磁流变液阻尼器_转子_滑动轴承系统稳定性实验研究.docx

磁流变液阻尼器2转子2滑动轴承系统稳定性实验研究汪建晓1, 2光1孟(1 上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室(2 佛山大学思源机电一体化研究所 佛山,上海, 200030)528000)摘 要 通过实验研究了支承在磁流变液阻尼器和滑动轴承上的转子系统在振动主动控制过程中的运动稳定性问题。实验发现, 当转子升速、控制电流稳定时, 随着控制电流的增大, 在一定转速范围内会出现由滑动轴承引起的 油膜涡动和油膜振荡; 而当转速稳定、突然施加或撤除控制电流时, 转子的振动可在短时间内达到新的稳态, 不会发生失稳, 此后, 在一定转速和控制电流条件下转子系统仍会发生失稳; 但采用开关控制抑制转子临界振动时系统能稳定运转。 研究表明, 由控制电流决定的阻尼器支承刚度是影响转子系统稳定性的关键因素。关键词: 转子; 稳定性; 磁流变液; 阻尼器; 滑动轴承中图分类号: O 328磁流变液阻尼器是利用在磁场作用下磁流变液的粘度可作出急剧变化的特性而制成的新型振动控 制元件。文1 报道了一种剪切式磁流变液阻尼器在转子系统振动控制中的应用。研究表明, 这种磁流变 液阻尼器不仅具有明显的阻尼减振效果, 而且具有显著的增加刚度的效果, 因而可以提高系统的临界转速; 借助这种移频作用, 采用开关控制方法可使转 子顺利越过临界转速1 。 在实验过程中还发现转子 系统存在运动稳定性问题。 本文将介绍支承在磁流变液阻尼器和滑动轴承上的单盘悬臂转子系统的运动稳定性实验结果。油混合而成; 颗粒体积分数为 35% 。图 1 实验转子系统示意图实验转子系统简介 1 1实验转子系统和磁流变液阻尼器的结构分别如图 1 和图 2 所示。 磁流变液阻尼器内部具有 3 个移 动盘和 2 个静止盘, 盘间距为 1. 5 mm , 在间隙中充满磁流变液。 移动盘通过弹性支承联结到阻尼器壳体上, 并通过滚动轴承与转轴相联接, 从而只能跟随 转轴涡动而不能自转。 移动盘和磁流变液形成 6 个 相对摩擦表面, 给转轴提供剪切阻尼力。阻尼器内的 线圈通直流电时产生磁场, 对磁流变液的粘度施加控制。 本研究中使用一种自制的磁流变液。 它是由直径为 1 m 左右的羰基铁粉和粘度为 100 c st 的硅图 2 磁流变液阻尼器的结构实验过程2测试的信号包括轴的转速 ( 使用键相光电传感器) 以及悬臂盘在水平和垂直方向的位移 (使用两只 电涡流传感器)。这些信号经旋转机械振动监视及分析系统采集、记录及分析, 可以获得转子在悬臂盘处国家自然科学基金 (编号: 19972054) 及广东省自然科学基金 (编号: 990839) 资助项目。收稿日期: 2001210230; 修改稿收到日期: 2002202225振动工程学报第 16 卷72的轴心轨迹、时域波形、频响曲线和瀑布图等。 为了研究转子系统在各种控制条件下的稳定性, 主要进 行以下三种实验:( 1) 转速瞬态、电流稳态实验: 转子的转速从 0升速到 7000 rm in , 阻尼器分别施加 00. 25 A圆形变化, 没有发生失稳现象, 瀑布图上只有 1X和两种频率成分, 如图 4 (a) 所示。2X0. 5 A0. 75 A 和 1 A 的稳态电流;( 2) 转速稳态、电流瞬态实验: 转子分别在 1500rm in、2000 rm in、3000 rm in、4000 rm in、5000 rm in、6000 rm in、7000 rm in 稳定运转, 阻尼器突 然施加或撤除 1 A 电流;(3) 转速瞬态、电流瞬态实验: 为抑制转子临界振幅, 按开关控制方法在转子升速或降速达到某一 转速时瞬态撤除或施加 1 A 电流。(a)I = 0 A3 实验结果及分析3. 1转速瞬态、电流稳态时的实验图 3 是升速时转子水平方向的频响曲线 ( 基频信号) 随控制电流的变化。 从幅频曲线可见, 当电流(b )I = 015 AI =0.25 A 、0. 5 A时, 系统呈现一定的阻尼减振效果; 当 I = 0. 75 A 、1 A 时, 系统表现出较强的移频效果。 当 I = 0 A 时, 一 阶 临 界 转 速 为 n cr0 = 1600 rm in , 而当 I = 1 A 时, 临界转速提高到 n cr1 = 2500rm in。 这说明随着控制电流增加, 阻尼器内的磁流 变液由液态转变为类固态, 使阻尼器支承由弹性支承逐步向刚性支承靠近, 从而使临界转速增大。(c)I = 1 A图 4 水平方向的振动位移瀑布图( 2) 当 I =0.5 A 、0. 75 A时, 转子的轨迹在一定转速区可出现双椭圆轨迹, 如图5 (a) 所示。由于采样时间超过回转一周的时间, 所以图 5 (a ) 中的轨迹 是多次回转后叠加在一起的, 而且由于还在升速, 所以轨迹也不重合。图 4 (b ) 是出现这种不稳定现象时 的瀑布图。 在转速为 4500 5100 rm in 范围有明显的半频成分 ( 频率为 0. 48X 0. 5X )。 由图 3 可 知, 当 I = 0. 5 A 时临界转速为 2100 rm in。显然在转速的半频与临界转速较为接近时发生了失稳现象。图 3 水平方向的频响曲线(3) 当 I=1 A 时, 转速升到 4600 rm in 以上图 4 是在不同电流时转子升速过程的水平方向振动位移瀑布图。 图中主要存在转子不平衡造成的 基频成分 (1X ) , 还存在转轴初始弯曲引起的小幅度2 倍频成分 (2X )。 经多次反复实验, 发现:(1) 当 I = 0、0. 25 A 时, 转子的轨迹随转速呈椭都 会出现上述 半 频 涡 动 现 象, 且 振 幅 更 大 ( 如 图 5(b ) 所 示) ; 在 6000 rm in 左 右 该 半 频 涡 动 基 本 消 失; 而转速升到 6500 rm in 以上时振幅增加, 轨迹变得紊乱 ( 如图 5 (c) 所示) , 并伴有噪声增大。 图 4( c) 是其瀑布图。 由于此时的临界转 速 为 2500 r第 1 期汪建晓等: 磁流变液阻尼器2转子2滑动轴承系统稳定性研究73m in , 所以, 同样在转速的半频与临界转速较为接近时发生了失稳现象; 而在转速达到 5000 rm in 以后 继续升速时, 半频成分不再随转速变化, 频率保持为42 H z, 恰与此时的临界频率 ( 250060 41. 7 H z) 相 等。 与不发生失稳的同转速情况相比, 失稳后的最大振幅可增大一倍以上; 在频谱曲线上表现为半频分量超过基频分量。 在 6000 rm in 左右半频涡动的消失 表明转子系统在此转速附近存在一个狭窄的稳定区。3. 2转速稳态、电流瞬态时的实验图 6 是 在 几 种 稳 定 转 速 下 施 加 (o n ) 或 撤 除(o ff) 1 A 电流时转子瞬态响应的轨迹图和时域波形(时域波形图上的小圆圈表示键相位)。显然, 在各转 速下其瞬态响应的振幅和相位能迅速从一个稳态转变到另一个稳态, 没有造成不稳定。这些瞬态时间历 程具有一定规律性, 其分析可参看图 3。在图 3 中以I = 0 A 和 I = 1 A 的临界转速 nc r0 和 ncr1 为界, 可将 频响曲线分为三部分, 其特点如下:(a) 油膜涡动 (4800 rm in 附近, I = 0. 5 A )(a) n = 1500 rm in ,I = 1 A o n(b ) 油膜涡动 (5000 rm in 附近, I = 1 A )(b ) n = 2000 rm in ,I = 1 A o n(c) 油膜振荡 (7000 rm in 附近, I = 1 A )图 5 转子失稳的轨迹图综合以上现象, 并根据轴承油膜力引起的转子涡动的特性2 , 可以断定, 实验转子系统出现的不稳 定现象是由滑动轴承引起的油膜涡动和油膜振荡,它们对转子系统的运行具有重大影响。由文3 可知, 弹性支承能显著提高转子系统的 稳定性。 因此, 当使用磁流变液阻尼器时, 随着控制 电流的增大, 磁流变液由液态转变为类固态, 限制了 移动盘的运动, 提高了阻尼器弹性支承的刚度, 但降低了系统的稳定性。(c) n = 3000 rm in ,I = 1 A o ff图 6 转子的瞬态响应(1) 当转速 n n cr0 时, I = 0 A 和 I = 1 A的频响曲线都处于亚临界区。施加或撤除电流时, 相位变化不大, 振动能很快从一个稳态单向增大或减小而直 接达到另一个稳态, 如图 6 (a) 所示。(2) 当 n c r0 n n cr1 时, 两种情况的频响曲线都处于超 临界区。 施加或撤除电流时, 同样由于相位变化不大, 振动也能很快从一个稳态单向增大或减小而直接达到另一个稳态, 如图 6 (c) 所示。虽然在施加 1 A 电流的瞬间均未发生失稳现 象, 但是在系统达到稳态后, 若转速 为 5000 rm in 和 7000 rm in , 转子系统分别会逐渐发生油膜涡动和油膜振荡。 这说明阻尼器支承刚度的增大为油膜失稳的发生创造了条件; 而失稳的发生也需要一定 转速条件和一定的时间来积蓄能量。 显然失稳的转速条件仍是转子半频接近临界转速。 当油膜失稳发生后, 若撤除 1 A 电流, 则失稳现象迅速消失, 这说 明磁流变液迅速从类固态回到液态, 使系统恢复弹性支 承 状 态, 消 除 了 不 稳 定 条 件。 当 转 速 为 6000rm in 时, 施加 1 A 电流到达稳态后未发现转子失 稳, 说明转子在此转速下运转是稳定的, 这与升速实验所得结果 (图 4 (c) ) 是一致的。频曲线。 转子停机的控制方法则与上述相反。 对实验转子系统, 在升速至 1800 rm in 左右切断电源或 降速至 1800 rm in 左右接通电源, 响应的振幅和相位能很快达到新的状态, 没有引起转子失稳1 , 因而转子能顺利越过临界转速。4结论(1) 当转子升速、电流稳态时, 磁流变液阻尼器2转子2滑动轴承系统的稳定性随控制电流的增大而 减小, 这是由于阻尼器支承刚度的增加为油膜失稳提供了必要条件。 开始发生油膜失稳的转速约为临 界转速的两倍。(2) 当转子稳定运转时, 突然施加或撤除控制电 流不会引起系统失稳; 但系统稳定后, 会因较大的阻 尼器支承刚度而逐渐发生油膜失稳。( 3) 开关控制方法能有效抑制转子通过临界转 速时的振动, 而且具有较高的运动稳定性, 是一种很 有应用前景的简单实用的控制方法。3. 3转速瞬态、电流瞬态时的实验参 考 文 献由于磁流变液阻尼器能明显提高临界转速, 因此, 可通过简单的开关控制抑制转子通过临界转速 时的振幅。 具体方法是: 在转子启动时, 先施加 1 A1汪建晓, 孟 光. 磁流变液阻尼器用于转子振动控制的实验研究. 华中科技大学学报, 2001; 29 (7) : 4749钟一谔. 转子动力学. 北京: 清华大学出版社, 198723的电流, 这时响应沿 1 A的幅频曲线 ( 参见图 3) , 过克利宗 A C. 转子动力学弹性支承.社, 1987北京: 科学出版临界之后到达一定转速 ( 即 0 A 和 1 A两条幅频曲线的交点附近) 时切断电源, 则响应就沿着 0 A 的幅Exper im en ta l Study on Sta b il ity of a Ro tor Suppor ted ona M R F lu id D am per an d Sl id in g Bea r in gW a n g J ia n x ia o1, 2(1 S ta te Key L abo ra to ry o f V ib ra t io n, Sho ck & N o ise,M en g G u a n g 1Sh angh a i J iao to ng U n ive r sity Sh angh a i, 200030)(2 S iyuan M ech a t ro n ic s In st itu te, Fo sh an U n ive r sity Fo sh an , 528000)A bstrac t T h e re spo n se stab ility w ith ac t ive v ib ra t io n co n t ro l o f a ro to r sy stem suppo r ted o n a m agne to 2rh eo lo g ica l f lu id dam p e r and a slid ing bea r ing is stud ied exp e r im en ta lly. It is fo und f rom exp e r im en t re su lt s th a t w h en th e ro to r is acce le ra t ing and th e co n t ro l cu r ren t is stab le, th e sy stem can h ave o il w h ir l and o il w h ip in ce r ta in sp eed range cau sed by th e slid ing bea r2 ing. W h en th e ro ta t ing sp eed is stab le and th e cu r ren t is app lied o n o r tak en o ff sudden ly, th e v ib ra t io n o f th e ro to r can reach a new stab le sta te in a sho r t t im e p e r io d and no un stab le co nd it io n o ccu r. B u t af te r th is sho r t t im e th