HBM-800T立式斜流泵磁懸浮軸承研究.pdf

1、目前，在國內大中型泵站的機組中，導軸承可靠性不高、使用壽命短、維修工作量大是一個普遍性的問題。目前使用廣泛的水潤滑橡膠軸承以及賽龍軸承在比較復雜的環(huán)境中工作時，容易出現軸承損壞或者是主軸損壞等問題，因此尋求一種穩(wěn)定性高、使用壽命長的高性能導軸承，以保證立式斜流泵可靠運行是很有現實意義的。研究表明，磁軸承應用于立式斜流泵具備無接觸、剛度和阻尼可調等傳統(tǒng)軸承無法比擬的優(yōu)勢。
　　 課題在調研了國內、外立式斜流泵導軸承及磁懸浮軸承的現

2、狀和發(fā)展的基礎上，以混合磁軸承應用于HBM-800T立式斜流泵進而改善該型立式斜流泵的運行穩(wěn)定性為研究目標。考慮課題涉及機械學、力學、電磁學、控制理論、電子技術等多學科綜合的特性，在不失系統(tǒng)一般性的前提下，突出研究重點，分別研究磁軸承新結構、葉片振動與轉子及磁軸承耦合動力學、魯棒控制等系統(tǒng)核心組成部分。
　　 主要工作及成果如下:
　　 1.提出一種應用于立式斜流泵的新型混合徑向磁軸承，這種混合磁軸承是永磁磁軸承和電磁磁

3、軸承的組合。其中永磁磁軸承采用的是斥力型Halbach陣列永磁環(huán)堆疊結構，主動磁軸承采用8磁極結構，其巾4對磁極徑向分布，每對磁極軸向布置，永磁磁路與電磁磁路相互獨立。小擾動偏移可以由被動磁軸承消除;擾動較大時，轉子的位移由永磁磁軸承和電磁磁軸承共同控制，從而在一定程度上降低主動磁軸承的功耗。研究結果表明，新型混合磁軸承應用于立式斜流泵具備節(jié)能及可控的優(yōu)點。
　　 2.立式斜流泵轉子較長，運轉過程中，容易產生振動，尤其當泵高速運

4、轉時，容易發(fā)生葉片與殼體碰摩，非線性振動等有害因素，因此研究轉子動力學理論，有利于解決泵的非線性動力學問題。課題建立一個葉片-轉子-磁軸承系統(tǒng)的非線性動力學模型來分析葉片、轉子和磁軸承之間的相互作用。利用Lagrange方程獲得系統(tǒng)的耦合動力學微分方程。采用集中質量法、正交變換及周期變換將具有時變系數的耦合方程轉化為常系數微分方程。數值計算結果表明這種系統(tǒng)具有豐富的非線性動力學現象，進入混沌的道路是通過陣發(fā)方式實現的。隨后混沌運動演化為

5、周期1運動，退出混沌運動狀態(tài);通過在較寬的轉速范圍數值計算表明，系統(tǒng)響應是倍周期運動，說明系統(tǒng)響應在轉速大范圍內是穩(wěn)定的。雖然出現局部混沌運動，但轉子無量綱位移振幅不大，遠小于永磁軸承工作氣隙，沒有發(fā)生碰摩現象。
　　 3.磁懸浮軸承除了無接觸外，還有一個很顯著的特點就是磁軸承的剛度可通過設計合適的控制系統(tǒng)按控制規(guī)律調整。所以研究混合磁軸承系統(tǒng)的組成及相關結構參數與控制系統(tǒng)的承載能力及剛度特性很有必要。課題采用電流分散控制策略，

6、考慮功率放大器、控制電路和位移傳感器增益特性，以及位移傳感器位置耦合問題，并對系統(tǒng)狀態(tài)矩陣及輸入矩陣進行強制解耦，進而實現新型混合磁軸承的轉了系統(tǒng)進行建模。通過以上步驟已經得到單個自由度上的磁軸承-轉了系統(tǒng)傳遞函數，為系統(tǒng)控制器的設計奠定基礎。
　　 4.提出一種應用于立式斜流泵磁軸承轉了控制系統(tǒng)的L2魯棒控制器。由于目前磁懸浮軸承系統(tǒng)的動態(tài)特性還不能完全被人們掌握，很難得到磁懸浮軸承系統(tǒng)精確的數學模型，即存在模型“不確定性”。

7、這些“不確定性”的主要來源是磁軸承電磁鐵與轉子之間以及與所處的環(huán)境體現出來的多場耦合問題。針對立式斜流泵混合磁軸承工作特點，首先將磁懸浮軸承電流控制器的設計問題轉化為標準的L2問題進行設計。其次，基于無源化理論及遞推解法求出系統(tǒng)的存儲函數，并證明滿足耗散不等式及閉環(huán)系統(tǒng)在原點全局漸近穩(wěn)定。最后，用Matlab對L2控制的立式斜流泵磁懸浮軸承系統(tǒng)進行仿真，并與PID控制器的控制效果進行比較研究。結果表明，L2魯棒控制策略相對PID控制策略