离心压缩机转子振动控制系统设计与实验研究

发布时间：2017-07-20 07:17

  本文关键词：离心压缩机转子振动控制系统设计与实验研究

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【摘要】：伴随近代流程工业的发展进步,离心压缩机成为生产环节中关键的一部分。它除了流量大、体积小、运行效率高、质量轻、易损件少外,还具有运送气体无油气污染的优点。在一定程度上,离心压缩机的生产制造水平和运行维护水平成为衡量一个国家发展进步的重要标志。随着现代离心压缩机向着高转速、高精密度发展,其转子系统振动问题成为现代过程工业亟待解决的难题。转子系统振动的大小,是判断离心压缩机是否可靠的关键因素。转子失稳是一种比较典型的振动故障,是影响压缩机大型化的主要障碍,会带来一系列恶劣的后果,轻则破坏相关零件疲劳程度,降低工作效率；重则威胁生产员工生命安全,带给社会和工业发展不可估量的损失。因此,采取有效便捷的措施监测转子运行状态,并对转子振动进行主动控制不仅具有重要的工程意义还能有效地节约成本、保证安全生产。本文从保障离心压缩机转子系统正常运转的角度出发,搭建以电磁控制器为基础的硬件控制系统,从电磁控制器的设计、测控系统的搭建、信号的采集处理等方面入手设计离心压缩机转子振动控制系统并在实验环境下对相关的问题进行研究。本文主要完成以下几项工作：1.电磁控制器控制系统硬件架构设计。对于转子系统的振动控制,需要硬件和软件的综合协调配合。电磁控制器控制系统的搭建是完成离心压缩机转子振动控制的基础。考虑到压缩机实际工况的复杂性,控制器各部分在空间分配、平面布局等方面的设计将会影响电磁控制系统应用的普遍性和广泛性。如何实现电磁控制器控制系统硬件架构设计的合理性、规范性将是本文着重解决的问题之一,特别是控制的执行器的设计,将是能否完成转子振动控制的重要环节。本文将在离心压缩机实验台上合理布局安装不同功能的电磁执行器,建立一套电磁执行器-转子系统。同时搭建一整套规范的硬件平台,用于离心压缩机转子系统的稳定性识别实验和振动控制实验。2.实时控制平台设计。离心压缩机的转子振动控制系统对数据采集的要求日益提高。数据采集与控制的实时性能已成为一个重要的指标,基于实时系统下的数据采集与控制方案成为主流。本文基于NI(美国国家仪器)公司的CompactRIO嵌入式测控系统,利用其现场可编程门阵列(FPGA)机箱、实时控制器编写软件实时控制平台,完成对离心压缩机转子系统的振动、轴瓦温度、电磁控制器电流、转子速度、润滑系统的流量及温度等的综合监测进行振动控制。除此之外,还能根据设定的标准值进行转子运转故障的预警和转子系统的联锁保护。3.依据对电磁控制器控制系统硬件架构设计与实时控制平台的设计,搭建实际实验台进行实验研究。实际测试控制系统软件、硬件的实际控制效果。通过实验测量系统的稳定性并有效地降低转子系统的振动。本文从电磁控制器控制系统的硬件架构及实时控制平台两方面入手,搭建了合乎规范的电磁控制器控制和稳定性测试的软硬件系统,并在实验条件下验证了系统的可行性和可靠性,给工业应用提供参考。
【关键词】：离心压缩机 电磁轴承 FPGA 稳定性识别 振动控制
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH452
【目录】：

• 学位论文数据集4-5
• 摘要5-8
• ABSTRACT8-19
• 符号说明19-21
• 第一章 绪论21-33
• 1.1 课题来源21
• 1.2 课题研究背景及意义21-22
• 1.3 国内外的研究现状22-31
• 1.3.1 转子系统稳定性研究现状22-26
• 1.3.2 转子振动控制研究现状26-29
• 1.3.3 主动电磁轴承研究现状29-31
• 1.4 本文主要研究内容31-33
• 第二章 振动控制系统整体架构及搭建33-47
• 2.1 引言33
• 2.2 振动控制系统整体架构33-35
• 2.3 振动控系统各部分介绍35-45
• 2.3.1 直流供电电源35-36
• 2.3.2 功率放大器36-39
• 2.3.3 电流监测模块39-41
• 2.3.4 信号调理模块41-42
• 2.3.5 CompactRIO嵌入式测控系统42-44
• 2.3.6 Bently电涡流传感器及配件44-45
• 2.3.7 LabVIEW软件平台45
• 2.4 本系统预期的目的与效果45
• 2.5 本章小结45-47
• 第三章 电磁轴承设计仿真及测试47-71
• 3.1 引言47
• 3.2 电磁轴承设计47-56
• 3.2.1 设计的基本思路47-48
• 3.2.2 电磁轴承转子直径设计48
• 3.2.3 电磁轴承尺寸设计48-56
• 3.3 电磁轴承的安装56-62
• 3.3.1 模型的建立56-58
• 3.3.2 单独温度场作用下的膨胀58-59
• 3.3.3 温度、离心力作用下转子接触压力的计算59-61
• 3.3.4 室温下接触应力的计算61-62
• 3.3.5 过盈量的确定62
• 3.3.6 电磁轴承动环硅钢片的安装62
• 3.4 电磁执行器的电磁场分析62-66
• 3.4.1 三维模型及网格划分62-64
• 3.4.2 施加载荷和边界条件64-65
• 3.4.3 电磁力计算结果65
• 3.4.4 不同电流下电磁力变化曲线65-66
• 3.5 电磁轴承的标定66-70
• 3.5.1 单磁极标定原理及结果67-68
• 3.5.2 双磁极标定原理及结果68-70
• 3.6 本章小结70-71
• 第四章 测试系统及实时控制平台的设计71-89
• 4.1 引言71
• 4.2 测试系统程序界面设计71-82
• 4.2.1 设计的基本思路71-72
• 4.2.2 扫频测试VI的设计72-73
• 4.2.3 信号采集显示VI的设计73-75
• 4.2.4 信号分析处理VI的设计75-82
• 4.3 振动控制系统程序界面设计82-87
• 4.3.1 设计的基本思路82-84
• 4.3.2 信号采集显示VI的设计84
• 4.3.3 FPGA控制VI的设计84-85
• 4.3.4 RT通讯VI的设计85-86
• 4.3.5 总控制UI的设计86-87
• 4.4 本章小结87-89
• 第五章 稳定性测试与振动控制实验研究89-101
• 5.1 引言89
• 5.2 实验台的搭建89-91
• 5.3 转子系统稳定性测试91-95
• 5.3.1 测试过程及结果91-93
• 5.3.2 测试结果可靠性验证93-95
• 5.4 转子系统振动控制95-99
• 5.4.1 控制策略选择95-97
• 5.4.2 施加刚度的控制97-98
• 5.4.3 施加阻尼的控制98-99
• 5.5 本章小结99-101
• 第六章 结论与展望101-103
• 6.1 结论101-102
• 6.2 展望102-103
• 参考文献103-109
• 致谢109-111
• 研究成果及发表学术论文111-113
• 作者与导师简介113-114
• 附件114-115

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