HBM-800T立式斜流泵磁懸浮軸承研究.pdf

1、目前，在國內(nèi)大中型泵站的機(jī)組中，導(dǎo)軸承可靠性不高、使用壽命短、維修工作量大是一個普遍性的問題。目前使用廣泛的水潤滑橡膠軸承以及賽龍軸承在比較復(fù)雜的環(huán)境中工作時，容易出現(xiàn)軸承損壞或者是主軸損壞等問題，因此尋求一種穩(wěn)定性高、使用壽命長的高性能導(dǎo)軸承，以保證立式斜流泵可靠運(yùn)行是很有現(xiàn)實意義的。研究表明，磁軸承應(yīng)用于立式斜流泵具備無接觸、剛度和阻尼可調(diào)等傳統(tǒng)軸承無法比擬的優(yōu)勢。
　　 課題在調(diào)研了國內(nèi)、外立式斜流泵導(dǎo)軸承及磁懸浮軸承的現(xiàn)

2、狀和發(fā)展的基礎(chǔ)上，以混合磁軸承應(yīng)用于HBM-800T立式斜流泵進(jìn)而改善該型立式斜流泵的運(yùn)行穩(wěn)定性為研究目標(biāo)?？紤]課題涉及機(jī)械學(xué)、力學(xué)、電磁學(xué)、控制理論、電子技術(shù)等多學(xué)科綜合的特性，在不失系統(tǒng)一般性的前提下，突出研究重點(diǎn)，分別研究磁軸承新結(jié)構(gòu)、葉片振動與轉(zhuǎn)子及磁軸承耦合動力學(xué)、魯棒控制等系統(tǒng)核心組成部分。
　　 主要工作及成果如下:
　　 1.提出一種應(yīng)用于立式斜流泵的新型混合徑向磁軸承，這種混合磁軸承是永磁磁軸承和電磁磁

3、軸承的組合。其中永磁磁軸承采用的是斥力型Halbach陣列永磁環(huán)堆疊結(jié)構(gòu)，主動磁軸承采用8磁極結(jié)構(gòu)，其巾4對磁極徑向分布，每對磁極軸向布置，永磁磁路與電磁磁路相互獨(dú)立。小擾動偏移可以由被動磁軸承消除;擾動較大時，轉(zhuǎn)子的位移由永磁磁軸承和電磁磁軸承共同控制，從而在一定程度上降低主動磁軸承的功耗。研究結(jié)果表明，新型混合磁軸承應(yīng)用于立式斜流泵具備節(jié)能及可控的優(yōu)點(diǎn)。
　　 2.立式斜流泵轉(zhuǎn)子較長，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，容易產(chǎn)生振動，尤其當(dāng)泵高速運(yùn)

4、轉(zhuǎn)時，容易發(fā)生葉片與殼體碰摩，非線性振動等有害因素，因此研究轉(zhuǎn)子動力學(xué)理論，有利于解決泵的非線性動力學(xué)問題。課題建立一個葉片-轉(zhuǎn)子-磁軸承系統(tǒng)的非線性動力學(xué)模型來分析葉片、轉(zhuǎn)子和磁軸承之間的相互作用。利用Lagrange方程獲得系統(tǒng)的耦合動力學(xué)微分方程。采用集中質(zhì)量法、正交變換及周期變換將具有時變系數(shù)的耦合方程轉(zhuǎn)化為常系數(shù)微分方程。數(shù)值計算結(jié)果表明這種系統(tǒng)具有豐富的非線性動力學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)入混沌的道路是通過陣發(fā)方式實現(xiàn)的。隨后混沌運(yùn)動演化為

5、周期1運(yùn)動，退出混沌運(yùn)動狀態(tài);通過在較寬的轉(zhuǎn)速范圍數(shù)值計算表明，系統(tǒng)響應(yīng)是倍周期運(yùn)動，說明系統(tǒng)響應(yīng)在轉(zhuǎn)速大范圍內(nèi)是穩(wěn)定的。雖然出現(xiàn)局部混沌運(yùn)動，但轉(zhuǎn)子無量綱位移振幅不大，遠(yuǎn)小于永磁軸承工作氣隙，沒有發(fā)生碰摩現(xiàn)象。
　　 3.磁懸浮軸承除了無接觸外，還有一個很顯著的特點(diǎn)就是磁軸承的剛度可通過設(shè)計合適的控制系統(tǒng)按控制規(guī)律調(diào)整。所以研究混合磁軸承系統(tǒng)的組成及相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)與控制系統(tǒng)的承載能力及剛度特性很有必要。課題采用電流分散控制策略，

6、考慮功率放大器、控制電路和位移傳感器增益特性，以及位移傳感器位置耦合問題，并對系統(tǒng)狀態(tài)矩陣及輸入矩陣進(jìn)行強(qiáng)制解耦，進(jìn)而實現(xiàn)新型混合磁軸承的轉(zhuǎn)了系統(tǒng)進(jìn)行建模。通過以上步驟已經(jīng)得到單個自由度上的磁軸承-轉(zhuǎn)了系統(tǒng)傳遞函數(shù)，為系統(tǒng)控制器的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。
　　 4.提出一種應(yīng)用于立式斜流泵磁軸承轉(zhuǎn)了控制系統(tǒng)的L2魯棒控制器。由于目前磁懸浮軸承系統(tǒng)的動態(tài)特性還不能完全被人們掌握，很難得到磁懸浮軸承系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，即存在模型“不確定性”。

7、這些“不確定性”的主要來源是磁軸承電磁鐵與轉(zhuǎn)子之間以及與所處的環(huán)境體現(xiàn)出來的多場耦合問題。針對立式斜流泵混合磁軸承工作特點(diǎn)，首先將磁懸浮軸承電流控制器的設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的L2問題進(jìn)行設(shè)計。其次，基于無源化理論及遞推解法求出系統(tǒng)的存儲函數(shù)，并證明滿足耗散不等式及閉環(huán)系統(tǒng)在原點(diǎn)全局漸近穩(wěn)定。最后，用Matlab對L2控制的立式斜流泵磁懸浮軸承系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并與PID控制器的控制效果進(jìn)行比較研究。結(jié)果表明，L2魯棒控制策略相對PID控制策略