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气悬浮立式转子动平衡技术研究

陶继忠  
【摘要】:中国工程物理研究院在进行某空间装置质量特性综合测量设备的研制中,对该空间装置在低转速下的立式动平衡测量精度提出了很高要求。由于安全的原因,测量时空间装置的转速不能太高,而低转速下高精度的立式转子动平衡技术仍是一个有待深入研究的难题。因此,本论文在中国工程物理研究院科学技术基金的资助下,专题探索低转速下新的立式动平衡测量原理、测控装置的研制技术与方法。 通过分析各种动平衡测量原理和方法、关键技术与研究趋势,针对低转速下测量信号强度变弱的问题,本文提出一种新型的立式动平衡测量原理——气悬浮立式转子动平衡测量原理,并研制开发出相应的测控装置,重点对动不平衡量分离算法模型、动平衡测量装置的设计方法、系统结构、转子悬浮稳定性控制和测控数据处理等关键技术进行深入研究。本文在原理和工程应用中的主要研究成果和特色如下: (1)根据立式动平衡测量要求和气体静压支承特点,提出了气悬浮立式转子动平衡测量方法。其技术原理是转子被气体静压球面轴承稳定悬浮并由均匀水平分布的气流驱动而匀速转动,转子的动不平衡量将导致转子偏离水平位置,通过测量转子的偏移量即可计算转子的动不平衡量。 (2)提出一种气悬浮动平衡测量时在两个校正面上的不平衡分量与转子静、偶不平衡量之间关系的双面分离算法,建立了静、偶不平衡量与转子倾斜偏移量之间的线性关系方程。通过理论计算与实验分析得出线性参数后,即可根据转子偏移量直接计算出转子的静、偶不平衡量,无需进行校验转子标定。转子静、偶不平衡量在静止和转动时分别测量与校正,实现了静、偶不平衡量的直接分离,避免了两者之间的干扰。 (3)根据气悬浮动平衡测量的基本原理和工程需求,研究了用于动平衡测量的支承、驱动、气压分布测量、精密恒压供气、传感器标定等实验装置和机构的相应设计技术。重点设计了结构独特的双环缝球面节流器,并采用有限元分析技术对球面节流器在不同压力差时的变形情况进行了数值模拟。采用气涡流驱动方式,使转子转速更加恒定。设计的二自由度球面测头能测量球面节流器内部任意点的压力,进而得到 摘要 气体静压球面轴承间隙内的压力分布。 (4)气体静压球面轴承是整个实验装置的核心,其设计过程是一个多参数、多 约束的复杂优化问题。本文将遗传算法用于球面半径、支承角度、供气压力等主要结 构参数的优化,在此基础上进行了气体静压球面轴承的详细设计。实验结果验证了其 优化设计方法正确,效果好。 (5)分析了供气压力波动幅值与频率对转子空间姿态的影响。讨论了转子自激 振动成因,根据劳斯一霍尔维茨稳定性判据,提出了防止悬浮转子自激振动的解决方 法以指导球面节流器的结构设计。建立了以计算机为调节器的自适应P田控制系统, 实现了气体压力的直接数字闭环控制。 (6)针对低转速下弱信号降噪问题,采用剔除脉冲干扰和二次磨光法进行数据 预处理,并将遗传算法应用于信号处理,进行了有限冲激响应数字滤波和多频率信号 的信号参数识别的应用研究。为提高传感器的精度,采用多传感器数据融合技术标定 位移传感器,建立了传感器指标与影响因素间的联系。 (7)在以上原理和实验装置研究的基础上,采用统一建模语言和虚拟仪器开发 工具,建立了气悬浮动平衡测量和气压分布测量软件系统。采取了噪声屏蔽、软件检 错等必要的抗干扰措施,提高了测试系统的精度。所研制的实验装置和软件系统除了 能够完成动平衡实验,还可以进行转子悬浮稳定性、测量装置工程应用等实验。通过 多次实验结果的分析,表明所建立的测控系统,具有适应性强、使用灵活方便、复用 性好的特点。 关键词:空间装里的质量特性动平衡技术气悬浮立式转子气体静压球面轴承 动平衡测量装盖双面分离算法自适应pID控制多传感器数据融合技术


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