混合阻尼系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)械設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動抑制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 阻尼器是安裝在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上，可為結(jié)構(gòu)提供運(yùn)動阻力，消減運(yùn)動能量的裝置。在不 同的工作位置及工作環(huán)境中，阻尼器的結(jié)構(gòu)和原理有區(qū)別。目前獲得應(yīng)用的阻尼器包括： 彈簧阻尼器、液壓阻尼器、脈沖阻尼器、旋轉(zhuǎn)阻尼器、風(fēng)阻尼器、粘滯阻尼器以及電磁阻尼器 等。
[0003] 對高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，尤其是豎直安裝的輕載高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，擠壓油膜阻尼器能夠較 好的降低轉(zhuǎn)子通過臨界轉(zhuǎn)速時的振動幅度，是一項關(guān)鍵技術(shù)，所謂擠壓油膜阻尼器是指由 阻尼體的運(yùn)動和徑向運(yùn)動所產(chǎn)生的油膜的擠壓和剪切作用而有效抑制振動的阻尼器。
[0004] 在高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，由于阻尼器的存在，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動能量得到衰減，運(yùn)行經(jīng)過 臨界轉(zhuǎn)速時共振振幅下降，系統(tǒng)能夠提供運(yùn)行的穩(wěn)定性。根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的大小是否達(dá)到彎 曲臨界轉(zhuǎn)速，高速轉(zhuǎn)子又分為超臨界、亞臨界轉(zhuǎn)子。對亞臨界轉(zhuǎn)子，當(dāng)阻尼器的阻尼系數(shù)為 一特定值時轉(zhuǎn)子振動的能量耗散最大，這一特定值稱為最佳阻尼。最佳阻尼與轉(zhuǎn)子和阻尼 器的連接剛度、阻尼器剛度、阻尼器約束頻率及轉(zhuǎn)子約束頻率等因素有關(guān)。而根據(jù)高速轉(zhuǎn)子 設(shè)計中的頻率匹配原則，當(dāng)阻尼器的約束頻率越靠近系統(tǒng)的某一階模態(tài)的頻率時，對應(yīng)該 模態(tài)的等效阻尼系數(shù)最佳值越大。所以理想情況下，對亞臨界轉(zhuǎn)子，阻尼器最佳參數(shù)應(yīng)當(dāng)滿 足阻尼等于最佳阻尼，并且約束頻率等于轉(zhuǎn)子的約束頻率。對于超臨界轉(zhuǎn)子，由于其模態(tài)頻 率多，阻尼器需兼顧轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的各個模態(tài)，才能使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)行。而對于每一種模態(tài)，理 論上阻尼器仍然存在一個最佳阻尼。
[0005] 油膜阻尼器具有簡單易用的特點(diǎn)，但其阻尼參數(shù)調(diào)整與優(yōu)化均存在困難，并且無 法在線進(jìn)行。尤其在轉(zhuǎn)子超臨界運(yùn)行時，油膜阻尼器難以滿足同時抑制不同模態(tài)振動的需 求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于此，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種混合阻尼系統(tǒng)及其 控制方法，在傳統(tǒng)油膜阻尼器基礎(chǔ)上，增加電磁主動控制機(jī)構(gòu)，可以有效提升阻尼器的性 能。
[0007] 為了實現(xiàn)此目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為如下。
[0008] 一種混合阻尼系統(tǒng)，包括一端連接至轉(zhuǎn)子的彈性桿、位移傳感器、阻尼體、電磁鐵、 油杯和控制裝置，其中阻尼體為鐵磁性阻尼體，且有，
[0009] 彈性桿另一端連接至阻尼體；
[0010] 阻尼體浸泡在注有阻尼油的油杯中；
[0011] 位移傳感器位于阻尼體和/或轉(zhuǎn)子附近，用于測量阻尼體和/或轉(zhuǎn)子的位移量，將 位移量傳輸給控制裝置；
[0012] 控制裝置根據(jù)位移量，控制電磁鐵的電流；
[0013] 電磁鐵對阻尼體施加電磁力。
[0014] 其中所述混合阻尼系統(tǒng)還包括轉(zhuǎn)速傳感器，所述轉(zhuǎn)速傳感器用于測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn) 速，將轉(zhuǎn)速傳輸給控制裝置，控制裝置根據(jù)位移量和轉(zhuǎn)速，控制電磁鐵的電流。
[0015] 所述電磁鐵為八磁極四對極形式，每個對極由一個N級與一個S級組成，且每個對 極共同產(chǎn)生一個方向的電磁力。
[0016] 另外所述油杯為環(huán)氧樹脂制成。
[0017] 特別地，所述控制裝置為電磁鐵輸入靜態(tài)電流，測量阻尼體的負(fù)剛度，并根據(jù)負(fù)剛 度確定控制裝置的比例增益；
[0018] 控制裝置根據(jù)不同轉(zhuǎn)速范圍下的位移量，確定控制裝置的微分增益；
[0019] 控制裝置利用控制裝置的比例增益和微分增益，以及位移傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器測 量的位移量和轉(zhuǎn)速，控制電磁鐵的電流，以對阻尼體施加電磁力。
[0020] 一種混合阻尼系統(tǒng)的控制方法，所述控制方法包括以下步驟：
[0021] A、確定電磁鐵輸入靜態(tài)電流的情況下阻尼體的負(fù)剛度；
[0022] B、根據(jù)阻尼體的負(fù)剛度，確定控制裝置的比例增益；
[0023] C、根據(jù)轉(zhuǎn)子不同轉(zhuǎn)速范圍下，轉(zhuǎn)子振動位移量確定控制裝置的微分增益；
[0024] D、利用控制裝置的比例增益和微分增益，以及位移量和轉(zhuǎn)速，控制電磁鐵的電流， 以對阻尼體施加電磁力。
[0025] 通過采用本發(fā)明的混合阻尼系統(tǒng)及其控制方法，能夠獲得以下有益技術(shù)效果。
[0026] 1、區(qū)別于傳統(tǒng)的油膜阻尼器，本發(fā)明所保護(hù)的混合阻尼系統(tǒng)具有一個特殊的油 杯，該油杯集成有電磁鐵及阻尼體，阻尼體由鐵磁材料制成，控制裝置通過實時測量阻尼體 及轉(zhuǎn)子關(guān)鍵位置處的位移振動，輸出實時反饋電流，驅(qū)動電磁鐵生成實時控制電磁力，能在 油膜阻尼力的基礎(chǔ)上為轉(zhuǎn)子提供附加的電磁阻尼力，明顯提升阻尼器的阻尼效果，提高對 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動的抑制能力。
[0027] 2、本發(fā)明所保護(hù)的混合阻尼系統(tǒng)及其控制方法及控制裝置引入對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的測 量，控制裝置能依據(jù)轉(zhuǎn)速變化調(diào)整控制參數(shù)，匹配不同轉(zhuǎn)速段中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不同振動特征， 更好地抑制了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明【具體實施方式】中混合阻尼系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖2為本發(fā)明【具體實施方式】中油杯與轉(zhuǎn)子的連接關(guān)系示意圖。
[0030] 圖3為本發(fā)明【具體實施方式】中油杯的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031] 圖4為本發(fā)明【具體實施方式】中電磁鐵的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032] 圖5為本發(fā)明【具體實施方式】中混合阻尼系統(tǒng)中控制裝置的工作原理示意圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
[0034] 以下公開詳細(xì)的示范實施例。然而，此處公開的具體結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)僅僅是出于 描述示范實施例的目的。
[0035] 然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明不局限于公開的具體示范實施例，而是覆蓋落入本公開范 圍內(nèi)的所有修改、等同物和替換物。在對全部附圖的描述中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的元 件。
[0036] 同時應(yīng)該理解，如在此所用的術(shù)語"和/或"包括一個或多個相關(guān)的列出項的任意 和所有組合。另外應(yīng)該理解，當(dāng)部件或單元被稱為"連接"或"耦接"到另一部件或單元時， 它可以直接連接或耦接到其他部件或單元，或者也可以存在中間部件或單元。此外，用來描 述部件或單元之間關(guān)系的其他詞語應(yīng)該按照相同的方式理解（例如，"之間"對"直接之間"、 "相鄰"對"直接相鄰"等）。
[0037] 如圖1所示，本發(fā)明的混合阻尼系統(tǒng)包括一端連接至轉(zhuǎn)子的彈性桿、位移傳感器、 阻尼體、電磁鐵、油杯和控制裝置，其中阻尼體為鐵磁性阻尼體，且有，
[0038] 彈性桿另一端連接至阻尼體；
[0039] 阻尼體浸泡在注有阻尼油的油杯中；
[0040] 位移傳感器位于阻尼體和/或轉(zhuǎn)子附近，用于測量阻尼體和/或轉(zhuǎn)子的位移量，將 位移量傳輸給控制裝置；
[0041] 控制裝置根據(jù)位移量，控制電磁鐵的電流；
[0042] 電磁鐵對阻尼體施加電磁力。
[0043] 因此，區(qū)別于傳統(tǒng)的油膜阻尼器，本發(fā)明所保護(hù)的混合阻尼系統(tǒng)具有一個特殊的 油杯，其工作原理為：如圖2所示，轉(zhuǎn)子通過彈性桿與阻尼體連接，將轉(zhuǎn)子的振動傳遞給阻 尼體；阻尼體浸泡在阻尼油中，阻尼體與油杯之間會形成油膜，阻尼體振動時擠壓油膜，振 動獲得衰減；阻尼體的位移、轉(zhuǎn)子的位移、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速通過相應(yīng)傳感器測量，并同時接入控制 裝置中；控制裝置中的控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)速范圍選擇預(yù)先設(shè)計好的控制參數(shù)，控制單元根據(jù) 位移振動數(shù)據(jù)生成控制輸出，該輸出被控制箱進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為控制電流，用于驅(qū)動阻尼油杯 側(cè)壁中封裝的電磁鐵，生成電磁力，與阻尼油的阻尼力疊加共同抑制阻尼體及轉(zhuǎn)子的振動。
[0044] 為了保證更好的效果，可以利用非磁性材料封裝電磁鐵作為油杯，例如如圖3所 示，油杯采用環(huán)氧樹脂封裝電磁鐵制成，這樣能夠保證電磁鐵的產(chǎn)生的磁場不被干擾。
[0045] 在一個【具體實施方式】中，如圖4所示，所述電磁鐵為八磁極四對極形式，每個對極 由一個N級與一個S級組成，且每個對極共同產(chǎn)生一個方向的電磁力。例如圖中的比如隊 與Si磁極就構(gòu)成x正方向的一對極，在電流通過時，為阻尼器提供x正方向的電磁力；類似 的，隊與S2提供y正方向的力，1與S3提供x負(fù)方向的力，^與S4提供y負(fù)方向的力。本 領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員應(yīng)知道，所述電磁鐵還可以是其他形式，例如具有不同數(shù)量的極數(shù)，不會影 響到本發(fā)明的實施。
[0046] 在另一個【具體實施方式】