磁悬浮轴承刚度阻尼测试与辨识方法研究

发布时间：2017-09-08 05:37

  本文关键词：磁悬浮轴承刚度阻尼测试与辨识方法研究

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【摘要】：磁悬浮轴承的支承特性是控制参数优化、临界转速预估、不平衡响应计算和动力学优化设计的基础，是保证磁悬浮轴承转子系统在高速时运行稳定性的前提。本文旨在研究磁悬浮轴承动力学模型参数的测试方法。介绍了磁悬浮轴承刚度阻尼的几种不同定义，着重研究了线性动力学系统模型中的支承参数。 磁悬浮轴承转子系统模型是系统参数辨识、响应预测的基础。首先通过力学分析分别建立了系统中刚性圆盘、弹性轴段和磁悬浮轴承的运动微分方程。然后，分别基于模态参数和频率响应方法修正了转子模型中的尺寸参数。分析比较修正结果，通过频率响应方法修正后的转子模型能够满足辨识的需要。 在建立的磁悬浮轴承转子系统模型上，施加不平衡激励，分别研究了基于单纯形优化算法的传递矩阵模型修正方法和基于响应面的有限元模型修正方法辨识磁悬浮轴承支承参数的基本原理。传递矩阵模型修正方法是通过传递矩阵法计算出初始支承参数下系统的不平衡位移响应，与试验不平衡响应进行对比，并通过单纯形优化算法获取使得两者响应之差尽可能小的支承参数值。有限元模型修正方法使用有限元软件Nastran计算出试验点的不平衡响应，建立支承参数与计算不平衡响应的响应面函数，并使用全局优化算法获得使得响应面函数与试验不平衡响应残差最小的支承参数。仿真验证两种模型修正方法，结果表明基于单纯形优化算法的传递矩阵模型修正方法能够更准确地辨识出磁悬浮轴承的支承参数。 搭建了基于模型修正方法的磁悬浮轴承转子刚度阻尼测试与辨识试验平台。采集附加显著不平衡质量的系统稳态运行时支承处的位移响应和转速信号，使用Kasier带通滤波、零相位数字滤波、一阶傅里叶级数拟合等操作提取出信号中的不平衡响应幅值与相位特征。分别通过传递矩阵和有限元模型修正方法辨识了磁悬浮轴承的刚度阻尼。为了验证辨识的准确性，使用辨识出的刚度阻尼值进行不平衡响应仿真，并与试验数据相比较，结果表明基于模型修正方法辨识的刚度阻尼值足够准确。 最后，基于线性动力学系统中支承力及磁悬浮轴承电磁力的表达式，提出了通过位移和电流信号测试刚度阻尼的方案。完成了从系统稳态运行时的位移和电流数据中提取出位移幅值、控制电流幅值和相位差特征值，获得系统稳态运行下的刚度阻尼，并与基于模型修正方法的辨识结果对比，结果表明两种不同方法获得的磁悬浮轴承刚度阻尼值是一致的。
【关键词】：磁悬浮轴承 支承参数 模型修正 不平衡响应 电磁力
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH133.3
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-15
• 第一章 绪论15-25
• 1.1 引言15
• 1.2 主动式磁悬浮轴承的工作原理15-16
• 1.3 磁悬浮轴承动态支承参数的定义16-19
• 1.3.1 基于单自由度磁悬浮轴承系统的支承参数定义16-18
• 1.3.2 基于动力学系统的磁悬浮轴承支承参数定义18-19
• 1.4 本课题研究目的、意义和目标19-20
• 1.4.1 研究的目的和意义19
• 1.4.2 研究的目标19-20
• 1.5 国内外研究现状及发展动态20-23
• 1.5.1 磁悬浮轴承转子系统的动力学建模及修正20
• 1.5.2 传统型轴承的动态支承参数测试方法的研究20-21
• 1.5.3 磁悬浮轴承动态特性的理论研究21-22
• 1.5.4 磁悬浮轴承动态支承参数的试验研究22-23
• 1.6 论文内容安排23-25
• 第二章 磁悬浮轴承转子系统的建模及转子模型修正25-39
• 2.1 引言25
• 2.2 磁悬浮轴承柔性转子系统的建模25-29
• 2.2.1 刚性圆盘的运动微分方程26
• 2.2.2 弹性轴段的运动微分方程26-28
• 2.2.3 磁悬浮轴承的运动微分方程28-29
• 2.2.4 轴承转子系统的动力学响应求解29
• 2.3 基于模态参数的转子有限元模型修正29-34
• 2.3.1 基于模态参数的有限元模型修正方法的理论30-31
• 2.3.2 基于试验模态参数的磁悬浮轴承转子模型修正31-34
• 2.4 基于频率响应的转子有限元模型修正34-38
• 2.4.1 基于频率响应的有限元模型修正方法的理论34-35
• 2.4.2 频率响应残差的定义及修正点的选取35-36
• 2.4.3 基于试验频率响应的转子模型修正36-38
• 2.5 两种修正方法的对比38
• 2.6 本章小结38-39
• 第三章 基于不平衡响应模型修正方法的支承参数辨识原理39-59
• 3.1 引言39
• 3.2 基于不平衡响应的传递矩阵模型修正方法39-42
• 3.2.1 基础理论39-41
• 3.2.2 基于单纯形算法的残差优化41-42
• 3.2.3 程序实现42
• 3.3 基于不平衡响应的有限元模型修正方法42-48
• 3.3.1 基础理论42-43
• 3.3.2 基于响应面的优化方法43-46
• 3.3.3 基于响应面的模型修正方法辨识支承参数步骤46-47
• 3.3.4 程序实现47-48
• 3.4 磁悬浮轴承支承参数辨识方法的仿真验证48-56
• 3.4.1 传递矩阵模型修正方法的仿真验证50-51
• 3.4.2 有限元模型修正方法的仿真验证51-56
• 3.5 两种模型修正方法用于支承参数辨识的对比56
• 3.6 残余不平衡量对基于传递矩阵模型修正方法的支承参数辨识的影响56-58
• 3.7 本章小结58-59
• 第四章 基于模型修正方法的磁悬浮轴承支承参数辨识试验59-81
• 4.1 引言59
• 4.2 磁悬浮轴承转子系统不平衡响应试验59-64
• 4.2.1 不平衡响应试验条件59-60
• 4.2.2 不平衡激励试验60-62
• 4.2.3 不平衡响应数据的采集62-63
• 4.2.4 系统稳态残余不平衡激励试验63-64
• 4.3 不平衡响应试验数据的处理及特征量的提取64-68
• 4.3.1 不平衡响应信号的滤波64-66
• 4.3.2 不平衡响应幅值与相位信息的提取66-67
• 4.3.3 信号处理及特征提取的流程与程序实现67
• 4.3.4 信号处理及特征提取的仿真验证67-68
• 4.4 磁悬浮轴承支承参数的试验辨识68-72
• 4.4.1 基于传递矩阵模型修正方法的支承参数试验辨识70-71
• 4.4.2 基于有限元模型修正方法的支承参数试验辨识71-72
• 4.5 试验辨识结果的验证72-75
• 4.5.1 传递矩阵模型修正方法辨识结果的验证72-73
• 4.5.2 有限元模型修正方法辨识结果验证73-75
• 4.6 柔性转子系统模型与刚性转子系统模型的支承参数辨识结果对比75-77
• 4.7 传递矩阵模型修正方法与边界元法的辨识结果对比77-80
• 4.8 本章小结80-81
• 第五章 基于电磁力的磁悬浮轴承支承参数测试81-91
• 5.1 引言81
• 5.2 基于电磁力的磁悬浮轴承支承参数测试原理81-83
• 5.3 系统位移响应及控制电流信号测试及处理流程83-85
• 5.4 基于电磁力的磁悬浮轴承支承参数测试试验85-87
• 5.5 不同测试方法结果对比87-90
• 5.6 本章小结90-91
• 第六章 总结与展望91-93
• 6.1 本文主要工作的总结91-92
• 6.2 后续研究及展望92-93
• 参考文献93-98
• 致谢98-99
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文99

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：812201