碰摩转子的相位特征及其控制方法研究

admin · 发表于 2022-8-30 15:21:12

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转子系统的碰摩是旋转机械中的常见故障之一，作为一种主要的非线性故障，其振动具有强非线性特性，它直接影响到这类机械设备的正常运转。随着转子转速的不断提高以及新型材料的日益推广使用，系统的非线性特性表现得更加突出。因此，开展碰摩转子系统动态特征的分析，解释碰摩的机理并最终控制碰摩对这类机械设备的结构优化设计和安全稳定运行是很有必要的。对机械系统振动的描述，通常选择位移和速度作为系统的状态变量。然而，系统振动的振幅和相位也是描述系统振动的重要变量。振幅和相位能够描述一些位移和速度不能描述的系统振动特征。因此，本文从相位角度分析了碰摩转子动力学行为，得到了碰摩转子动力学行为的相位特征，并运用此特征对转子的碰摩进行了控制。本文主要工作分述如下：第一章介绍了本论文的研究目的及意义、国内外有关碰摩转子动力学模型、非线性动力学行为以及转子系统振动控制的主要工作。第二章介绍了一些相关的理论知识。首先介绍了碰摩转子振动特性分析的相关知识，然后介绍了非线性系统的反馈线性化理论，最后介绍了脉冲控制的相关理论。第三章用数值方法和实验方法研究碰摩转子的相位特征并用此特征解释了刚度增加现象的机理。研究结果表明，该现象的机理在于，转子与定子的接触使得激励与振动响应保持同相，即小于$pi/2$。第四章对上一章得到的结果进行了理论证明。采用一般的Jeffcott碰摩转子模型，理论证明了，发生稳态全局碰摩时，该现象具有确定的相位特征，即激励与响应的相位差随着转速的增加逐渐接近$pi/2$。当激励与响应的相位差略微大于$pi/2$后，相位突然转迁到接近$pi$。并数值分析了全局碰摩失稳后的系统运动状态的相位特征。第五章基于得到的碰摩转子相位特征，通过主动的辅助轴承对转子碰摩采取主动控制。此控制设计的关键在于利用碰摩转子的相位特征找到转子非碰摩运动的吸引域，从而确定控制目标。当转子与定子处于接触状态时，施加控制，把转子控制到期望目标后，关闭控制力。最后，转子稳定到非碰摩运动状态。第六章对碰摩转子采取脉冲控制，消除转子与定子的碰摩。转子激励与响应系统的相位差与振动能量之间的关系解释了用脉冲方法控制碰摩转子的原因。根据相位特征分析，得到了脉冲控制策略。转子与定子接触的同时，对转子施加脉冲。施加几次脉冲以后，转子稳定到非碰摩运动状态。最后用数值方法验证了此种方法的可行性。

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