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可倾瓦轴承—转子系统的非线性动力学分析与主动控制

宫晓春  
【摘要】:随着大型旋转机械向高转速、高负载、高精度等方向发展,其核心部件轴承—转子系统的非线性动力失稳问题越来越突出。因此,需要深入研究轴承—转子系统的非线性动力学特性和失稳机理以及其结构参数和运行参数对稳定性的影响规律。滑动轴承的油膜力是其中极为典型的非线性因素之一,建立一个合理且易于解析处理的油膜力模型对于轴承—转子系统运动稳定性分析和工程应用都具有重要意义。另一方面,要对导致轴承—转子系统动力失稳的因素加以控制,采用有效措施提高系统的运动稳定性,转子在工作中一旦出现异常振动现象,要立即采取有效的纠正措施,避免动力失稳后产生更加严重的后果。对于轴承—转子系统的振动控制问题,控制装置的设计与控制器参数的调节在很大程度上决定了控制性能的好坏。 本文的研究工作主要集中在两个方面,即可倾瓦轴承非线性油膜力解析模型的建立和轴承—转子系统的振动主动控制。首先建立了可倾瓦滑动轴承的非线性油膜力解析模型,接着针对可倾瓦轴承—转子系统油膜失稳等问题采用主动润滑系统进行控制,并设计了多种行之有效的控制器,计算分析在各种控制器作用下转子系统油膜失稳的控制情况,取得的主要成果有: 1.基于短轴承假设,建立了可倾瓦轴承非线性油膜力的解析模型。首先根据轴承单个瓦块与转子的运动平衡关系和几何关系,推导出了瓦块摆角的计算公式,基于短轴承假设和Reynolds边界条件求得了每个瓦块上的油膜压力分布,并采用油膜压力的修正函数来确定油膜力的自由边界条件,对每个瓦块的油膜压力进行积分得到其油膜力,进而将所有瓦块的油膜力进行矢量求和得到了整个可倾瓦轴承的非线性油膜力的解析表达式。利用油膜力解析模型分析了可倾瓦轴承—非对称转子系统的动力学特性,通过和有限差分法导出的油膜力模型的计算结果进行比较,证实了本文油膜力解析模型的有效性和实用性。 2.针对可倾瓦轴承—非对称转子系统存在的油膜涡动等失稳现象,设计了基于PI、PID的主动润滑控制系统。本文建立了基于电液控制系统的主动可倾瓦轴承的动力学模型,包括在主动润滑下可倾瓦轴承的油膜厚度,主动润滑Reynolds方程,电液控制系统方程等。为便于控制的实现,采用工程上常用的PI、PID控制器对可倾瓦轴承—非对称转子系统进行控制,并分析其动力学响应。研究结果表明,在主动润滑控制系统的作用下,转子系统的振动得到很好的抑制,系统发生油膜涡动时的转速得到提高,系统稳定工作的转速范围得到拓宽,并且发生油膜涡动时系统的振幅也得到了抑制。 3.针对电液控制系统存在的高度非线性、时变不确定性等问题,采用神经网络技术对主动润滑控制系统进行改进。利用RBF神经网络和BP神经网络来优化常规的PID控制器的参数,处理液压系统中的不确定性,以满足液压伺服系统的动态性能和静态性能要求。针对主动润滑控制系统设计了RBF神经网络PID和BP神经网络PID控制器。并采用基于这两种控制器的主动润滑系统对可倾瓦轴承—非对称转子系统进行控制,数值计算的结果表明,与PI、PID控制器的作用效果相比,基于神经网络PID控制的主动润滑系统在控制精度和动态性能等方面的都有明显的优越性。 4.在利用神经网络技术优化PID控制器参数的基础上,进一步设计了模糊PID和模糊神经网络PID控制器来改进主动润滑控制系统。将模糊控制不依赖精确模型、算法灵活而神经网络具有很强的鲁棒性和非线性映射能力等特点相结合,采用模糊控制和模糊神经网络控制在线整定PID控制器的参数。分析计算了基于模糊PID和模糊神经网络PID控制器作用下可倾瓦轴承—非对称转子系统的动力学响应,与之前设计的控制器比较,模糊PID和模糊神经网络PID控制具有更好的控制性能。 5.研究了一类可倾瓦轴承双盘外伸转子系统的非线性动力学分析和主动控制问题。基于有限元法建立了系统的非线性动力学方程,油膜力采用本文导出的可倾瓦轴承非线性油膜力解析模型。采用数值方法对该系统的耦合动力学方程进行求解,分析了转子系统的非线性动力学特性。在没有主动润滑的情况下,随着转速的升高会出现油膜涡动和油膜振荡等失稳现象,采用基于模糊PID和模糊神经网络PID控制器的主动润滑对该系统进行控制的结果表明,主动润滑系统能够完全消除油膜振荡现象,较好的抑制油膜涡动时转子系统的振幅,极大的拓宽转子系统稳定运行的转速范围。比较而言,模糊神经网络PID控制的效果优于模糊PID控制。


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