一種用于電磁軸承特性可控的彈性備用軸承

主動電磁軸承( Act ive Magnet ic Bear ing,AMB) 在航空多電發動機轉子支承結構上使用必須解決其可靠性問題。作為提高AMB 系統可靠性一種強有力的手段, 備用支承在實際中普遍使用。使用備用軸承的目的包括在AMB 不工作時支撐轉子、在AMB 過載情況下分擔軸承的載荷以及保證在AMB 突然失效的情況下能夠使轉子系統短時可靠工作。目前AMB 的備用軸承有多種形式, 如滾動型備用軸承、襯套型備用軸承、薄片氣體動壓型備用軸承、零間隙型備用軸承、行星型備用軸承等, 其中滾動和襯套型備用軸承最為常見。其他形式的備用軸承雖然在一定程度上能夠改善滾動和襯套型備用軸承的不足, 但其結構相對比較復雜, 本身的可靠性較低。另外這些備用軸承都是被動式的, 其動力特性難以進行控制和調整。近幾年, 基于轉子系統振動控制的研究, 主動備用軸承也得到了關注。對滾動型和襯套型備用軸承的研究結果已經表明 , 如果在滾動型或襯套型備用軸承外采用彈性阻尼支撐, 在合理選擇其阻尼和剛度的條件下, 可以減小AMB 失效后轉子在墜落過程中對備用軸承的碰撞力, 抑制系統中可能出現的對備用軸承有重要影響的具有較大沖擊力和振動在全間隙范圍內的大幅回轉運動?；谶@些研究結果, 本文將動力特性可控的徑向電渦流阻尼器、彈性支撐與滾動型或襯套型備用軸承相結合, 提出了一種動力特性可控的新型備用軸承。首先介紹了這種新型備用軸承的結構和工作原理, 然后在不同墜落轉速和轉子不平衡條件下測量了轉子墜落在新型備用軸承上的瞬態沖擊響應, 分析了新型備用軸承對轉子墜落在備用軸承過程中瞬態沖擊響應的抑制能力。
1 基本結構及原理
1.1 基本結構特性可控的彈性備用軸承實質上是一種彈性支撐的滾動型或襯套型備用軸承, 由動力特性可控的徑向電渦流阻尼器、彈性支撐與滾動型或襯套型備用軸承組合而成。滾動型動力特性可控的彈性備用軸承的基本結構。滾動軸承的內環與軸頸或軸之間留有一定的間隙, 形成傳統的帶有固定間隙滾動型備用軸承。滾動軸承的外環不是直接固定在剛性基礎上, 而是固定在一個彈性支撐上, 在彈性支撐上又以并聯的方式設置了一個動力特性可控的電渦流阻尼器, 通過電渦流阻尼器來改變彈性阻尼支撐的特性, 以達到實現對備用軸承動力特性的控制。動力特性可控彈性備用軸承中的徑向電渦流阻尼器由內、外環組成, 其間留有一定的間隙, 在導磁材料的內環或者外環上設置一組周向線圈以便在內、外環之間的間隙中形成工作磁場, 外環直接固定在軸承座內, 內環通過彈性支撐與基礎相連。彈性支撐的作用有3 個方面: 為了限制阻尼器內環的旋轉運動, 從而消除由阻尼器內環在磁場中旋轉可能產生的不穩定問題;為備用軸承提供必要的支撐剛度在阻尼器的內、外環都為磁性材料的情況下, 產生一個使內、外環不被吸在一起的線圈電流或電壓的工作范圍, 產生電渦流效應。如果將滾動軸承的外環換為襯套軸承的外軸瓦, 就形成了襯套型特性可控的彈性備用軸承結構。本文主要研究滾動型特性可控的彈性備用軸承的特性。11 2 工作原理特性可控的彈性備用軸承的工作原理是通過控制與彈性支撐并聯的徑向電渦流阻尼器的動力特性來改變備用軸承的動力特性。徑向電渦流阻尼器是基于導體在磁場中運動產生電渦流效應的原理工作的。對于一個在非時變電磁場中以速度v 運動的導體, 其磁場強度H( t) 滿足的方程為$ 2H( t) = LC9H( t)9t- LCcurl( v @ H( t) ) ( 1)式中: L和C分別為材料的磁導率和電導率; $2和curl 分別為微分算子和旋度符號。導體上產生的電流密度J 為J( t) = curl( H( t ) ) =1Lcurl(B( t ) ) ( 2)式中: B( t) = LH( t ) 為導體上的磁感應強度。電渦流產生的阻尼力F 為F =QV( J( t) @ B( t ) ) dV ( 3)式中: V 為導體的體積?？梢? 導體在恒穩磁場中運動時, 在導體上所產生的電渦流阻尼力的大小和方向均由在運動導體中形成的電渦流密度以及內外環間隙中的磁感應強度的大小來決定。因此只要通過改變阻尼器線圈上的電壓( 或電流) 來改變內外環間隙中徑向磁場的大小, 就可以改變阻尼器的特性。
2 試驗系統試驗
轉子由一個長700 mm、直徑8 mm 的均質柔性軸、一個均質圓盤、電磁軸承、特性可控的備用軸承、電機及連軸節等組成。軸的驅動端支撐在一個調心球軸承上, 非驅動端支撐在AMB上, 備用軸承緊靠AMB 的外端。圓盤位于兩個支承之間。備用軸承位置軸上軸頸、AMB 位置軸上軸頸和圓盤的質量分別為01 103, 11 060 和01 680 kg。盤的中心與非驅動端軸承中心、AMB中心以及備用軸承中心的距離分別為144, 331 和72 mm。轉子與電機間采用柔性連軸器, 以減小電機對轉子系統動力特性的影響。電機為帶有速度反饋控制的無刷直流電機, 最高速度6 000 r/ min。AMB 為8 極結構, 基本參數為: 單磁極面積290 mm2 、磁極內徑571 6 mm、軸向長度66 mm、直徑間隙11 6 mm、繞組電組01 35 8 。測量及控制系統基于d-SPACE 控制平臺和PC 機。為了保證轉子墜落試驗結果有很高的重復性, 試驗中采用了線圈電流同步切換以及轉子墜落位置準確控制的方法。試驗中特性可控的彈性備用軸承結構, 彈性備用軸承的彈性支撐元件的多層梁式結構。在彈性支撐的內部設置了一個球軸承。在球軸承的內圈上套有不同內徑的襯套, 以便與軸頸相配合, 形成所需的備用軸承間隙。在彈性支撐上并聯設置了一個電渦流阻尼器。阻尼器外徑為80 mm, 單邊工作區長度為10 mm, 直徑間隙為11 5 mm, 線圈匝數為80, 整個彈性支撐可動部分的集中質量為11 39 kg。備用軸承位于AMB 的外端, 備用軸承位置轉子軸頸的外徑為25 mm, 軸向長度為30 mm,直徑間隙為01 75 mm, 備用軸承內環和轉子軸頸的材料均為鋼。備用軸承位置軸頸的振動是利用安裝在球軸承附近的電渦流傳感器來測量的。
3 試驗結果及分析
3.1 特性可控彈性備用軸承的基本特性
首先在非旋轉狀態下進行了彈性備用軸承單元在不同激勵電流情況下的頻響函數測試。試驗是在轉子與備用軸承脫離后, 給電渦流阻尼器的線圈上通有恒定的電流, 在彈性備用軸承的水平或垂直方向上用力錘激勵, 用質量較小的加速度傳感器來測量系統的響應, 然后得到彈性備用軸承單元在不同激勵電流條件下的頻響函數。不同激勵電流條件下可控彈性備用軸承單元在垂直方向上的頻響函數曲線。由圖4 可以看出, 無激勵電流時, 彈性備用軸承實際上就是支撐在彈性支撐上, 這時系統的阻尼很小, 所以在頻響函數上出現了一個明顯的尖峰。在電渦流阻尼器上施加一定的電流后, 由于電渦流阻尼器的內、外環均為導磁材料, 所以在阻尼器內、外環不同心的情況下會產生一個單邊磁拉力; 另外當內環在磁場中運動時還出現了一個電渦流阻尼力。前者使彈性備用軸承的等效剛度下降, 后者會使其等效阻尼增大, 兩者的共同作用使得彈性備用軸承的頻響函數的尖峰迅速下降并向低轉速方向移動。試驗中彈性備用軸承電渦流阻尼器內、外環被吸在一起的線圈電流的臨界值為01 8 A, 試驗中的電流范圍取為0~ 01 4 A 。通過對從圖4 中給出的彈性備用軸承單元頻響函數曲線上得到的彈性備用軸承的固有頻率變化率和無量綱阻尼比的變化率隨線圈電流的變化情況的分析, 容易說明電渦流阻尼器上的單邊磁拉力形成的負剛度引起的彈性備用軸承等效剛度降低并非是頻響函數尖峰迅速下降并向低轉速方向移動的主要因素, 徑向電渦流阻尼器中的電渦流阻尼作用才是系統的無量綱阻尼比發生明顯變化的關鍵[ 13] ?？梢娭灰淖冸姕u流阻尼器線圈上的電壓或電流的大小就完全可以達到對彈性備用軸承動力特性進行控制的目的。
3.2 AMB 轉子系統的不平衡響應
支撐在AMB 上的轉子系統在增速過程中的不平衡響應曲線。由圖可以看出,AMB 轉子系統在轉速為1 850 r/ min 的轉速附近出現了明顯的共振現象。增速過程中, 盤在共振轉速區的最大振幅接近11 40 mm, 備用軸承軸頸處的最大振幅接近01 35 mm, 但沒有接觸備用軸承。
3.3 轉子墜落試驗結果及分析
轉子不平衡量較小情況下, 分別在亞臨界1 700 r/ min 和超臨界區2 200 r/ min 的轉速下, AMB 連續3 次失效前后備用軸承軸頸位置處的運動軌道。圖中的大圓圈表示備用軸承的間隙圓, 小的閉合軌道表示AMB 失效前備用軸承軸頸的運動軌道, x 和y 分別表示備用軸承軸頸水平和垂直方向的振動。由于備用軸承外面電渦流阻尼器的工作間隙較大以及傳感器不在備用軸承的中心位置, 所以當轉子墜落在備用軸承上時, 備用軸承軸頸的運動幅度會超過備用軸承的間隙圓。在無電流時, AMB 失效后備用軸承的軸頸出現了以自由落體) 碰撞彈起) 自由落體為特征的在間隙圓底部的擺動運動, 這時軸頸擺動運動的幅值較大, 而且轉子與備用軸承之間的撞擊次數較多。隨著線圈電流的增大, AMB 失效后軸頸雖然仍然在間隙圓底部擺動, 但是擺動的幅度明顯減小。當線圈中的電流超過一定值之后, 不僅軸頸擺動的幅度很小, 而且擺動的過程明顯縮短, 轉子與備用軸承之間的撞擊次數明顯減小, 甚至出現圖7( d) 中僅發生一次撞擊后就不再發生反彈的情況, 轉子墜落在備用軸承上后很快就進入正常運行狀態。轉子的不平衡量增大后, 在2 200 r/ min轉速下, AMB 連續3 次失效前后備用軸承軸頸位置處的運動軌道。由于轉子不平衡量的增大, 轉子的振動增大, 所以在AMB 失效后轉子墜落過程中的運動軌道也增大, 但AMB 失效后軸頸的運動仍然是在間隙圓下部的擺動, 轉子與備用軸承之間的撞擊次數較多。隨著備用軸承中電渦流阻尼器激勵電流的增大, AMB 失效后軸頸在間隙圓底部的擺動運動的幅度明顯減小, 轉子與備用軸承之間的撞擊次數也減小。2 200 r / min 穩態轉速下激勵電流對AMB 失效后轉子墜落過程中軸頸運動軌跡的影響( 轉子不平衡量增大)在電渦流阻尼器施加較大電流的大量轉子墜落試驗中, 未曾觀察到對備用軸承有重要影響的以碰撞彈起) 加速落體) 碰撞彈起為特征的在整個間隙圓范圍的碰撞型回轉運動以及備用軸承的軸頸與備用軸承始終接觸在一起的摩擦型回轉運動。
4 結 論
基于徑向電渦流阻尼器和彈性支撐形成的動力特性可控的滾動型備用軸承, 能夠明顯地減小主動電磁軸承失效后轉子墜落在備用軸承上的瞬態動力響應以及轉子對備用軸承的沖擊作用, 降低轉子在墜落后出現的對備用軸承和轉子有顯著影響的在整個間隙圓范圍內的碰撞型回轉運動以及備用軸承的軸頸與備用軸承始終接觸在一起的摩擦型回轉運動的運行形式。