英语原文共 18 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
主动磁轴承系统中转子/接地轴承接触的测量和校准
F.Y. Saket, M.N. Sahinkaya, P.S. Keogh
英国巴斯大学机械工程系，Bath Ba2 7Ay
摘要 主动磁轴承系统提供无接触转子悬浮，当正常工作时，允许接近无摩擦旋转和高速旋转。在一定条件下，可能会出现瞬时故障、过载或着干扰的情况。因此，接地轴承或套管会被应用于此类系统，以防止转子和定子叠片之间的接触。如果转子与接地轴承相接触，转子动力学可能会变成瞬态或持续接触。转子动态可能会变成瞬态或持续接触。适当的通过磁轴承恢复无接触转子运行的控制策略可延长接地轴承的使用寿命，最大限度地减少操作停机时间。为了实现这一点，就需要了解接触动力学以及接触力和磁轴承力之间的关系。在本文中，利用“主动磁轴承柔性转子系统”对转子/接地轴承的接触条件进行了实验研究，提出了一种测量系统的设计方法，能够根据应变提供转子/接地轴承接触相关数据的测量方法，应变感应接触信号根据施加的磁轴承力进行校准。利用评估力和相位测量，研究了主动磁轴承系统的频率相关特性，测量数据代表了基于主动磁轴承力的接触控制电位的系统识别。
关键词 转子接地触点 应变测量 接触转子动力学 主动磁轴承 接地轴承
1.介绍
主动磁轴承（AMBS）提供非接触式转子悬浮和振动控制的能力有很多优点，其中包括高速转子运行、无需润滑、寿命长、可靠性高，以及由于摩擦损失低，因此能源效率高。然而在磁悬浮轴承系统中（AMB），被动轴承也用作着接地轴承(TDBs)，以防止偶然的可能性对转子/磁轴承定子接触产生破坏。当AMB系统不运行时，TDBS支撑转子，也限制了转子在运行期间的偏移，如功率损失、部件故障、转子质量损失或其他重大外部干扰的问题。这种情况可能导致转子/接地轴承接触。由于TDBS是磁悬浮轴承系统的功能部件，因此了解它们对接触情况下转子动态特性的影响至关重要，以尽量减少潜在损害。这一点尤其重要，因为TDB的寿命和条件直接影响到AMB系统的可靠性。
在一些研究中，研究了转子/接地轴承接触相互作用，已考虑转子跌落试验[1–5],还研究了TDB内部接触的影响，其中考虑了TDB降解[6]。虽然刚性转子装置已被广泛研究，柔性转子系统也被考虑[7-9]。综述了研究接触案例中使用的不同数值模型和实验装置，重点讨论了接触动力学的复杂性[10]。由于转子/TDB相互作用而报告和研究的接触模式包括摩擦[11–14]、反弹[15]和混沌响应[16,17]。这些模式在持续时间上不同，可能涉及TDB所经历的较大接触应力和应变。在[18]中提出了一种有趣的方法，该方法涉及一种用于预测滚动元件TDB寿命的雨流计数算法。
文献中已经考虑了减小与TDB接触时转子振动的方法，以尽量减少或消除接触。非常规的TDB设计被认为是适度的冲击诱导运动和摩擦力，特别是防止反向旋转运动[19]。在[20,21]中，通过非线性建模和实验评估了带状阻尼器对TDBS的支持作用，研究了磁轴承接触控制的重要性。磁轴承接触控制已经被研究，证明了将转子/TDB接触动力学纳入控制器设计的重要性[22,23]。其他研究也考虑了采用TDB运动的控制[24–28]。与磁轴承控制相比，采用主动式TDB会增加成本和增加复杂性，尽管在某些需要额外驱动的情况下，它可能有用。
文献中已考虑使用转子位移数据[26,29,30]的转子/TDB接触衰减、恢复和可操作磁力轴承的潜在预防。然而，实验力数据，如果可用，可以提供进一步的相互作用动力学知识，并使控制动作的优化，以减少或消除接触的破坏效应。
一些研究考虑了与接触条件有关的力的测量和分析[12,31–33]。通过在TDB或其外壳内安装传感器，采用不同的方法评估轴承与转子接触时的实验力水平。这包括使用压电力传感器[33,34]、加速度数据[35]和应变测量[36]。在AMB系统中，基于 力数据设计转子/TDB接触控制策略是一个需要进一步研究的领域。磁力轴承是否能在接触情况下保持完全功能尤为重要。
为了在转子/AMB/TDB系统中设计基于力的接触控制，一种获取由AMB控制力引起的转子/TDB接触相关数据的方法是有用的。本文的目的是提供这样的实验数据，如果采用适当的相位AMB同步力，这些数据将直接适用于未来的转子/TDB接触控制策略。转子/TDB相互作用力和AMB控制力之间的关系建立在不同的转子强迫频率上，包括那些包含临界转速频率的频率。
2.实验转子/AMB系统
采用了带柔性转子的转子/AMB试验台。该系统有两个径向磁悬浮轴承、 一个带有四个圆盘的转子、提供转子位移信号的位置传感器和一端的交流电机。实验装置的照片如图1所示。柔性转子长2米，轴半径25毫米。每个磁性轴承的定子和转子之间的径向间隙为1.2 mm。系统中使用了许多传统的TDB。在每个磁轴承位置，都有一个径向间隙为0.75 mm的滚动元件TDB。此外，在转子的从动端放置一个青铜衬套，径向间隙为0.90 mm。在转子非驱动端设计并安装了应变测量系统，以提供与转子/TDB接触有关的力数据，下一节将对此进行说明。磁悬浮轴承采用闭环反馈控制，每个磁悬浮轴承的径向力饱和极限为2000 N。两个磁悬浮轴承的控制器都使用涡流位置传感器信号。图2显示了试验台部件的布局。
转子总质量为100kg，在特定比例积分微分（PID）悬浮控制下，无任何接触，锥形和平动转子涡动模式分别在12Hz和17Hz下，明显，第一悬浮转子弯曲模式的固有频率为27Hz。AMB放大器系统的带宽约为120赫兹。转子/AMB/基架系统安装在弹性隔振器上，与地面接触，7赫兹的水平横向模式也很明显。在摩擦接触条件下，这些频率将根据接触力水平进行修改。
图1 转子/主动磁轴承实验装置
图2 实验设施的示意图
3. 应变测量系统
为了在实验上评估转子/轴承系统在动态接触条件下的行为，设计了一种将接触诱导应变与施加的磁轴承力相关联的方法。图3显示了一般方法。这里，是通过AMB系统以频率omega;输入的谐波力分量的矢量，是感应接触力分量的矢量。矢量包含应变测量系统输出的可测量电压分量。矢量包含基于静态校准程序的估计伪动态磁力轴承力分量。输入力和频率相关的标量因子与估计的伪动态磁力轴承力和应用的磁力轴承力分量的规范有关。它允许将估计的中的动态AMB力分量与输入的B中的AMB力分量进行比较。程序步骤包括：
（a）应力测量系统在静态条件下通过施加恒定的磁力进行校准。
（b）然后施加谐波磁力轴承力，并使用静态校准系数估算伪动态力分量。
（c）使用估计的伪动态AMB力范数与应用的动态AMB力范数之比来推导动态标量因子
为了实现图3中的步骤，设计、调试了一个基于应变计测量的系统，并将其安装到转子/AMB测试设施上。该系统设计用于响应转子与转子非驱动端TDB之间的接触，从而在一系列接触条件下提供实验数据。
3.1 结构和传感器和注意事项
有许多类型的传感器可以提供力的相关数据。为了评估转子/接地轴承接触，传感器类型和测量系统设计的选择基于许多考虑因素，包括：
（a）可用于诱导接触的磁力轴承力范围。
（b）接触力分量的测量。这涉及到识别作用在系统上的力、推断其方向和相应阶段的能力。
图3 评估接触诱导动力学的程序
（c）动态测量能力。考虑到接触事件的动态载荷条件，要求该系统能够测量与力相关的数据。
（d）适当的尺寸和安装。包含TDB和测量传感器的系统应具有适当的尺寸，并且设计必须允许在可用于将装置安装在实验装置非驱动端的空间内进行安装。
选择了一种将应变计安装在弹性元件上的设计方案，其优点是能够提供持续稳定的响应，并对接触力作出响应，弹性应变的线性度相对较高。这对于测量持久接触力特别有用。应变计能够在静态和动态载荷条件下测量，并能为所考虑的应用提供足够的频率范围。它们提供了集成到各种系统和设计中的灵活性。
3.2 系统描述
设计了一种具有弹性元件的TDB支撑结构，以承受预期的荷载条件。该系统由一个钢制外壳组成，其中包含一个用作TDB的青铜衬套，由三个作为系统弹性元件的圆柱形铝支撑梁支撑。每根梁长40 mm，半径5 mm。梁上装有应变计，安装在钢结构上。系统宽度为30 m m，因此在转子非驱动端覆盖了2 m转子长度的30 m m。在测量系统位置，钢套筒和轴环安装在转子上，在AMBS控制的转子悬浮下，提供0.35 mm的径向转子/TDB间隙。图4显示了应变测量系统。
梁支架上钢壳和TDB的固有频率在Y方向约为1320 Hz，在X方向约为930 Hz，明显高于转子系统的工作频率范围。这种差异主要是由于两个支撑梁在Y方向的拉伸和压缩时的额外刚度造成的。应变计及其放大器本身的组合带宽超过了两个固有频率；因此，整个应变测量系统的限制是由于机械共振。当磁力轴承关闭时，在垂直方向上使用两个支撑梁也提高了由青铜TDB支撑在非驱动端的转子重量的静态稳定性。两个垂直支撑梁也有助于识别TDB平面内钢壳的垂直和旋转运动
图4 TDB应变测量系统布置图：（a）显示转子带套筒和轴环的照片。
（b）示意图，包括作用在TDB上的转子接触力。
评估接触水平的程序是记录转子/TDB相互作用时应变测量系统的信号。这导致了力的传递，从而导致三个支撑梁的弹性变形。由于转子/TDB接触可能发生在TDB内表面的任何点或角度上，这就要求在多个布置中对梁使用应变计。应变计的布置使梁在拉伸、压缩和弯曲应变下发生偏转。
支撑梁共使用应变计9对，每对3对。每对被连接到一个梁的相对侧在同一位置沿梁的长度，以检测所需的应变。系统设计和应变计布局使系统能够对三个正交力分量敏感，即X和Y径向力分量和转子的Z轴向力分量。连接转子与电机的联轴器具有横向柔性和轴向刚性，因此转子轴向运动（lt;0.01 mm）比转子径向运动小一个数量级（在AMB 2处高达0.75 mm，在应变测量端TDB处高达0.35 mm）。因此，轴向接触力相应地小于影响转子径向运动的径向接触力，因此在图3中的力评估中没有考虑。系统仪表采用全惠斯通电桥和半惠斯通电桥的组合电路，输出9路电压信号。图4（b）显示了连接到梁上的应变计。应变计（A）是两个相同的仪表之一，安装在每根梁的相对侧。这个应变计有两个内置的应变计。第一个测量梁的张力和压缩应变，第二个作为泊松规。因此，每对相对的应变计（A）有四个主动式应变计，它们连接到一个完整的惠斯通电桥，提供与每根梁的张力和压缩相关的应变测量。每根梁上的一对相对应变计（B）连接到半惠斯通电桥电路，提供梁弯曲相关测量，同时拒绝任何梁的张力/压缩应变。这同样适用于每根梁上的应变计对（c），用于测量与轴向平面力矩相关的弯曲应变。
应变计系统的带宽为108Hz，这为结果提供了足够的动态响应。选择了梁的长度和半径尺寸，以便它们能够为相对较小的作用力产生足够的可测量应变，同时还能承受高于工作范围的力，并提供足够的空间安装应变计。
4 .应变测量校准
4.1 方法论
为了建立磁力轴承力和与转子/TDB接触相关的估计力之间的关系，根据磁力轴承施加的输入力校准与转子/TDB接触相关的力分量（图3）。这种关系将提供重要的力数据，可用于未来的转子/TDB相互作用控制。
校准程序考虑了系统提供的9个应变计输出。转子悬浮后，通过AMB 2施加力，以在测量系统处诱导转子/TDB接触力fc（图5）。然后测量应变计产生的电压与两个径向分量中的AMB 2力相关，然后与相位角相关，以实现系统中径向力测量的校准。
应用的AMB 2力fmb表示为由x和y分量组成的2x1旋转力矢量
其中x是由AMB 2施加的强制频率。另外，是力的振幅，是相位角。式（1）的作用力是圆形的，类似于不平衡激励。测量位置x和y分量中相应的接触力矢量写为
假设应变测量系统是线性的，接触力可以通过
其中是校准矩阵，是应变计电压输出信号的9x1电压矢量。在稳定条件下（omega;=0），通过考虑AMB 1位置的力矩，接触力可与施加的AMB 2力相关（见图 5），其中转子被视为通过PID控制作用集中：
将式（4）代入式（3），并且omega;=0，得出Amb 2力为
图5 试验台的示意图（显示了施加在转子上的磁力轴承和接触力）
其中是一个频率相关的校准矩阵，它将施加的AMB 2力与转子/TDB接触时的应变计电压联系起来，定义为
式（5）表示由于施加的AMB 2力和应变测量系统输出电压而进行的静态（omega;=0）校准。
4.2静态测试
采用静态AMB 2力，进行了应变测量系统的标定试验。磁悬浮轴承的应用涡流频率和旋转（电机）频率均设置为零。通过离应变测量系统最近的AMB 2施加不同的力幅和相位角。在试验过程中，AMB 2处的积分控制动作被关闭，而AMB 1处的积分控制动作使转子在其正常工作点集中。由于静态AMB 2施加的力，转子/TDB接触只发生在应变测量系统位置。在100 N至2000 N的一系列输入AMB 2径向力下进行静态试验，8个输入相位角覆盖360度。AMB力振幅表示为
其中n=1，hellip;12，对应于12个输入力振幅。这里，是给定输入振幅当omega;=0时的x和y分量的2x1输入力振幅矢量
适用于8个不同的输入相位角，。对于每个施加的输入AMB力振幅，用omega;=0获得的相应电压信号表示为：
其中是一个9x8矩阵。结合由等式（7）得出的12个矩阵（对应于12个力振幅），得出整体施加的作用力矩阵，该矩阵由12个输入力振幅组成，每个输入力振幅在8个相位角施加，如<!--
全文共14543字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[768]
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
