（机械电子工程专业论文）间隙控制型电磁动力吸振器的研究.pdf

济南大学硕士学位论文 i 摘要 旋转机械的振动问题一直是人们关注的热点。转子振动主要是由转子的不平衡 引起的。转子振动造成机械运转不稳定、旋转精度降低；引起噪声，甚至是破坏性 后果。为了保证转子长期安全稳定运行，需要对转子振动实施主动或被动控制。 针对转子不平衡引起的振动控制，已有一些比较成熟的手段，比如采用磁力轴 承支承，安装阻尼器或电磁动力吸振器装置。传统的电磁动力吸振器的刚度由电流 控制；电磁动力吸振器不用安装在轴承的位置，可以兼顾转子的静、动态特性要求； 不随转子转动，控制方便；具有刚度和阻尼可控、可调的特性，能实现宽频吸振： 外传力很小甚至没有外传力。但是在停电时，电磁动力吸振器会使转子与吸振器产 生碰撞，起不到吸振作用，易发生安全事故，而且在高转速或吸振频率很高的情况 下，需要的控制电流很大。针对这种情况，本文提出了用调整电磁铁与铁芯间初始 间隙的方法来控制吸振器的刚度，该方法称为间隙控制法，同时也提出了采用间隙 控制法的间隙控制型电磁动力吸振器。与传统的电磁动力吸振器相比较，间隙控制 型电磁动力吸振器具备传统电磁动力吸振器的优点：安装位置灵活，不会对机械结 构产生较大的影响；没有外传力，不会将转子系统传给动力吸振器的力传到机座上； 具有刚度可控、可调的特性，可以在较宽频域内吸振。同时，在相同的吸振频率处 所需要的控制电流小，而在相同的电流变化范围内，吸振频率范围宽，即使在停电 情况下，也不会发生安全事故。 首先，系统地分析了课题研究的背景及意义；在国内外研究电磁系统控制转子 不平衡振动现状的基础上，分析了已存在的电磁动力吸振器的优缺点，提出了调整 电磁动力吸振器刚度的间隙控制法和采用该方法的新型电磁动力吸振器间隙 控制型电磁动力吸振器。间隙控制型电磁动力吸振器是一种用于转子振动控制的新 型吸振器，改变吸振器与转子间的刚度可调节吸振器的固有频率；吸振器与转子之 间的刚度由主刚度和附加负刚度组成，主刚度由机械弹簧提供，该刚度不可调，附 加负刚度由电磁力提供，附加负刚度可调，对附加刚度的调节是通过调节吸振器与 铁芯之间的初始间隙和线圈电流来实现的。具体调节方式为：采用间隙控制法对刚 度进行粗调，调节范围宽，再用电流控制法对刚度进行细调，调节精度高，且所需 要的电流小。 i 间隙控制型电磁动力吸振器的研究 其次，详细地阐述了间隙控制型电磁动力吸振器的工作原理，建立了用于控制 转子不平衡振动的间隙控制型电磁动力吸振器一转子系统的动力学模型。 再次，根据间隙控制型电磁动力吸振器的工作原理，借鉴磁力轴承的设计思路， 给出了间隙控制型电磁动力吸振器结构的设计步骤，并设计了适合于转子系统的间 隙控制型电磁动力吸振器结构。 最后，根据建立的间隙控制型电磁动力吸振器一转子系统动力学模型以及动力 吸振器的工作原理，推导了电磁动力吸振器的刚度和阻尼的计算公式，并分析了质 量比、偏磁电流、线圈匝数、磁极面积和初始间隙等因素对电磁动力吸振器固有频 率的影响。 研究表明，由于间隙控制型电磁动力吸振器的刚度可以根据系统的激振频率进 行调节，所以动力吸振器能在宽频域内对转子进行振动控制。采用调整间隙的方式 可以调节电磁动力吸振器与转子间的刚度，且间隙控制型电磁动力吸振器的固有频 率调节范围比传统电磁动力吸振器的频率调节范围大，间隙控制电磁动力吸振器与 传统的电磁动力吸振器相比较，在线圈电流相同的情况下，刚度调节范围可成倍增 加，在相同的吸振频率处，所需要的线圈电流减小，功耗也成倍减少。 关键词：转子；电磁动力吸振器；间隙控制；振动控制；磁力轴承 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ev i b r a t i o no ft h er o t a t i n gm a c h i n e r yi sa l w a y sa ne n g i n e e r i n gp r o b l e m t h e m o s tc o m m o nf a c t o rt h a tc a u s e sv i b r a t i o nt ot h er o t o r si su n b a l a n c e ，w h i c hm a yc a u s e m e c h a n i c a li n s t a b i l i t y , l o wr o t a t i n ga c c u r a c y , n o i s e sa n dd i s a s t r o u sr e s u l t s i no r d e rt o k e e pt h es a f eo p e r a t i o no ft h i sk i n do fm a c h i n e r y , t h ea c t i v eo rp a s s i v ev i b r a t i o nc o n t r o l m e t h o di sa p p l i e d t h e r ea r em a n ys u c c e s s f u lm a c h i n e st oc o n t r o lt h ev i b r a t i o nc a u s e db yu n b a l a n c e ， s u c ha sm a g n e t i cb e a r i n g s ，d a m p e r sa n dm a g n e t i cd y n a m i ca b s o r b e r s m a g n e t i cd y n a m i c a b s o r b e rn e e dn o tb ep l a c e da tt h ep l a c eo fb e a r i n g s ，s ob o t ht h es t a t i cf u n c t i o n sa n dt h e d y n a m i cf u n c t i o n so fr o t o rs y s t e mc a nb ec o n s i d e r e d i tn e e dn o tr o t a t e 、析t hr o t o ra n d c a nb ec o n t r o l l e de a s i l y i ti sa ne l e c t r o m a g n e t i cs y s t e m ，a n dc a nb ec o n t r o l l e da n d a d j u s t e d t h em a g n e t i cd y n a m i ca b s o r b e rc a nc o n t r o lt h er o t o rv i b r a t i o ni nw i d e f r e q u e n c yb a n d ，a n dt h ef o r c ea c t i n go no t h e rs t r u c t u r e si sv e r ys m a l lo rn o te x i s t i n g w h e ne l e c t r i c i t ys u p p l yi sc u to f f , t h ee x i s t e dm a g n e t i ca b s o r b e r sm a yc o l l i d ew i t hr o t o r s ， w h i c hc a u s ea c c i d e n t st ot h em a g n e t i ca b s o r b e r s ，a n dt h e yn e e dl a r g e rc o n t r o lc u r r e n t w h e nt h er o t o r sh a v em u c hh i g hr o t a t i n gs p e e d i nl i g h to ft h i ss i t u a t i o n ，t h i sp a p e r p r e s e n t san e wm a g n e t i ca b s o r b e rw h i c hi sc a l l e dc l e a r a n c ec o n t r o lm a g n e t i cd y n a m i c a b s o r b e r , t h en e wa b s o r b e rh a st h ea d v a n t a g e sw h i c ht h ee x i s t i n gm a g n e t i ca b s o r b e rh a s ， a n di tn e e d sl i t t l ec u r r e n t t h ep o w e rc o n s u m p t i o ni sg r e a t l yr e d u c e d e v e ni tw i l ln o t l e a dt os a f e t ya c c i d e n t si ft h ee l e c t r i c i t ys u p p l yi sc u to f f f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h i sr e s e a r c hi sa n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y an e wm e t h o do ft u n i n gt h es t i f f n e s so ft h em a g n e ti s p r e s e n t e d ，w h i c hi s c a l l e d c l e a r a n c ec o n t r o lm e t h o d ，a n dt h ec l e a r a n c ec o n t r o lm a g n e t i cd y n a m i ca b s o r b e ri s p r o p o s e db a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o ns i t u a t i o no fu s i n ge l e c t r o m a g n e t i cs y s t e mc o n t r o l l i n g r o t o ru n b a l a n c ev i b r a t i o n t h ec l e a r a n c ec o n t r o lm a g n e t i cd y n a m i ca b s o r b e ri san e w d y n a m i ca b s o r b e r ，w h i c hi su s e df o rr o t o rv i b r a t i o nc o n t r o la n dt h en a t u r a lf r e q u e n c yc a l l b er e g u l a t e db yt u n i n gt h es t i f f n e s sb e t w e e nt h er o t o ra n dt h ea b s o r b e r t h es t i f f n e s si s c o n s i s t e do ft w op a r t s ：t h em a i ns t i f f n e s sa n dt h ea d d i t i o n a ls t i f f n e s s t h em a i ns t i f f n e s s 、 间隙控制型电磁动力吸振器的研究 s u p p l i e db ys p r i n gi su n c h a n g e d ，a n dt h ea d d i t i o n a ls t i f f n e s ss u p p l i e db yt h em a g n e ti s t u n a b l ea n dn e g a t i v e w h e nt h ec u r r e n to ri n i t i a lc l e a r a n c eb e t w e e nt h er o t o ra n dt h e m a g n e t i cd y n a m i ca b s o r b e ri sc h a n g e d ，t h es t i f f n e s si sc h a n g e da c c o r d i n g l y i nt h e c l e a r a n c ec o n t r o lm a g n e t i cd y n a m i ca b s o r b e r , t h ei n i t i a lc l e a r a n c ec a nb er o u g h l y a d j u s t e dm a n u a l l y , a n dt h ec u r r e n tc a nb et u n e dt oa d j u s tt h ea d d i t i o n a ln e g a t i v es t i f f n e s s t h ec u r r e n tc a nb er e d u c e da sm u c ha sp o s s i b l e 、析t 1 1t h i sm e t h o d s e c o n d l y , t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h ec l e a r a n c ec o n t r o lm a g n e t i cd y n a m i c a b s o r b e ri se x p o u n d e d ，a n dt h ed y n a m i cm o d e lo fm a g n e t i cd y n a m i ca b s o r b e r - r o t o r s y s t e mu s e dt oc o n t r o lt h er o t o ru n b a l a n c ev i b r a t i o ni se s t a b l i s h e d t h i r d l y , a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo ft h em a g n e t i cd y n a m i ca b s o r b e r , t h ed e s i g n s t e p so ft h em a g n e t i cd y n a m i ca b s o r b e ra r eg i v e n ，a n dt h es t r u c t u r eo ft h ea b s o r b e ri s d e s i g n e db a s e do nt h em e t h o d so fd e s i g n i n gm a g n e t i cb e a r i n g s f i n a l l y , t h ee q u a t i o n so ft h em a g n e t i cd y n a m i ca b s o r b e rs t i f f n e s sa r i dd a m p i n ga r e d e r i v e do nt h eb a s i so ft h es y s t e md y n a m i cm o d e la n dp r i n c i p l eo ft h ed y n a m i ca b s o r b e r t h ei n f l u e n c eo fm a s sr a t i o ，i n i t i a lc l e a r a n c ea n dc u r r e n to nt h ea b s o r b e rn a t u r a l f r e q u e n c yi si n v e s t i g a t e db ys i m u l a t i o n t h es t i f f n e s sc a nb et u n e da c c o r d i n gt ot h e e x c i t a t i o nf r e q u e n c y ，a n dt h em a g n e t i cd y n a m i ca b s o r b e rc a nc o n t r o lt h er o t o rv i b r a t i o n i naw i d ef r e q u e n c yr a n g e t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h em a g n e t i cd y n a m i ca b s o r b e rn a t u r a lf r e q u e n c yc a l lb e t u n e db yr e g u l a t i n gt h ei n i t i a lc l e a r a n c eb e t w e e nt h er o t o ra n dt h ea b s o r b e r , a n dt h et u n e d f r e q u e n c yr a n g ei sw i d e rt h a nt h et r a d i t i o n a lo n e s w h e nc u r r e n ti nt h ec o i lk e ：p t u n c h a n g e d ，t h er a n g eo ft h es t i f f n e s sc a nb em u l t i p l i e d a tt h es a m ev i b r a t i o nf r e q u e n c y , t h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h ec l e a r a n c ec o n t r o lm a g n e t i cd y n a m i ca b s o r b e rc a l lb e r e d u c e dg r e a t l y k e yw o r d s ：r o t o r s ；m a g n e t i cd y n a m i ca b s o r b e r ；c l e a r a n c ec o n t r o l ；v i b r a t i o nc o n t r o l ； m a g n e t i cb e a r i n g s i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 日期：7 咿昌6 ，污 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 脚名彩咿r 6 济南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和现状 许多现代的高速旋转机械，如石油化工冶金行业的离心压缩机、锅炉风机、 发电机组、给水泵等，它们是国家重要企业的关键设备，一般要求这些机械长期 稳定的周期运转。航空航天业的航空发动机，也要求在高转速、大转矩和低噪声 情况下稳定工作。再如制造行业中的各种机床如：车床、磨床、铣床等机械主轴， 经常要求在工作条件恶劣、转速和回转精度都很高的条件下保持良好的工作状 态，然而由于各方面的原因，这些转子不能达到预期的稳定状态，常会产生周期 或非周期的高振幅振动，这些振动会产生巨大的噪声，同时对于机械系统来说， 轻则影响机械的正常运行和机械制造的加工精度，重则引起转子的失稳，引起严 重事故，引发巨大的经济损失和危险后果。同时由于市场竞争的需要，高生产率 和低成本已成为高速旋转机械设计中的主要要求。高生产率必然使转子系统的运 转速度越来越快，转子的惯性力加大，而低成本限制了构件的重量以降低功率， 在两者的综合作用下，转子系统的振动加剧，工作性能降低，并使转子系统的使 用寿命不足。随着科学技术的迅猛发展，在现代企业向大型、特大型方向发展过 程中，旋转机械许多情况下工作在一阶或更高阶临界转速以上，共振的可能性越 来越大，振动问题更加突出，机组振动过大严重影响生产安全和经济效益，这显 然是人们不希望看到的，在机械设计、制造、安装和使用过程中应尽量避免。由 于转子、转子轴和轴承系统的寿命决定了整台机器的寿命，因而转子系统也是决 定整个工作系统性能、可靠性和总体结构完整性的重要因素。近年来，随着工业 的迅速发展，各类旋转机械的单机容量越来越高，使得转子系统的工作转速提高， 转子系统的结构更为轻巧，转子的工作转速可能要超过好几阶临界转速，从而使 转子系统在工作过程中对各种激扰因素十分敏感。各类旋转机械的振动事故频频 发生，造成了极大的损失。因此，对机械高转速、高精度、稳定性能、低噪声等 要求越来越高，研究更为有效的方法来对转子系统的振动进行控制，消除和降低 转子的振动，使转子系统尽量正常运转，是当今转子动力学研究的一个非常重要 的课题，有着重要的现实意义。 引起旋转机械转子振动的因素很多，如转子不平衡、外部载荷的突变、转子 间隙控制型电磁动力吸振器的研究 安装精度、转子支承影响以及不稳定的自激运动等都会使转子产生振动。在这些 因素中，最主要的因素是转子的不平衡【l 】，由于材料不均匀，形状不对称，加工 装配误差等因素，不可避免使转子存在偏心，同时转子在工作过程中还可能产生 热变形以及磨损和介质的粘附现象，这些因素均会导致转子的惯性主轴或多或少 地偏离其旋转轴，产生不平衡量。当机械高速旋转时，由于加速度的存在，会产 生惯性力，这种惯性力会作为动载荷引起转子的挠曲和内应力，导致转子的变形， 产生振动和噪声，致使转子性能下降。由于转子不平衡引起的振动，其振动频率 等于转子的工作频率。为减小转子的不平衡，在转子系统中，一般提高转子的加 工精度来尽可能的在制造环节减小转子的不平衡量，在转子的设计、加工、安装 和使用等环节，将可能引起转子高振幅的因素消除，确实能减小转子的振动，但 在转子的实际运行过程中，会有许多不可预料的原因，如前面所说的磨损和介质 的粘附、叶片的突然脱落等，会导致转子的不平衡量骤然增加，转子振动迅速加 剧，机械的运行状态恶化。因此，通常需要对转子由于不平衡引起的振动实施主 动或被动的控制，以保证转子系统运行的可靠性和安全性。 机械振动控制按所采用的抑制振动手段区分，振动控制方法有五种拉j ： ( 1 ) 消振：即消除或减弱振源，这是治本的方法。 ( 2 ) 隔振：在振源与受控对象之间串加一个子系统称之为隔振器，用它减小 受控对象对振源激励的响应。 ( 3 ) 吸振：又称动力吸振。在受控对象上附加一个子系统称之为动力吸振器， 用它产生吸振力以减小受控对象对振源激励的响应。 ( 4 ) 阻振：又称阻尼减振。在受控对象上附加阻尼器或阻尼元件，通过消耗 能量而使响应减小。 ( 5 ) 结构修改：通过修改受控对象的动力学特性参数使振动满足预定的要求， 这是一种不需附加任何子系统的振动控制方案 振动控制根据是否需要能源区分，可分为有源控制与无源控制，前者又称主 动控制( a c t i v ec o n t r 0 1 ) ，后者又称被动控$ i j t 3 1 ( p a s s i v ec o n t r 0 1 ) 。振动主动控制 是近年来发展起来的一项振动工程领域内的高新技术，是固体力学、自动控制、 计算机、材料及测试技术等多学科的交叉和综合。振动主动控制与被动控制的区 别在于，主动控制是根据振动响应的信息向结构施加控制力来实现动态控制，它 2 济南大学硕士学位论文 需要外部能量、求解复杂。振动主动控制包括开环控制与闭环控制两类，开环控 制是一种程序控制，其控制器的控制律是预先按规定的要求设置的，与受控对象 的振动状态无关；闭环控制则是根据受控对象的振动状态实时的外加控制，主动 振动控制由于存在一个反馈系统，能适应外界干扰和结构本身的不确定性，具有 较强的抑制振动的能力，但是这种控制方法所采用的控制结构较为复杂，外围设 备大，成本高，系统的可靠性低降5 1 。被动控制则是通过改变结构参数，释放自 身潜在能量实现静态控制，它不需要外部能源，求解也比较简单，具有方法简单、 可靠、装置结构简单等特点，在特定场合下减振效果和可靠性较好，得到了广泛 的应用，但控制效果有限，精度不高，对超低频和宽带随机振动难以获得有效的 抑制【6 s l 。而随着科学技术的发展，人们对于机械的工作性能要求也越来越高， 转子系统的振动情况也越来越复杂，被动控制已经不能完全满足需要。对于大型 结构和机械，仅采用主动控制系统时，需要很大的主动控制力，而且实现振动的 主动控制所需的作动器通常价格昂贵、能耗巨大、体积和重量也非常可观，从而 导致主动控制系统的造价提高，有时甚至不易实现；为了提高控制效果，降低控 制系统造价，可以根据不同控制装置的特点，将两种控制方法相结合，通过局部 的、主动调节系统动特性的方法来实现振动控制通常称为振动半主动控制，振动 半主动控制是一种振动系统的参数控制技术，它根据系统输入的变化和对系统输 出的要求，实时调节系统中某些环节的刚度、惯性以及阻尼特性，从而使系统能 获得优良的振动【9 。1 1 】，对振动半主动控制技术的研究可追溯到2 0 世纪9 0 年代【1 2 】， 文 1 3 】中用电磁离合器控制弹性元件的连接和断开，用步进电机调节弹性元件的 间隙，使等效惯性或刚度发生变化，并试验表明，这种半主动吸振器的减振效果 良好。现在半主动控制已用于车辆悬架振动控制、高层建筑物振动控制、拉索的 振动控制等【l 纠6 1 ，但在其它机器上的应用较少，半主动振动控制比主动振动控制 所需能耗低、勿需对原系统作大修改，且更稳定，因为它的控制力由被动系统元 件内部产生，而不必直接产生，半主动控制技术所需的作动器具有价格低、能耗 小等特点，一般其体积和重量也易于被接受，但由于具体条件限制很难将它用于 转子的振动控制。 转子振动主动控制( a c t i v ec o n t r o lo fr o t o rd y n a m i cs y s t e m ) 是指用一定的控 制系统依靠外界能量抑制转子的振动，是振动主动控制的一个分支。转子振动主 间隙控制型电磁动力吸振器的研究 动控制主要研究对象是转子。高速旋转机械如高速高精度机床、涡轮发电机、离 心机等，常处于超固有频率运转，而且，由于转子轴承系统所受的工况和承受的 载荷会因时因地而发生变化，这种变化往往会引起该系统的稳定性下降，振动加 剧，各类高速旋转机械因转子振动事故而造成严重损坏的事件时有发生。如何抑 制振动防止失稳，确保转子运行安全可靠成为急需解决的问题【1 7 。1 引。从实际中所 发生的事故来看，振动过大的原因主要是：平衡恶化，工作转速接近临界转速， 失稳。因而，对于转子系统，振动主动控制中控制力应起以下三种作用：1 、引入 足够的阻尼，衰减各种干扰引起的振动；2 、该变临界转速的位置，使之远离工 作转速，避免共振，减小振动；3 、补偿不平衡力，也就是在一定转速下，增加 转子的支承刚度和阻尼，使转子围绕几何中心旋转，能大大提高转子的旋转精度。 7 0 年代以来，众多的国内外学者开展了对转子振动主动控制的研究，近年也取 得了一些新进展【1 9 出】。转子系统振动控制及系统稳定性己成为旋转机械领域的一 个重要研究方向。其中，大多数研究着眼于引入阻尼，降低越过临界转速时的振 动，以防止失稳。个别研究涉及用控制力补偿不平衡力的问题。作为转子动力学 研究的一个方向性课题，转子振动主动控制能够借助外界提供的能源尽可能地使 转子处于良好的运转状态。在转子振动主动控制中，已用于转子振动控制的装置 主要有以下几种： ( 1 ) 电流变液阻尼器 电流变液( e l e c t r o r h e o l o g i c a lf l u i d ，简e i 讧) 通常是由具有较高介电常数的固 体颗粒分布于具有较低介电常数的绝缘液体中形成的一种悬浮液，现已被采用的 固体粒子有无机非金属粒子、有机半导体材料粒子、高分子有机半导体材料粒子、 复合材料粒子。对于作为介质的基础液体，一般采用硅油、植物油、煤油、矿物 油和卤代烃等。为了改善电流变液的性能还可在其中加入能提高悬浮颗粒稳定性 和表面活性的添加剂，常用的添加剂有水、酸、碱、盐类物质和表面活性剂等【2 弛6 1 。 电流变效应是发展电流变减振技术的基础和科学依据，所谓电流变效应是指电流 变液体的流变性质会随外加电场强度的变化而变化的现象，电流变效应具有下述 特征：l 、可逆性：当电场强度度增加时，电流变液体的粘度会逐步增大，甚至 会出现类似固体的某些属性，但当电场消除后，电流变液体又可由类固态恢复至 液体状态，这种液相和固相之间的转换是可逆的；2 、可控性：在不同的电场强 4 济南大学硕士学位论文 度下，电流变液的流变特性并不相同，因此利用十分容易获得的场强信号就可以 实现对电流变液装置的手动和自动控制；3 、快速响应特性：在外电场作用下， 电流变液体的响应非常灵敏，可在瞬间完成液相和固相之间的转变。电流变液是 一种具有发展前景和工程应用价值的新型智能材料，性能良好的电流变液在电场 的作用下能产生明显的电流变效应，即在液态和固态间进行快速可逆的转化，具 有很大的抗剪切能力，并保持粘度连续、无极变化，整个变化过程仅需几毫秒， 且可控，能耗极小，可与微机结合，实现实时主动控制。电流变液在转子振动控 制中的应用在文献 2 7 1 q 丁首次引入，文中作者用实验验证了电流变液用于转子振 动控制的性能，外加的高电场能抑制转子系统的一阶临界转速，使转子系统减速 后能安全越过临界转速。尽管电流变液阻尼器在临界转速处的控制振动效果很 好，但由于电流变流体的机理相对复杂，电流变液在使用和储存过程中会发生化 学分解或固体颗粒沉淀现象，导致阻尼器稳定性不好，且成本偏高【2 8 j 。流变液 减振器在使用一段时间后需要更换电流变液，这就要求电流变液减振器具有很好 的装配工艺性，如果装配时间过长、工序过繁，则会降低生产效率，提高成本； 另外，电流变液减振器的密封性也是结构设计中应注意的问题，一旦发生泄漏， 不仅会对生产环境造成污染，还会降低减振器的减振性能。 ( 2 ) 磁流变液阻尼器 磁流变液材料是一种智能、新型的功能材料。它主要是由微米级( 1 l o l _ t m ) 高饱和磁化强度的铁磁性细微颗粒、载液及表面活性剂组成的稳定悬浮液体。这 种悬浮体在零磁场条件下呈现出低粘度的流体特性，而在强磁场作用下，则呈现 出高粘度、低流动性特性。磁流变液于1 9 4 8 年被发现，但在那以后的4 0 多年里， 许多企业和研究机构的注意力都集中在磁流变液的应用上，停止了深入的探讨， 在1 9 9 0 年后，才又引起研究者的极大关注1 2 ”2 1 。目前，磁流变液已经应用于研 磨工艺、阀门和密封、家庭健身器、机械手、自动化仪表和采矿等行业。在众多 应用领域当中，研究最多、发展最快的应用领域是汽车座位减振器、刹车器以及 减振驱动器，采用磁流变液制作的减振驱动器，耗能低、响应速度快、结构简单、 阻尼力连续顺逆可调，与微机结合，完成实时主动、半主动控制，是实现汽车和 土木结构智能化振动控制的新一代高性能装置。其工作原理为：调节励磁线圈中 的电流获得不同强度的磁场，使磁流变液在外磁场作用下，其随机分布的磁化微 5 间隙控制型电磁动力吸振器的研究 粒的磁化运动方向大致平行于磁场方向，磁化运动使微粒首尾相连，形成链状结 构和复杂的网状结构，从而使磁流变液的改变减振器的阻尼力 3 3 】。文献 3 4 】设计 了磁流变液阻尼减振器的结构，并制造了测量磁流变液阻尼器减震效果的评价装 置，采用p i e ) 控制方法，对磁流变液阻尼器在建筑结构上的振动控制效果进行 了理论和实验研究，结构表明采用了磁流变液阻尼器的建筑物的振动明显减小。 在专利 3 5 3 6 中，提出了一种用于箱体横向振动主动控制的电磁阻尼器及其安装 方法。汪建晓等人制作了一种剪切式磁流变液阻尼器，通过实验研究了其用于转 子振动控制的特性，取得了一定的效果【3 l 】。但是磁流变液的响应时间长，这限 制了它在反应时间较快的场合的应用，而且具有磁流变液沉降、稳定性差、颗粒 易磨损等缺点，阻尼器存在和电流变液阻尼器同样的问题。 ( 3 ) 挤压油膜阻尼器 挤压油膜阻尼器技术是1 9 世纪7 0 年代初针对航空发动机采用滚动轴承以及 系统阻尼小而振动大的特点而研制的一种弹性阻尼元件，由于其结构简单、体积 较小而被认为是航空发动机发展史上的一个里程碑，挤压油膜技术的开发工作己 有多年历史，但到最近十几年，才在理论上逐渐成形，逐渐形成一门新的技术， 并得以广泛的应用。油膜阻尼的机制基于挤压油膜理论，当平行两板之间充满油 液，并且以一定的相对速度靠近时，由于挤压效应，两板之间将产生一定的压力。 该压力与其靠近速度有关，因而形成了阻尼效应。基于该原理而应用的油膜阻尼， 通过在以一定的频率和振幅作相对运动的两板之间加入一层油膜来吸收其振动 能量来实现的。油膜阻尼装置以具有结构简单、重量轻等优点在转子振动控制中 得以发展和应用，但“阻尼 特别是“油膜阻尼”，理论尚不完善，仍是科技界 甚为关注的前沿难题之一，其中“液膜”的理论性很强，在很多方面还有待深入 研究和应用开发。挤压油膜阻尼器在应用时一旦转子不平衡量超过其限度，系统 会出现涡动，可能会产生比不用阻尼器还差的效果【3 1 7 1 。另外，尽管挤压油膜阻 尼器减振效果明显，但在不平衡量较大时下存在严重的缺陷，一旦设计制造不好 或转子系统的不平衡量超过其限度，就达不到抑制振动的效果【3 5 j 。为了避免出 现这种情况，其中一种措施是在结构上作改进，锥形挤压油膜阻尼器是研究较多 的一种。祝长生等人研究了变参数挤压油膜阻尼器对转子的振动控制，指出适时 调节挤压油膜阻尼器参数可使转子系统前两阶共振振幅大为降低，使转子能平稳 6 济两大学硕士学位论文 e 曼量曼皇曼曼鼍曼曼曼舅曼量曼量曼曼曼皇置曼曼皇曼量量舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼笪笪皇皇曼皇皇曼曼曼曼曼曼量皇量量曼曼曼曼皇曼量量鼍i i i i ! 地通过前两阶固有频率3 9 1 ，但是变参数挤压油膜阻尼器需要一套机械装置来调 整油膜的径向间隙和承载长度。 ( 4 ) 形状记忆合金执行器 形状记忆合金( s h a p em e m o r ya l l o y ，s m h ) 是一种通过热弹性马氏体相变将 热能直接转换为机械能的新型材料，由于s m a 具有优良的阻尼特性和储能特性， 多被应用于减振和控制等方面【4 1 1 。目前s m a 可直接应用于振动控制的特性有以 下方面：形状记忆功能、变刚度特性 4 0 1 。天津大学的竺致文、三澳礼等人运用 现代控制理论中的最优控制方法，引入时变控制和输出反馈控制，用形状记忆合 金执行器对转子振动进行主动控制，并进行了振动的非线性动力学研究【4 2 】。对 形状记忆合金在受压时的力学性能的研究，目前国内外都处于实验研究阶段。究 其原因，是因为目前记忆合金的冶炼存在着一定的困难，能够批量生产的种类只 有丝、条等小尺寸i 小截面型材。而这些型材在受压时易于发生失稳现象，从而 难以对材料的力学性能进行测试，同时，温度条件对此种记忆金属的弹性模量的 影响较大，因此其稳定性相对较差。 ( 5 ) 压电调节器 其基本原理是利用压电材料在电压作用下能够发生伸缩变形的特点对轴承 施加控制力或者改变轴承特性的结构参数以调整和完善轴承的性能。压电调节器 是利用电压信号来控制作用力，因而其特点是可控性好，定位精度高，并具有理 想的高频特性( 1 r h z ) 以_ z 4 3 4 4 。不足之处是压电材料的变形和压电常数都比较 小，因此单位体积所能提供的控制力也较小。 ( 6 ) 电磁阻尼器 电磁阻尼器具有和电磁轴承相似，其具体原理是：电磁阻尼器借助位移传感 器获取转子的振动信号，将转子振动信号输送到微处理器进行分析处理，然后将 所需要的反馈信号通过功率放大器施加到绕线圈上，产生相应的磁力，提供相应 的电磁力阻尼。电磁阻尼器的工作方式是作为一种执行器，它借助于电磁力对转 子进行主动控制，其定子与转子不直接接触，通过电磁力的作用来保证轴的中心 位置，电磁力与转子的位移及线圈内所通过的电流有关，通过调节电流使其按照 某一控制规律变化，用来增加或减少转子系统的阻尼，从而实现对转子系统振动 的抑制，设计合理的电磁阻尼器能有效地控制转子振动，提高系统稳定性【4 5 】。 7 间隙控制型电磁动力吸振器的研究 电磁阻尼的抑致振动的能力主要取决于微处理器控制系统中的程序，借微处理器 对电磁阻尼器的反馈控制，可以达到全工况的振动控制。电磁阻尼器和磁力轴承 两者共同的特点是：非接触、无机械摩擦和磨损、无需润滑、寿命长及刚度、阻 尼可控等，是一种较理想的主动控制装置。两者最大的区别是电磁阻尼器在应用 场合不排除传统的滚动轴承和滑动轴承，它不作为支承，在一定程度上，它只起 到一个辅助轴承的功能。主动控制阻尼器需要附加一套控制系统，结构复杂【似羽。 对电磁阻尼器，国外己有成功的报道。国内也有不少关于这方面的研究。文献 4 9 5 0 实验研究了电磁作动器控制转子的性能，结果显示转子的不平衡振动得到 很好的控制。文献 s h 给出了刚度和阻尼的控制策略。童水光、汪希萱在国内首 次利用电磁阻尼器对转子轴承系统进行振动主动控制，详细推导了电磁阻尼器 的电磁力，用状态空间分析方法对转子系统的振动方程进行解耦，求出了受控转 子系统的振动响应。朱美玲等人自行研制了电磁式作动器，并且对转子轴承系 统进行振动主动控制，通过实验证明，在共振点处采用主动控制后振动量被减小 了8 0 4 9 1 。 总的来说，电磁阻尼器用于控制转子不平衡振动，作为一种振动控制装置， 从本质上说，它只是一种减振装置，在一定程度上控制了转子的不平衡振动，若 能在体积、成本等方面进一步完善，将具有较大的发展和应用潜力。 ( 7 ) 电磁动力吸振器 以上提到的各种减振装置用于控制转子不平衡振动，在一定程度上控制了转 子的不平衡振动，但他们作为一种支承装置或用于减振的辅助支承装置，必须有 安装在机座或其它专门的安装基础上，因此都不能彻底解决外传力的问题，这有 可能将转子的振动传到机座或其安装设备上，引起破坏性更大的振动。但是动力 吸振技术却可以解决这个问题，动力吸振器的原理与一般机械式动力吸振器的原 理一样，它都是在原振系中引入新的系统，采用吸振的方式来抑制振动，但它克 服了传统吸振器吸振频率不可调的缺点，利用电磁力可调的特点，主动地根据振 动状态调整电磁力的大小，达到宽频吸振。由于电磁力可控可调，根据电磁原理 而设计的动力吸振器被广泛的应用与机械的振动控制，如文献【5 2 】提出了一种用 于直线方向振动的固有频率可调的电磁动力吸振器，文献 5 3 5 5 提出了一些用于 直线方向振动的电磁动力吸振器和用于扭转振动的电磁动力吸振器，在专利 5 6 】 8 济南大学硕士学位论文 中也有用于建筑之类的箱体的电磁吸振器。文 5 7 】提出了一种电磁式主动吸振器， 并将之与被动双层隔振系统相结合形成组合减振装置；针对船舶柴油机的振动 特点，开发了自适应控制器，进行了数值仿真及模拟柴油机台架减振效果试验， 试验结果表明该装置对复杂振动具有良好的控制效果【5 s 】。针对转子振动的特殊 情况出现了专门用于转子振动控制的电磁动力吸振器，文 5 9 6 1 l q 丁对这种动力吸 振器并进行了理论分析和具体设计以及仿真分析，证明了该电磁动力吸振器具有 宽频吸振特性。 从已有的研究成果来看，关于采用电磁技术来抑制转子振动的研究在理论上 已经比较深入，在实践中也得到较广泛的应用，但大部分都作为隔振装置，不能 彻底的解决外传力带来的问题，丽采用动力吸振器时，可以解决外传力的问题， 而且关于采用吸振技术来控制转子振动的研究仍然比较少，还有待进一步深入。 1 2 课题研究的目的和意义 通过对磁力轴承的理论以及转子振动控制的背景了解，可知目前磁力轴承应 用现状：主要是作为转子支承装置或用于转子减振的辅助支承装置，虽然能达到 对转子振动的主动控制，但是不能从根本上解决外传力带来到问题，而且控制系 统复杂，功耗较大，可靠性较低，为了防止突然停电还必须设置有保护装置。而 在转子振动控制中，主要控制的是由于转子的不平衡带来的振动；在转子振动控 制方法方面，由于转子系统其本身特殊的动力特性，致使传统的被动式振动控制 方法很难达到令人满意的效果，而主动控制方法所具备的宽频减振功能，使主动 控制成为目前转子振动控制的主要手段，电磁动力吸振器能达到宽频吸振，具有 磁力轴承的优点，不产生外传力，但是，它需要保护装置，通过控制线圈电流调 整动力吸振器刚度，吸振力全部由电磁力提供，吸振频率范围易受到线圈电流的 限制，吸振频率范围较窄，吸振器功耗较大。 因此本文的目的是提出一种控制电磁动力吸振器刚度的新方法，并设计采用 该方法的电磁动力吸振器，使它具有良好的抑制振动和增加转子系统稳定性的效 果。该吸振器不产生外传力，同时它又具有主动式吸振器宽频吸振功能和被动式 吸振器功耗小、结构简单、成本低、实现方便的优点。由于本课题主要是通过调 整电磁动力电磁铁与铁芯间隙的方法来实现的，将它称之为间隙控制型电磁动力 9 间隙控制型电磁动力吸振器的研究 吸振器。应用间隙控制型电磁动力吸振器控制转子不平衡振动，能够较好的解决 转子振动主动控制和被动控制中的一些问题。间隙控制型电磁动力吸振器不用安 装在轴承位置，不会将转子系统传给动力吸振器的力传到机座上；