子系统的动力学模型。结合频谱图、波形图、轴心轨迹图、分叉图等分析了密封气流激励作用下转速、密封力参数及电磁轴承参数对该转子系统的影响。研究发现转速、密封压力差和密封间隙对电磁轴承-密封-转子系统的影响比较明显。高转速时,密封气流激振力能激发转子系统的低频成分。随着压力差和密封间隙的增大,转子振动的低频成分幅值增大,转子由稳定的周期运动逐渐进入准周期运动,转子系统的稳定性变差。电磁轴承PD控制系统中的微分系数对转子系统影响较大,可以通过适当改变PD控制器参数来提高电磁轴承-密封-转子系统的稳定性。
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