可傾瓦軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動力學(xué)分析與主動控制.pdf

1、隨著大型旋轉(zhuǎn)機械向高轉(zhuǎn)速、高負(fù)載、高精度等方向發(fā)展，其核心部件軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動力失穩(wěn)問題越來越突出。因此，需要深入研究軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動力學(xué)特性和失穩(wěn)機理以及其結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)對穩(wěn)定性的影響規(guī)律。滑動軸承的油膜力是其中極為典型的非線性因素之一，建立一個合理且易于解析處理的油膜力模型對于軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運動穩(wěn)定性分析和工程應(yīng)用都具有重要意義。另一方面，要對導(dǎo)致軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力失穩(wěn)的因素加以控制，采用有效措施提高系統(tǒng)的運動穩(wěn)

2、定性，轉(zhuǎn)子在工作中一旦出現(xiàn)異常振動現(xiàn)象，要立即采取有效的糾正措施，避免動力失穩(wěn)后產(chǎn)生更加嚴(yán)重的后果。對于軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動控制問題，控制裝置的設(shè)計與控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)在很大程度上決定了控制性能的好壞。
　　本文的研究工作主要集中在兩個方面，即可傾瓦軸承非線性油膜力解析模型的建立和軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動主動控制。首先建立了可傾瓦滑動軸承的非線性油膜力解析模型，接著針對可傾瓦軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)油膜失穩(wěn)等問題采用主動潤滑系統(tǒng)進(jìn)行控制，并設(shè)計了

3、多種行之有效的控制器，計算分析在各種控制器作用下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)油膜失穩(wěn)的控制情況，取得的主要成果有：
　　1.基于短軸承假設(shè)，建立了可傾瓦軸承非線性油膜力的解析模型。首先根據(jù)軸承單個瓦塊與轉(zhuǎn)子的運動平衡關(guān)系和幾何關(guān)系，推導(dǎo)出了瓦塊擺角的計算公式，基于短軸承假設(shè)和Reynolds邊界條件求得了每個瓦塊上的油膜壓力分布，并采用油膜壓力的修正函數(shù)來確定油膜力的自由邊界條件，對每個瓦塊的油膜壓力進(jìn)行積分得到其油膜力，進(jìn)而將所有瓦塊的油膜力進(jìn)行矢

4、量求和得到了整個可傾瓦軸承的非線性油膜力的解析表達(dá)式。利用油膜力解析模型分析了可傾瓦軸承—非對稱轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)特性，通過和有限差分法導(dǎo)出的油膜力模型的計算結(jié)果進(jìn)行比較，證實了本文油膜力解析模型的有效性和實用性。
　　2.針對可傾瓦軸承—非對稱轉(zhuǎn)子系統(tǒng)存在的油膜渦動等失穩(wěn)現(xiàn)象，設(shè)計了基于PI、PID的主動潤滑控制系統(tǒng)。本文建立了基于電液控制系統(tǒng)的主動可傾瓦軸承的動力學(xué)模型，包括在主動潤滑下可傾瓦軸承的油膜厚度，主動潤滑Reynol

5、ds方程，電液控制系統(tǒng)方程等。為便于控制的實現(xiàn)，采用工程上常用的PI、PID控制器對可傾瓦軸承—非對稱轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行控制，并分析其動力學(xué)響應(yīng)。研究結(jié)果表明，在主動潤滑控制系統(tǒng)的作用下，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動得到很好的抑制，系統(tǒng)發(fā)生油膜渦動時的轉(zhuǎn)速得到提高，系統(tǒng)穩(wěn)定工作的轉(zhuǎn)速范圍得到拓寬，并且發(fā)生油膜渦動時系統(tǒng)的振幅也得到了抑制。
　　3.針對電液控制系統(tǒng)存在的高度非線性、時變不確定性等問題，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對主動潤滑控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。利用R

6、BF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來優(yōu)化常規(guī)的PID控制器的參數(shù)，處理液壓系統(tǒng)中的不確定性，以滿足液壓伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能和靜態(tài)性能要求。針對主動潤滑控制系統(tǒng)設(shè)計了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器。并采用基于這兩種控制器的主動潤滑系統(tǒng)對可傾瓦軸承—非對稱轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行控制，數(shù)值計算的結(jié)果表明，與PI、PID控制器的作用效果相比，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制的主動潤滑系統(tǒng)在控制精度和動態(tài)性能等方面的都有明顯的優(yōu)越性。
　　4.在利用神經(jīng)

7、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)化PID控制器參數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計了模糊PID和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器來改進(jìn)主動潤滑控制系統(tǒng)。將模糊控制不依賴精確模型、算法靈活而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強的魯棒性和非線性映射能力等特點相結(jié)合，采用模糊控制和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在線整定PID控制器的參數(shù)。分析計算了基于模糊PID和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器作用下可傾瓦軸承—非對稱轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學(xué)響應(yīng)，與之前設(shè)計的控制器比較，模糊PID和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制具有更好的控制性能。

8、　　5.研究了一類可傾瓦軸承雙盤外伸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動力學(xué)分析和主動控制問題。基于有限元法建立了系統(tǒng)的非線性動力學(xué)方程，油膜力采用本文導(dǎo)出的可傾瓦軸承非線性油膜力解析模型。采用數(shù)值方法對該系統(tǒng)的耦合動力學(xué)方程進(jìn)行求解，分析了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動力學(xué)特性。在沒有主動潤滑的情況下，隨著轉(zhuǎn)速的升高會出現(xiàn)油膜渦動和油膜振蕩等失穩(wěn)現(xiàn)象，采用基于模糊PID和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器的主動潤滑對該系統(tǒng)進(jìn)行控制的結(jié)果表明，主動潤滑系統(tǒng)能夠完全消除油膜振蕩