一种带球铰的转子稳定性控制装置及方法

1.本发明涉及转子稳定性控制领域，具体涉及一种带球铰的转子稳定性控制装置及方法。


背景技术：

2.以离心分离机，压缩机为典型的旋转机械作为一种通用机械，广泛应用于核能、石化、冶金、食品、纺织等领域，其稳定运行非常重要。转子作为旋转机械的核心部件，在工作时处于高转速状态，由不平衡质量，液固耦合振动等多种因素会造成转子异常振动及系统失稳。高速转动下的异常振动可能带来噪音、磨损、轴系断裂等一系列严重后果，严重制约了旋转机械的工作效果和运行安全性。
3.目前对转子系统振动控制本质是对系统“质量-阻尼-刚度”三方面的调控。而主动电磁执行器的无接触支承、高转速范围、低功率消耗、无需润滑等优点使之成为转子系统参数主动调节的主要技术途径。常用径向电磁执行器在使用中由诸多缺陷：转子振动异常时可能有碰摩现象发生；往往只能在非驱动端安装电磁执行器，安装条件难以保障；可能需要改造转子系统结构，测试不便；往往只能通过电涡流传感器测量振动位移数据；由于旋转工况难以通过加速度传感器测得振动加速度；往往只能开展基于位移反馈的刚度控制策略和基于速度反馈的阻尼控制策略等。


技术实现要素：

4.基于以上问题，本技术公开一种带球铰的转子稳定性控制装置及方法，可以向转子施加等效角刚度、角阻尼、角质量以控制转子稳定性，防止转子振动过大造成事故。
5.第一方面，提供一种带球铰的转子稳定性控制方法，该方法用在由依次连接的测量器、控制器、电磁执行器及球铰轴承支座组成的振动控制系统中，具体包括：
6.实时监测转子转动时球铰平衡盘的振动状态数据；
7.根据检测到的振动状态数据计算并生成对应的控制信号；
8.向电磁执行器输入控制信号以输出电磁力作用在球铰轴承支座平衡盘，实现球铰平衡盘的振动抑制及等效角刚度、角阻尼、角质量调整；
9.球铰轴承支座通过可控柔性基础将等效角刚度、角阻尼、角质量施加给转子，用于实现转子稳定性控制。
10.第二方面，提供一种基于球铰电磁执行器的转子稳定性控制装置，该装置为依次连接的测量器、控制器、电磁执行器、球铰轴承支座构成的稳定性控制系统，具体包括：
11.测量器，作用是实时监测获取转子转动时球铰平衡盘的振动状态数据，并将振动状态数据提供给所述控制器；
12.控制器，作用是根据从测量器获取到的振动状态数据，根据权利要求1-6所述转子稳定性控制方法计算并生成控制信号，并将所述控制信号传输到电磁执行器；
13.电磁执行器，作用是根据所述控制信号输出电磁力作用至球铰平衡盘，以抑制平
衡盘振动并调整球铰轴承支座的等效角刚度、角阻尼、角质量，所述电磁执行器主要结构为“类e型”磁极；
14.球铰轴承支座，作用是通过柔性可控基础将等效角刚度、角阻尼、角质量施加给转子，用于实现转子稳定性控制。所述球铰轴承支座主要包括：球铰平衡盘、弹簧、球铰支座、轴承。
15.本技术实施例的有益效果是：通过监测转子转动时球铰平衡盘的振动数据，用控制器输出实时控制信号，电磁执行器根据控制信号产生对应控制力抑制球铰平衡盘振动并调整球铰轴承支座等效角刚度、角阻尼、角质量，球铰轴承支座通过可控柔性基础将等效角刚度、角阻尼、角质量施加给转子，用于实现转子稳定性控制；本技术实施例在具体实施过程中，转子转动时球铰轴承支座的平衡盘不做旋转运动而发生摆动，可以通过传感器直接测得平衡盘振动位移及加速度，除通过球铰轴承支座结构开展基于位移、位移微分反馈的转子稳定性控制策略外还可开展基于加速度反馈的角质量控制策略；球铰轴承支座及电磁执行器可以安装在驱动端，避免了需要改造转子系统结构、众多旋转设备非驱动端没有安装条件、测试不便等问题。
附图说明
16.为更清晰展示本技术实施例的技术方案，下面将对技术方案结合附图进行介绍，附图中不对相同或相似的附图元素做重复标记。应当理解附图仅用于示意，其中元素及部件不一定按照真实形状及比例绘制，其中：
17.图1为本技术一实施例的转子稳定性控制装置的结构示意图；
18.图2为本技术一实施例的球铰结构示意图；
19.图3为本技术一实施例中安装在球铰轴承支座平衡盘外的的电磁执行器“类e形”磁极结构示意图。
具体实施方式
20.为使本发明申请的技术方案及优点更利于理解，下面将结合附图对本实施例进行详细描述。所描述实施例仅为本发明的部分实施例，在此处描述的本发明实施例组件可根据不同实际要求进行配置。本技术附图及实施例仅用于示例及方便更加清晰理解本技术，而非用于限制本技术保护范围。
21.转子在运行过程中会出现同步振动和异步振动。以离心机为例，在充液、启车或停车过程中还会穿越自激振荡失稳区，因此需要合理的控制方法和装置对转子进行稳定性控制。而主动电磁执行器的无接触支承、高转速范围、低功率消耗、无需润滑等优点使之成为转子系统振动控制的主要技术途径。常用径向电磁执行器在使用中由诸多缺陷：转子振动异常时可能有碰摩现象发生；往往只能在非驱动端安装电磁执行器，安装条件难以保障；需要改造转子系统结构，测试不便；往往只能通过电涡流传感器测量振动位移数据；由于旋转工况难以通过加速度传感器测得振动加速度；往往只能开展基于位移反馈的刚度控制策略和基于速度反馈的阻尼控制策略等。
22.为解决以上问题，本技术例通过测量器获取转子运行时球铰平衡盘的振动状态数据，控制器根据振动状态数据生成实时控制信号，电磁执行器根据实时控制信号向球铰平
衡盘输出电磁力，改变球铰轴承支座等效角刚度、角阻尼、角质量，并通过可控柔性基础施加给转子，用于实现转子稳定性控制。
23.首先对本发明实施例所公开的带球铰的转子稳定性控制装置进行介绍。需要注意，此处以立式转子系统为例对本技术的控制装置进行介绍，但立式转子系统并非对本技术实施范围的限制，本技术提出的稳定性控制装置及方法也可适当调整后用于其他形态旋转设备转子系统。
24.参见图1所示，本技术实施例所提供的转子稳定性控制装置包括：测量器1、控制器2、电磁执行器3、球铰轴承支座4；
25.参见图2所示，本技术实施例所提供的球铰轴承支座4包括：球铰平衡盘41、球铰支座42、轴承43、弹簧44；图中其余元素：31为电磁执行器“类e形”磁极、5为转子、11为传感器；
26.所述测量器1，用于实时监测获取转子5转动时球铰平衡盘41的振动数据，并将振动数据提供给所述控制器2；
27.所述控制器2，用于根据从测量器1获取到的振动数据计算抑制球铰平衡盘41振动和调整球铰轴承支座4等效角刚度、角阻尼、角质量所需的实时控制信号，并将所述控制信号传输到电磁执行器3；
28.所述电磁执行器3，用于根据所述控制信号输出电磁力作用至球铰平衡盘41，以抑制平衡盘振动并调整球铰轴承支座4的等效角刚度、角阻尼、角质量；
29.所述球铰轴承支座4，通过可控柔性基础，将等效角刚度、角阻尼、角质量施加给转子5，进而实现转子稳定性控制。其中可控柔性基础由转子5-轴承43-球铰支座42构成。球铰支座围绕在转子外部，与转子通过轴承连接。当转子振动时，轴承将力传递到球铰支座，造成球铰平衡盘摆动。改变电磁执行器对球铰平衡盘施加的电磁力可以调整其摆动时的等效角钢度、角阻尼、角质量，从而向转子施加不同的等效角钢度、角阻尼、角质量；
30.在实际实施中，测量器1由传感器及信号调理器组成。所述传感器11将被测量转换为模拟信号供信号调理器处理。信号调理器对传感器输出的模拟信号进行滤波降噪等操作。控制器2所需的振动状态数据根据所使用的转子稳定性控制策略不同而发生改变，对应测量器也需对应调整。在本实施例中，当控制策略所需数据为转子振动位移时，所用传感器11为电涡流传感器，测量器即为位移测量器；当所需为振动加速度数据时，所用传感器11为加速度传感器，测量器即为加速度测量器。
31.控制器2为基于fpga的高效控制器，能以极高速率对测量器所获得振动数据进行实时处理。通过使用等效角刚度、角阻尼、角质量控制策略，以电压形式生成对应控制信号并输出给电磁执行器3。
32.电磁执行器3由两部分构成：转换器及执行器。所述转换器将控制信号放大获取足够能量驱动电磁执行器产生电磁力；同时为避免电感负载的存在使控制信号被滞后，将电压信号转换为电流信号。
33.参见图2及图3所示，所述执行器主要部件为“类e形”磁极31，一个“类e形”磁极31由一个主磁极311和两个副磁极312组成；所述执行器基于电磁转换原理工作，向“类e形”磁极线圈通以电流时，将产生电磁力并施加于球铰平衡盘41表面。多个“类e形”磁极两两组合，被配置为安装在球铰平衡盘四个受控制力位置上下两侧。为方便后续描述，球铰平衡盘受控制力位置简称为受力点。四个受力点均匀分布于球铰平衡盘表面，用于控制球铰平衡
盘前后左右摆动。
34.受可控柔性基础结构影响，转子5旋转振动时球铰支座平衡盘41将发生摆动。根据平衡盘摆动时振动状况不同，执行器施加于平衡盘表面的电磁力发生变化，并通过所述控制器2不同的控制策略：等效角刚度控制策略、角阻尼控制策略、角质量控制策略，向转子施加等效角刚度、等效角阻尼及等效角质量，控制平衡盘振动及转子稳定性。
35.基于该发明构思，本技术还提供了一种与上述转子稳定性控制装置对应的转子稳定性控制方法。
36.转子系统不稳定体现形式为转子振动。在本技术实施例中，测振平面为球铰平衡盘41，转子5转动时，平衡盘41的振动表现为前后左右摆动，所测振动状态数据为上下方向的振动位移及加速度。将测点布置于贴近所述受力点处。监测振动位移时位移传感器11探头垂直于平衡盘表面，所监测位移数据为平衡盘摆动时两测点上下振动位移；监测振动加速度时传感器11探头固定于平衡盘表面，所监测位移数据为平衡盘摆动时两测点加速度。平衡盘静平衡时位移记为(0，0)，发生振动时传感器所测得振动位移计为(x,y)；振动加速度记为振动速度由位移数据微分处理后获得，记为
37.通过电磁执行器进行控制振动时，平衡盘41受力点除受到电磁执行器“类e形”磁极31所产生的电磁力外，还受到支撑弹簧44弹力作用，x、y方向所受控制力f
x
、fy满足下述公式(1):
[0038][0039]
其中k
ix
、k
iy
分别为电磁执行器在x、y方向的电流刚度；k
sx
、k
sy
电磁执行器在x、y方向的位移刚度。i
x
、iy分别为两方向上电磁执行器控制电流的扰动部分，简称扰动电流。
[0040]kix
、k
iy
、k
sx
、k
sy
满足下述公式(2)：
[0041][0042]
其中k1、k2、k3、k4为电磁执行器磁极固有属性，为已知常量；k
l
为弹簧刚度，为已知常量；g为磁极与球铰平衡盘之间气隙厚度，为已知常量；ib为电磁执行器控制电流的直流偏置部分，简称偏置电流，为电磁执行器本身属性；
[0043]
由球铰平衡盘所受控制力f
x
、fy作用，球铰等效角刚度k
θx
、k
θy
，角阻尼d
θx
、d
θy
，角质量m
θx
、m
θy
与所施加扰动电流i
x
、iy的关系分别满足下式(3)、式(4)、式(5):
[0044]
[0045][0046][0047]
式中l为球铰平衡盘中心与受力点间距。
[0048]
由振动反馈控制方案，x及y方向所施加扰动电流i
x
及iy满足下式(6):
[0049][0050]
其中q
c1
、q
c2
分别为反向交叉刚度系数；k为电磁执行器的等效位移刚度输出值、dc为电磁执行器的等效阻尼输出值、mc为电磁执行器的等效质量输出值。
[0051]
当采用基于位移反馈的角刚度控制策略时，忽略阻尼控制力和质量控制力，球铰轴承支座向转子系统施加等效角刚度，扰动电流满足下式(7)：
[0052][0053]
带入式(3)可得等效角刚度：
[0054][0055]
当采用基于位移微分反馈的角阻尼控制策略时，忽略刚度控制力和质量控制力，球铰轴承支座向转子系统施加等效角阻尼，扰动电流满足下式(9)：
[0056][0057]
带入式(4)可得等效角阻尼：
[0058]dθx
＝d
θy
＝-2l2dcꢀꢀ
(10)
[0059]
当采用基于加速度反馈的角质量控制策略时，忽略刚度控制力和阻尼控制力，球铰轴承支座向转子系统施加等效角质量，扰动电流满足下式(11)：
[0060][0061]
带入式(5)可得等效角质量：
[0062]mθx
＝m
θy
＝-2l2mcꢀꢀ
(12)
[0063]
由于所述控制器输出的控制电压需经转换器转换为控制电流，该过程中电磁执行器x、y方向扰动电流i
x
、iy与控制器输出的x、y方向控制电压u
x
、uy满足下述公式(13)，其中a为电流-电压线性化数值，为电磁执行器固有属性，是已知量。
[0064][0065]
电磁执行器线圈控制电流为差动输入模式，控制电流i由偏置电流ib和扰动电流i两部分组成，则电磁执行器的控制电流i
x
、i
x-、i
y
、i
y-与偏置电流ib及控制器输出的控制电压u
x
、uy满足下述公式(14)：
[0066][0067]
在上述公式(14)中，偏置电流ib是已知量。
[0068]
将公式(13)带入式(7)、式(9)、式(11)求解，则可以得出在进行等效角刚度、角阻尼、角质量调整时控制器需要向电磁执行器输出的控制电压值分别满足公式(15)、(16)、(17)：
[0069][0070][0071][0072]
以上所述为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，本技术领域的技术人员在不脱离本发明原理的前提下可以做出适当调整，这些调整都应包含在本发明的保护范围之内。