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磁液双悬浮轴承单自由度支承系统一阶参数灵敏度分析

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机床与液压 2022年第6期50卷 168-173页

作者：李伟楠杨永王进赵建华石家庄海山实业发展总公司河北石家庄050200 燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室河北秦皇岛066004

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。... 详细信息

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λ_(1)^(5)、λ_(1)^(6)、λ_(1)^(3)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a_(5)和液膜厚度参数a_(3)及电磁力主要参数电流a_(6)的2种灵敏度指标明显大于其他参数;流量a_(5)、电流a_(6)分别为系统的第一、第二影响参数。研究结果为磁液双悬浮轴承的参数设计及稳定运行提供参考。

关键词：磁液双悬浮轴承单自由度系统非线性系统灵敏度分析

磁液双悬浮轴承Hopf分岔及全局分岔规律研究

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磁液双悬浮轴承Hopf分岔及全局分岔规律研究

作者：张瀚文燕山大学

学位级别：硕士

磁液双悬浮轴承包含电磁与静压两套复杂系统,其转子的悬浮运行为长时间历程的非线性动力学问题,受诸多系统变量影响,所以采用简化的线性系统研究其动力学行为规律,会出现忽略非线性因素所引起的本质性错误和线性系统无法解释的现象,因... 详细信息

磁液双悬浮轴承包含电磁与静压两套复杂系统,其转子的悬浮运行为长时间历程的非线性动力学问题,受诸多系统变量影响,所以采用简化的线性系统研究其动力学行为规律,会出现忽略非线性因素所引起的本质性错误和线性系统无法解释的现象,因此本文建立轴承转子的非线性动力学方程,拟对其Hopf分岔及全局分岔展开研究,揭示其复杂的非线性动力学行为规律。本文的主要研究内容如下:(1)根据电磁悬浮及静压支承理论,以单自由度径向支承单元为基础,构建轴承转子系统单自由度以及三自由度支承系统非线性动力学方程。(2)以不同初始扰动下的转子位移量为母序列,以稳定悬浮状态下的转子系统运行参数为子序列,进行灰色关联度算法分析,计算转子系统失稳状态下的运行参数灵敏度排序。(3)以单自由度支承系统为研究对象,提取权值第一以及第二的运行参数影响因子;根据Hopf分岔定理,计算单参数变量、双参数变量作用下的转子系统Hopf分岔边界以及运行周期;利用李雅普诺夫方法判断其分岔的稳定性,数值仿真得到转子的时间历程、相轨迹等。(4)以三自由度支承系统为研究对象,提取权值第一以及第二的运行参数影响因子;通过Routh-Hurwitz判据,计算单参数变量、双参数变量作用下的转子系统Hopf分岔边界,数值仿真得到初始大小扰动下,转子的相轨迹、时间历程图、空间相轨迹,探究其Hopf分岔的动力学行为规律。(5)构建正常悬浮/“间隙-碰摩”/电磁故障等三种运行状态下的转子系统无量纲动力学数学方程,数值仿真得到三种运行模式下的转子系统全局分岔、轴心轨迹、时间历程、Poincare映射等,提取转子全局分岔动力学行为特征以及运行参数的影响作用规律。(6)搭建磁液双悬浮轴承系统试验台,提取轴承-转子的位移数据,绘制时间历程图、相轨迹与仿真结果进行对比分析,探究理论计算及数值仿真的正确性。

关键词：磁液双悬浮轴承 Hopf分岔全局分岔间隙-碰摩电磁故障

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磁液双悬浮轴承诊断系统设计与实现

磁液双悬浮轴承诊断系统设计与实现

作者：秦博燕山大学

学位级别：硕士

磁液双悬浮轴承通过电磁悬浮技术与静压支承技术相结合,提高了轴承的承载能力,从而使得其能够稳定运行于中速重载和大支承刚度等工况下。复合调控方式增加了调控难度,同时也使调控系统结构更加复杂化致使系统故障点增多,一旦调控系统发... 详细信息

磁液双悬浮轴承通过电磁悬浮技术与静压支承技术相结合,提高了轴承的承载能力,从而使得其能够稳定运行于中速重载和大支承刚度等工况下。复合调控方式增加了调控难度,同时也使调控系统结构更加复杂化致使系统故障点增多,一旦调控系统发生故障依赖人工检修难以正确快速的判断故障位置,从而导致时间和经济的损失。因此需要借助诊断系统实现对故障的快速定位,以便能够快速对系统故障进行维修及时止损。本文以磁液双悬浮轴承的调控系统故障为研究对象,设计和开发调控系统故障诊断模型和诊断系统,实现对系统故障的快速定位并给出合适的解决措施。本文的主要研究内容如下:(1)研究磁液双悬浮轴承的组成和工作原理,并根据轴承故障记录对轴承调控系统中的常见故障的表现进行深入分析,在此基础上对诊断系统的设计需求和思路进行研究。(2)构建轴承调控系统的T-S模糊故障树的模型,将其映射为贝叶斯网络模型,利用贝叶斯网络完成对轴承调控系统的分析,将求得的后验概率和重要度作为诊断系统知识库的基础数据。(3)基于磁液双悬浮轴承的T-S故障树模型和贝叶斯网络结果,选择合适的知识表示和存储的方法将其转化为诊断系统规则,从而完成诊断系统知识库的构建,并对诊断系统推理机制进行研究,运用正向推理完成对推理机进行设计,同时研究解释器并完成诊断系统整体功能的构建。(4)搭建磁液双悬浮轴承故障诊断系统并对系统各模块功能进行可视化展示,将诊断系统用于故障实例,实现帮助检修人员对轴承故障进行快速排查的功能,证明诊断系统的准确性和可靠性。

关键词：磁液双悬浮轴承 T-S故障树贝叶斯网络故障诊断专家系统

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磁液双悬浮轴承尖点突变机理及参数共振分析

磁液双悬浮轴承尖点突变机理及参数共振分析

作者：李胜燕山大学

学位级别：硕士

磁液双悬浮支承系统是采用液体静压支承与电磁悬浮支承两种支承方式相结合而形成的一种全新支承方式,显著提升了轴承系统的承载能力及刚度。由于电磁悬浮支承和液体静压支承两种支承系统均为非线性支承系统,二者之间存在相互干扰、互为... 详细信息

磁液双悬浮支承系统是采用液体静压支承与电磁悬浮支承两种支承方式相结合而形成的一种全新支承方式,显著提升了轴承系统的承载能力及刚度。由于电磁悬浮支承和液体静压支承两种支承系统均为非线性支承系统,二者之间存在相互干扰、互为耦合,加剧了磁液双悬浮轴承的非线性,严重影响了磁液双悬浮轴承系统运行稳定性和可靠性。因此本文主要通过将势函数与该系统突变行为机理相结合的方式建立系统分岔集,研究系统分岔集内的非线性动力学行为;以及运用多尺度分析方法研究关键控制参数对双自由度磁液双悬浮支承系统参数共振特性的影响。主要研究内容如下:(1)首先建立单自由度磁液双悬浮支承系统初始状态以及工作状态非线性数学模型。进而建立双自由度磁液双悬浮支承系统工作状态非线性数学模型。(2)基于工作状态数学模型,建立磁液双悬浮支承系统势函数;结合尖点突变理论,针对轴承系统控制流量q和控制电流i以及油膜厚度h与镀锌层厚度l两组双参数的变化,建立支承系统动力学尖点突变模型,确定系统分岔集,通过Matlab仿真得到系统分岔集内的相轨迹曲线、x-t图对理论计算结果进行验证。(3)分别建立以流量、电流为主参数变量的双自由度磁液双悬浮轴承非线性动力学数学模型,采用多尺度法分析参变系统下次谐波参数共振现象;并分析系统在调谐参数影响下的运行稳定性,研究了次谐波参数共振情况下的振动发生条件及其幅值变化规律,以及双自由度方向电流、流量的变化分别对系统固有频率的影响。(4)以尖点突变机理及参数共振研究为基础,采用电涡流式位移传感器;在磁液双悬浮轴承试验台上开展动力学试验。将试验结果与仿真结果对比分析,验证理论研究的正确性。

关键词：磁液双悬浮轴承势函数尖点突变流量参数振动电流参数振动多尺度法

磁液双悬浮轴承单自由度支承系统解耦控制研究

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机床与液压 2020年第18期48卷 1-8页

作者：赵建华张国基曹俊波高殿荣杜国君燕山大学建筑工程与力学学院河北秦皇岛066604 燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室河北秦皇岛066604 江苏省船海机械先进制造及工艺重点实验室江苏镇江212003

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... 详细信息

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SimuOnd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。

关键词：磁液双悬浮轴承单自由度支承系统力解耦控制类前馈解耦控制器对角阵解耦控制器

磁液双悬浮轴承单自由度支承系统稳定性分析（英文）

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机床与液压 2019年第6期47卷 1-7页

作者：赵建华陈涛王强张斌高殿荣燕山大学机械工程学院河北秦皇岛066004

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... 详细信息

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。

关键词：磁液双悬浮轴承单自由度支承系统稳定性根轨迹法频率法

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磁液双悬浮轴承转子动力学有限元分析

磁液双悬浮轴承转子动力学有限元分析

作者：王梓琦燕山大学

学位级别：硕士

磁液双悬浮轴承是将静压支承理论引入到主动电磁轴承中,设计出的一种以电磁悬浮为主、静压支承为辅的新型复合轴承,主要包括电磁悬浮与液体静压支承两套系统,其能够将电磁悬浮系统与液体静压支承系统的优势集于一身,具有承载能力强、刚... 详细信息

磁液双悬浮轴承是将静压支承理论引入到主动电磁轴承中,设计出的一种以电磁悬浮为主、静压支承为辅的新型复合轴承,主要包括电磁悬浮与液体静压支承两套系统,其能够将电磁悬浮系统与液体静压支承系统的优势集于一身,具有承载能力强、刚度大、阻尼特性强、冷却性能好、稳定性与可靠性高等优点,特别适合于中速重载、高可靠性、高稳定性、长服役寿命的作业工况及场合。首先由于磁液双悬浮轴承的液膜厚度仅为电磁悬浮轴承气隙的1/10,且取消了传统的保护轴承,因此对轴承的支承性能以及转子的动力学特性提出了较高的要求。其次通过对磁液双悬浮轴承支承特性的参数化分析来获取优良的转子动力学特性,避免转子与轴承定子、机匣发生碰撞。最后针对碰撞状况,对转子的瞬态动力学特性进行深入研究,以降低碰撞造成的损害。本文主要研究内容如下:(1)介绍了磁液双悬浮轴承的支承机理,以麦克斯韦电磁场理论与静压支承理论为基础,构建了单自由度支承系统数学模型以及转子的五自由度动力方程,为后续的转子动力学有限元分析提供理论和计算基础。(2)对单自由度支承系统的数学模型进行线性化处理,得到了磁液比例系数K、流量q、液膜厚度h与径向支承等效刚度k、等效阻尼c之间的映射关系;通过有限元软件进行模态分析、谐响应分析,得到等效刚度k、等效阻尼c对转子固有频率、固有频率下响应幅值的影响规律;最终分析得到K、q、h与转子固有频率、固有频率下响应幅值之间的规律。(3)计算双参数影响下的径向支承等效刚度k、等效阻尼c的变化规律,以此为基础通过有限元软件进行模态分析、谐响应分析,分别得到磁液比例系数K与流量q、磁液比例系数K与液膜厚度h、流量q与液膜厚度h双参数影响下转子固有频率、固有频率下响应幅值的规律。(4)根据转子的五自由度动力方程,推导碰撞状态下转子的瞬态动力方程,通过有限元软件进行瞬态动力学分析得到转子位移响应、轴心轨迹以及应力分布状况,最终分析得出径向激励的峰值以及径向激励的次数与转子瞬态动力学特性之间的规律。(5)以压电式加速度传感器系统为试验手段,以磁液双悬浮轴承试验台为试验对象,通过压电式加速度传感器系统测量磁液双悬浮轴承试验台各组参数下的固有频率及其响应幅值,与仿真结果形成对比分析。

关键词：磁液双悬浮轴承转子动力学特性磁液比例系数流量液膜厚度模态分析谐响应分析瞬态动力学分析

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磁液双悬浮轴承“间隙-碰摩”动力学行为

磁液双悬浮轴承“间隙-碰摩”动力学行为

作者：闫伟东燕山大学

学位级别：硕士

磁液双悬浮轴承是一种以电磁悬浮为主,静压支承为辅的新型悬浮轴承,能够大幅度提高承载能力及刚度,适用于中速重载、高运行稳定性的场合。由于其液膜厚度比传统电磁轴承气隙缩小了近10倍,且存在转子偏心、裂纹、弯曲、装配不当等因素,... 详细信息

磁液双悬浮轴承是一种以电磁悬浮为主,静压支承为辅的新型悬浮轴承,能够大幅度提高承载能力及刚度,适用于中速重载、高运行稳定性的场合。由于其液膜厚度比传统电磁轴承气隙缩小了近10倍,且存在转子偏心、裂纹、弯曲、装配不当等因素,极易导致转子与定子之间的“间隙-碰摩”故障,引发磁极组镀层磨损现象,降低轴承的运行稳定性。因此本文拟对轴承支承系统“间隙-碰摩”和镀层磨损状态下的动力学行为进行研究,揭示其运动规律及调控策略。本文主要研究内容如下:（1）针对磁液双悬浮轴承“间隙-碰摩”问题,根据麦克斯韦电磁理论、静压轴承支承理论,推导出电磁悬浮力及其静压支承力的增量表达式,建立二自由度支承系统的动力学数学模型。（2）根据分段线性碰摩力模型,建立二自由度支承系统的“间隙-碰摩”动力学方程,采用四阶Runge-Kutta法模拟转子偏心比、转速以及偏心比、转速复合平面对转子位移“间隙-碰摩”行为的影响作用规律。（3）针对磁极组镀层磨损情况,提出了一种磁极组镀层磨损量的软测量方法,分析了不同磨损状态下的轴承转子系统的支承性能,建立了不同磨损状态下的二自由度“间隙-碰摩”动力学方程,模拟了磨损状态对转子位移及其碰摩行为的影响规律,探索了能够令轴承转子系统支承性能再恢复的电磁控制策略。（4）根据分段线性碰摩力模型,建立了四自由度转子碰摩无量纲微分方程,模拟了转速、偏心比对转子轴承处及转子转盘处位移的碰摩影响规律,研究了转子轴承处与转子转盘处发生分岔及碰摩复合区域。（5）根据提出的一种磁极组镀层磨损量的软测量方法进行实验验证,通过3组不同外径的导磁套来定性研究磁极组镀层的磨损情况。

关键词：磁液双悬浮轴承间隙-碰摩镀层磨损支承性能调控策略分岔与混沌

磁液双悬浮轴承多自由度解耦与抗干扰控制研究

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磁液双悬浮轴承多自由度解耦与抗干扰控制研究

作者：曹俊波燕山大学

学位级别：硕士

磁液双悬浮轴承采用电磁悬浮与液体静压两种混合支承形式,具有承载能力强、支承刚度大、无摩擦磨损、调节响应快速、主动控制性好的优点。但由于其数学模型复杂及非线性、磁液两系统承载力耦合、控制器复杂等难点,会影响磁液双悬浮轴承... 详细信息

磁液双悬浮轴承采用电磁悬浮与液体静压两种混合支承形式,具有承载能力强、支承刚度大、无摩擦磨损、调节响应快速、主动控制性好的优点。但由于其数学模型复杂及非线性、磁液两系统承载力耦合、控制器复杂等难点,会影响磁液双悬浮轴承的稳定性与控制精度。因此,本文推导了五自由度磁液双悬浮轴承的数学模型,重点研究了其多自由度集中复合抗干扰与解耦控制系统。本文主要研究内容:（1）分析了磁液双悬浮轴承的机械结构、承载机理及控制调节原理,结合五自由度间的内在耦合规律以及控制精度要求,建立了径向四自由度集中控制及轴向单自由度分散控制系统的线性化动力学模型及状态空间方程。（2）针对轴向单自由度支承系统,建立了离散广义扩张状态观测器（GESO）抗干扰控制器,实时估计匹配（或不匹配）外干扰力引起的不确定性扰动,通过状态反馈法对轴向支承系统极点配置,利用反馈干扰补偿增益对外干扰力抑制消除。考虑采样周期,仿真验证离散GESO抗干扰控制器的控制精度及其抗干扰能力。（3）采用线性二次型最优控制状态调节器（LQ）和广义扩张状态观测器（GESO）构成用于径向四自由度支承系统集中控制的复合抗干扰控制器,并对比了不同转速下LQ控制的状态调节效果,仿真验证复合抗干扰控制器对不同类型干扰力的补偿抑制效果与控制精度。（4）研究了径向四自由度支承系统之间耦合干扰机理,并将其视为系统内部干扰,与外干扰力一起构成集总扰动;构造四个GESO解耦控制器,精确观测每个自由度上的集总扰动,并结合反馈干扰补偿增益对集总扰动补偿解耦,仿真分析对径向四自由度支承系统的解耦效果以及动态调节性能。

关键词：磁液双悬浮轴承线性二次型最优控制状态调节器（LQ）广义扩张状态观测器（GESO）状态反馈法解耦控制