專利名稱：：磁懸浮軸承金屬橡膠環(huán)組合支承高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)裝置的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明的磁懸浮軸承金屬橡膠環(huán)組合支承高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)裝置，屬于磁懸浮
技術領域：
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背景技術：
：和傳統(tǒng)軸承相比，磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子無接觸，支承功耗小，使用壽命長；不需要潤滑和密封，可長期用于高低溫等特殊環(huán)境中；維護費用低、便于主動控制等等，因而被認為是支承技術的一次革命，是目前唯一投入實用的主動支承裝置。磁懸浮軸承主要用于剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，由于旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子高速、重載、細長發(fā)展的要求，現(xiàn)正逐步擴展到柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。但是，國內(nèi)外相關研究結果表明，將磁懸浮軸承運用于柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)存在著較大的困難。主要原因是磁懸浮軸承的等效剛度及等效阻尼受控制參數(shù)穩(wěn)定區(qū)域的限制，一般比動壓滑動軸承小23個數(shù)量級。在系統(tǒng)接近或越過彎曲臨界轉(zhuǎn)速時，因阻尼過小，轉(zhuǎn)子振幅過大，容易導致系統(tǒng)破壞。因此，針對柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的研究一直是該
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的熱點和難點。為了減小磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動，國內(nèi)外許多文獻從兩方面進行了研究。一是采取同步振動抑制技術，二是運用現(xiàn)代控制理論或魯棒控制理論設計控制方案以提高支承阻尼。但是，同步振動抑制技術難以解決實際柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡振動問題。這是由于轉(zhuǎn)子在亞臨界及超臨界狀態(tài)將產(chǎn)生彎曲變形，不平衡質(zhì)量所引起的振動與轉(zhuǎn)子彎曲變形狀態(tài)有關，遠比剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)復雜，因而目前同步振動抑制技術主要針對剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。國內(nèi)外一些研究結果表明，運用現(xiàn)代控制理論或魯棒控制理論設計合適的控制方案可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，但目前尚不能做到大幅度提高系統(tǒng)在亞臨界及超臨界運行時的支承阻尼，而且研究對象多為實驗系統(tǒng)，實際應用不多。2000年軸承制造著名企業(yè)日本"光洋株式會社"研發(fā)中心研究人員HirochikaUeyama在瑞士舉辦的第7屆磁懸浮軸承國際會議上發(fā)文認為，"盡管一些公開文獻表明，釆用現(xiàn)代控制理論(LQG、H、A理論等)能夠解決這個問題，但這仍然是一個具有挑戰(zhàn)性問題。為了避免這個問題，相關實際應用項目采用剛性轉(zhuǎn)子結構"(HirochikaUeyama,HeliumColdCompressorwithActiveMagneticBearings,Proc.ofthe7'hInt.Symp.onMagneticBearings,Zurich,Switzerland,August2000，1~6)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的，在于將磁懸浮軸承運用于柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，即提供一種振動幅度小、能安全穩(wěn)定越過彎曲臨界轉(zhuǎn)速的磁懸浮高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)裝置。一種磁懸浮軸承金屬橡膠環(huán)組合支承高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)裝置，包括轉(zhuǎn)子組件、徑向磁懸浮軸承組件、軸向磁懸浮軸承組件和驅(qū)動電機，其中徑向磁懸浮軸承由徑向磁懸浮軸承座支撐，其特征在于所述徑向磁懸浮軸承座通過金屬橡膠環(huán)由金屬橡膠環(huán)座支撐。一般磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)子組件、徑向磁懸浮軸承組件、軸向磁懸浮軸承組件和驅(qū)動電機組成。在合適控制參數(shù)作用下，磁懸浮軸承對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生合適的支承剛度與支承阻尼以支承轉(zhuǎn)子。由于控制參數(shù)穩(wěn)定區(qū)域有限，磁懸浮軸承支承阻尼的選擇受到限制。本發(fā)明裝置在一般磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的基礎上，將徑向磁懸浮軸承支承在具有合適支承剛度與支承阻尼的金屬橡膠環(huán)上。這種組合支承型式可明顯降低轉(zhuǎn)子越過彎曲臨界轉(zhuǎn)速時的振動。其中支撐剛度及支撐阻尼通過有限元分析、試驗模態(tài)分析及實際系統(tǒng)的高速旋轉(zhuǎn)實驗等方法確定。磁懸浮軸承與轉(zhuǎn)子無接觸，具有傳統(tǒng)軸承無可比擬的優(yōu)點。但在前述中提到，目前這種支承型式所能提供的阻尼較小，不易滿足實際柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的需要。而傳統(tǒng)軸承、擠壓油膜阻尼器等一般需要潤滑、冷卻等環(huán)節(jié)，造成系統(tǒng)體積及重量增加，可靠性降低；同時也不適合超高轉(zhuǎn)速、高溫、高壓、高真空、超低溫等特殊工作環(huán)200810155135.X說明書第3/7頁境或條件。金屬橡膠材料及制備方法是現(xiàn)有技術。它是一種均質(zhì)的彈性多孔材料，是用一定的工藝方法，將一定質(zhì)量的、拉伸開的、螺旋狀態(tài)的金屬絲有序地排放在沖壓或碾壓模具中，然后用冷沖壓或者碾制的方法成型的。這種材料既具有所選金屬的固有特性(耐高低溫、抗腐蝕等)，又具有普通橡膠的彈性。釆用金屬橡膠制成的隔振器具有很高的動靜態(tài)強度，在高真空、高低溫條件下能正常工作，而且保存期不受限制，從而克服了橡膠隔振器隨時間老化這一致命弱點，其阻尼比可達0.35。是解決高溫、高壓、高真空、超低溫等特殊環(huán)境下阻尼減振這一難題的新型阻尼裝置。但金屬橡膠減振裝置與被減振對象有接觸，不適合支承高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。為了克服單一支承型式的固有缺點，本發(fā)明提出將磁懸浮軸承支承在金屬橡膠環(huán)上，構成磁懸浮軸承金屬橡膠環(huán)組合支承組件。該支承組件可以克服單一支承型式的固有缺點，充分發(fā)揮磁懸浮軸承和金屬橡膠環(huán)各自的優(yōu)點，既保持支承的無接觸性、主動可控性，同時使支承具有較好的阻尼性能。通過改進磁懸浮軸承的控制技術，并利用金屬橡膠環(huán)產(chǎn)生的附加阻尼，可以降低轉(zhuǎn)子的振幅，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減輕磁軸承為抑制轉(zhuǎn)子振動所付出的代價，使磁懸浮轉(zhuǎn)子能夠安全穩(wěn)定越過系統(tǒng)的彎曲臨界轉(zhuǎn)速。另外磁懸浮軸承和金屬橡膠均能夠在50(/C高溫下工作，這種組合支承型式可以解決高溫、高壓、高真空、超低溫等特殊工作環(huán)境或條件對傳統(tǒng)支承型式的限制。圖1為組合支承裝置的機械結構圖。圖1中標號名稱1為軸向傳感器組件(兩端)，2、7為徑向組合支承組件(含金屬橡膠環(huán)、磁懸浮軸承及徑向傳感器)，3為基座，4為軸向磁懸浮軸承組件，5為高頻電機組件，6為轉(zhuǎn)子組件。圖2為徑向組合支承組件結構圖。圖2中標號名稱7為徑向傳感器，8為徑向磁懸浮軸承座，9為金屬橡膠環(huán)座，IO為金屬橡膠環(huán)，ll為徑向磁軸承，12為保護軸承。圖3為組合支承高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)裝置激振實驗所得原點頻響函數(shù)。圖3中標號名稱Linel、LineS為第S節(jié)點原點頻響函數(shù)相頻圖、幅頻圖，Line2、Line4為第10節(jié)點原5點頻響函數(shù)相頻圖、幅頻圖。圖4為組合支承高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)裝置激振實驗所得跨點頻響函數(shù)。圖4中標號名稱Line5、Line7為第6節(jié)點對第l0節(jié)點跨點頻響函數(shù)相頻圖、幅頻圖，Line6、Line8為第10節(jié)點對第6節(jié)點跨點頻響函數(shù)相頻圖、幅頻圖。圖5為組合支承高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)裝置激振實驗所得前3階振型圖。圖6為距右端徑向組合支承組件(參見圖l)對稱中心157mm(第W節(jié)點)處轉(zhuǎn)子不平衡響應的分析結果。圖7為距右端徑向組合支承組件(參見圖l)對稱中心157mm(第57節(jié)點)處轉(zhuǎn)子同頻振動的實測結果。具體實施例方式結合圖l所示，本發(fā)明裝置包括軸向傳感器組件l(兩端)，徑向磁軸承與金屬橡膠環(huán)組合支承組件2、7,基座3，軸向磁軸承組件4，高頻電機組件5，轉(zhuǎn)子組件6。本發(fā)明裝置在一般磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的基礎上，改進了徑向磁懸浮軸承結構，在徑向磁懸浮軸承外包圍一層合適的金屬橡膠環(huán)。為了保證接觸可靠，可將磁懸浮軸承與金屬橡膠環(huán)置于同一個機座腔內(nèi)，具體結構如圖2。徑向磁懸浮軸承結構參數(shù)如表l:表1徑向磁懸浮軸承結構參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>軸向磁懸浮軸承結構參數(shù)如表2:表2軸向磁懸浮軸承結構參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>磁懸浮軸承控制參數(shù)如表3:表3<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>系統(tǒng)試驗模態(tài)分析建立磁懸浮軸承金屬橡膠環(huán)組合支承高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)裝置(圖1)(注拆除金屬橡膠環(huán)即為一般磁懸浮軸承高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)裝置)。轉(zhuǎn)子在上述參數(shù)下穩(wěn)定懸浮，通過激振實驗，可獲得系統(tǒng)模態(tài)頻率、模態(tài)阻尼、模態(tài)振型等動態(tài)性能參數(shù)，預測系統(tǒng)的運行狀況。在轉(zhuǎn)子上布置12個激振點與2個拾振點，采用多參考點錘擊法分析含或不含金屬橡膠環(huán)系統(tǒng)裝置的動態(tài)性能。2個拾振點分別為第6、10點。實驗采用法國0R0S公司的OR34四通道動態(tài)信號測試分析儀、美國PCB公司的力錘及ICP加速度傳感器。數(shù)據(jù)分析采用南京航空航天大學"動態(tài)測試與分析中心"開發(fā)的模態(tài)分析軟件。對磁懸浮軸承金屬橡膠環(huán)組合支承高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)裝置進行激振實驗中，可獲得原點、跨點頻響函數(shù)分別如圖3、圖4所示。由圖4可知實驗結果精確度較高。對一般磁懸浮軸承高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)裝置進行激振實驗所得原點、跨點頻響函數(shù)與圖3、圖4類似。通過復模態(tài)指示因子法等方法，可獲得兩種系統(tǒng)裝置前3階模態(tài)頻率如表5,前3階模態(tài)阻尼如表6。由表6可以看出，增加金屬橡膠環(huán)后，系統(tǒng)在第一階彎曲模態(tài)頻率處的模態(tài)阻尼明顯增加，有利于系統(tǒng)越過彎曲臨界轉(zhuǎn)速。表5各階模態(tài)頻率(Hz)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>系統(tǒng)理論分析當系統(tǒng)可近似看作線性系統(tǒng)時，轉(zhuǎn)子各節(jié)點振動相似，相位相同。因此可通過分析轉(zhuǎn)子某一節(jié)點(非振型節(jié)點)的振動獲得轉(zhuǎn)子的整體振動情況。將轉(zhuǎn)子簡化為具有n個集總質(zhì)量及集總轉(zhuǎn)動慣量的節(jié)點模型。各節(jié)點間用不同的無質(zhì)量等截面彈性軸段來連接。對系統(tǒng)進行不平衡響應的分析，必須已知轉(zhuǎn)子不平衡量的大小及其分布規(guī)律。然而對一個轉(zhuǎn)子而言，這些量卻是未知的。因此不平衡響應的分析主要用于研究轉(zhuǎn)子對在某些位置上不平衡量的敏感程度，或者在給定不平衡量情況下，通過計算在不同轉(zhuǎn)速下的不平衡響應，來確定轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。假設各節(jié)點的不平衡量e,.分布在同一個平面上，且有~.=5><10—6(m)。在上述控制參數(shù)下，采用MATLAB軟件對含或不含金屬橡膠環(huán)系統(tǒng)裝置進行分析。距右端徑向組合支承組件(參見圖1)對稱中心157mm(第57節(jié)點)處轉(zhuǎn)子不平衡響應的分析結果如圖6所示(可與高速旋轉(zhuǎn)實驗結果進行對比)。由圖6可以看出，增加金屬橡膠環(huán)可以明顯降低轉(zhuǎn)子在第一階彎曲固有頻率(約60Hz)處的振動，保證系統(tǒng)平穩(wěn)越過第一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)高速旋轉(zhuǎn)實驗參數(shù)與前述相同，在含或不含金屬橡膠環(huán)兩種狀態(tài)下，將轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮，并通過內(nèi)置高頻電機帶動轉(zhuǎn)子由Or/rain穩(wěn)定運行至7800r/min(130Hz)。系統(tǒng)運行過程中，轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速由光電傳感器測量，轉(zhuǎn)子的同頻振動由35670A動態(tài)信號分析儀根據(jù)電渦流傳感器輸出實時獲得。電渦流傳感器的靈敏度為6xlO—5m/V。在距右端徑向組合支承組件(參見圖1)對稱中心157mm(第57節(jié)點)處布置電渦流傳感器，測得該位置轉(zhuǎn)子的同頻振動隨轉(zhuǎn)速變化如圖7所示。由圖7可以看出增加金屬橡膠環(huán)后，轉(zhuǎn)子在60Hz附近(第一階彎曲模態(tài)頻率處)的振動明顯降低。這說明增加金屬橡膠環(huán)提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能，有利于系統(tǒng)安全穩(wěn)定越過第一階彎曲臨界轉(zhuǎn)速。權利要求1、一種磁懸浮軸承金屬橡膠環(huán)組合支承高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)裝置，包括轉(zhuǎn)子組件、徑向磁懸浮軸承組件、軸向磁懸浮軸承組件和驅(qū)動電機，其中徑向磁懸浮軸承由徑向磁懸浮軸承座支撐，其特征在于:所述徑向磁懸浮軸承座通過金屬橡膠環(huán)由金屬橡膠環(huán)座支撐。全文摘要一種磁懸浮軸承金屬橡膠環(huán)組合支承高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)裝置，屬于磁懸浮
技術領域：
。包括轉(zhuǎn)子組件、徑向磁懸浮軸承組件、軸向磁懸浮軸承組件和驅(qū)動電機，其中徑向磁懸浮軸承由徑向磁懸浮軸承座支撐，其特征在于所述徑向磁懸浮軸承座通過金屬橡膠環(huán)由金屬橡膠環(huán)座支撐。本發(fā)明的磁懸浮軸承金屬橡膠環(huán)組合支承組件，可以有效降低轉(zhuǎn)子在越過第一階彎曲模態(tài)頻率時的振動，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。這一技術方案簡單易行，效果好。旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子高速、重載、細長發(fā)展的要求，使機械的動力學問題日益突出，本發(fā)明的研究結果能為解決相關實際問題提供思路與借鑒。文檔編號F16C32/04GK101382168SQ20081015513公開日2009年3月11日申請日期2008年10月15日優(yōu)先權日2008年10月15日發(fā)明者徐龍祥,朱如鵬,謝振宇,黃佩珍申請人:南京航空航天大學