CN104864030A - 一种小型复合材料转子振动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于机械控制技术领域的一种小型复合材料转子振动控制方法。根据转子的几何尺寸，在转子制造时采用玻璃纤维或碳纤维加上环氧树脂缠绕形成圆柱形筒，同时在环氧树脂中加入磁化材料后得到复合材料转子；在复合材料转子外围加上与其非接触的激励线圈、测量复合材料转子振动的位移传感器、以及控制器；控制器通过位移传感器测得复合材料转子的振动特性后发出电流指令，电流施加于激励线圈，实现对复合材料转子振动的控制。由复合材料转子，位移传感器，控制器和激励线圈形成了一个负反馈回路，能够使复合材料转子的振动达到尽可能小，有利于复合材料转子通过临界转速。

Description

一种小型复合材料转子振动控制方法

技术领域

本发明属于机械控制技术领域，尤其是涉及一种小型复合材料转子振动控制方法。

背景技术

转子是旋转机械工作时转动的部件，由于实际转子均有不平衡量，所以转子旋转时由于不平衡量激励会产生振动。这种振动会使转子工作在临界转速下时发生共振，或者过大振动会影响转子的正常运行。因此，如何减小转子振动的幅度是旋转机械中至关重要的课题。

转子的具体形式由旋转机械功能确定，比如飞机发动机是涡轮叶片，汽车轮胎也属于转子。本发明中的转子由复合材料制成，能够达到较金属材料更高的旋转角速度，同时直径较小，质量较轻。

减小转子振动的方法包括质量平衡法(减小转子不平衡量)、阻尼调节法、主动控制法等。质量平衡法就是采用实验的方法检测得到转子不平衡质量的大小和位置，利用加重或者减重的措施减小转子总的失衡量，进而减小转子旋转时的振动量，这种方法被广泛应用于转子制造过程；阻尼调节法是针对转子振动的具体特性，通过增加阻尼使转子振动减小，这种方法经常被用于转子系统设计和装配中的调节；主动控制法是实时检测转子的振动频率和相位，采用如施加电磁力的方法减小转子的振动，这种方法较适合不可预测下转子的振动。具体实施方法视转子具体结构和应用而定。

本发明提出一种小型复合材料转子振动控制方法，所述方法属于主动控制法。复合材料转子用于高速旋转机械时，采用质量平衡法往往不能达到要求， 阻尼调节法在复合材料转子跨越临界转速时调节能力有限，然而，采用主动控制法能够在振动超过限制值时短时间内调节复合材料转子过大的振动量。本发明提出的振动控制方法能够使复合材料转子振动减小，有利于复合材料转子通过临界转速。

发明内容

本发明的目的在于提出一种小型复合材料转子振动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据转子的几何尺寸，在转子制造时采用玻璃纤维或碳纤维加上环氧树脂缠绕形成圆柱形筒，同时在环氧树脂中加入磁化材料后得到复合材料转子；

2)在复合材料转子外围加上与其非接触的激励线圈、测量复合材料转子振动的位移传感器、以及控制器；

3)控制器通过位移传感器测得复合材料转子的振动特性后发出电流指令，电流施加于激励线圈，实现对复合材料转子振动的控制。

所述激励线圈为一对安装于复合材料转子外围，与复合材料转子非接触且成90度角放置的激励线圈，激励线圈的个数至少为2个。

所述测量复合材料转子振动的位移传感器的个数至少为2个，90度角安装。

所述复合材料转子的振动特性为复合材料转子振动的幅值和相位，采用位移传感器测量得到复合材料转子振动的幅值和相位，同时通过激励线圈实时地对复合材料转子施加电磁力，从而实现对复合材料转子振动的控制。

本发明的有益效果是提出一种小型复合材料转子振动控制方法，能够使复合材料转子振动减小，有利于复合材料转子通过临界转速。

附图说明

图1为小型复合材料转子振动控制装置示意图。

图2为位移传感器与激励线圈安装位置示意图。

图中标号：1-复合材料转子、2-位移传感器、3-控制器、4-激励线圈、5-轴承、6-环氧树脂加磁化材料区域、7-第一位移传感器、8-第二位移传感器、9-第一激励线圈、10-第二激励线圈。

具体实施方式

本发明提出一种小型复合材料转子振动控制方法，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

图1为小型复合材料转子振动控制装置示意图，复合材料转子1在旋转时,由于质量不平衡产生了振动,这一振动由位移传感器2得到测量，位移传感器2测量得到复合材料转子1振动的幅值和相位，位移传感器2包括第一位移传感器7和第二位移传感器8，第一位移传感器7和第二位移传感器8的相位相差90度(如图2所示)，振动的幅值与复合材料转子1本身的特性和转速都有关，也与外界干扰大小有关。激励线圈4包括第一激励线圈9和第二激励线圈10(如图2所示)，控制器3得到了位移传感器2的振动信号，对振动信号进行了判断，得到了需要激励线圈4给复合材料转子1施加的力和相位，并计算出第一激励线圈9和第二激励线圈10的电流，控制器3发出指令，使第一激励线圈9和第二激励线圈10加上计算出的电流，计算出的第一激励线圈9和第二激励线圈10的电流各不相同。第一激励线圈9和第二激励线圈10在电流的作用下产生两个磁场，两个磁场产生了一个给定大小和相位的磁场力，这一磁场力作用于复合材料转子1，磁场力与复合材料转子1不平衡力产生抵消作用，抵消的效果使得复合材料转子1的振动变小。抵消以后变小的振动进一步由位移传感器2测量，位移传感器2进一步把信号送给控制器3，由控制器3再计算出电流，提供给激励线圈4产生磁场力作用于复合材料转子1。这样，由复合材料转子1，位移传 感器2，控制器3和激励线圈4形成了一个负反馈回路，用来控制复合材料转子1的振动达到尽可能小，满足运行要求。复合材料转子1上有环氧树脂加磁化材料区域6，轴承5用于支撑复合材料转子1，降低复合材料转子1运动过程中的摩擦系数，并保证复合材料转子1的回转精度。

激励线圈为一对安装于复合材料转子外围，与复合材料转子非接触且成90度角放置的激励线圈，激励线圈的个数至少为2个；测量复合材料转子振动的位移传感器的个数至少为2个，90度角安装；复合材料转子振动特性为复合材料转子振动的幅值和相位，采用位移传感器测量得到复合材料转子振动的幅值和相位，同时通过激励线圈实时地对复合材料转子施加电磁力，从而实现对复合材料转子振动的控制。

复合材料转子只要旋转总有振动，其振动幅值的大小除了与复合材料转子本身的失衡量有关之外，还与复合材料转子运行速度是否处于临界转速附近有关。在不同转速下，一个简单复合材料转子的振幅可以用以下公式表示：

$r=\frac{{\mathrm{e\ω}}^2}{\sqrt{{(p^2-{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\left(2\mathrm{\ξ\ω}\right)}^2}}$

其中，r是复合材料转子振动的幅值；e表示复合材料转子不平衡量的偏心距；p是由复合材料转子结构决定的复合材料转子的特征频率；ω是复合材料转子旋转的角频率；ξ是复合材料转子旋转时受到的阻尼；当复合材料转子旋转的角频率ω接近其特征频率p时，复合材料转子发生共振，表现为振幅很大。

采用主动控制法减小振动幅值，可利用具有非接触特性的电磁作用力。进行控制时，首先需要测量得到复合材料转子的振幅和对应的相位，这一过程需要通过位移传感器测得信号进行计算完成。采用电磁力控制复合材料转子的振动是一个闭环过程。比如，采用复合材料转子位移x及其导数(即速度v)的信号 来得到激励线圈的控制电流i(x)：

$i\left(x\right)=-\frac{(k-\mathrm{ks})x+\mathrm{vd}}{\mathrm{ki}}$

上式是复合材料转子振动的幅值r在x方向的控制公式,y方向的控制公式相似。其中，x是复合材料转子振动的幅值r在x方向的分量；i(x)是经过激励线圈的电流，由控制器经计算得到；v是x的速度，就是x对于时间的导数；d，k，ks，ki都是控制公式的有关常数，经计算确定。

电磁力的大小与复合材料转子的质量和振幅有关；电磁力的提供能力与激励线圈设计有关；电磁力能否在合适的时刻施加到复合材料转子合适的位置则需要经过精确地计算得知。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种小型复合材料转子振动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据转子的几何尺寸，在转子制造时采用玻璃纤维或碳纤维加上环氧树脂缠绕形成圆柱形筒，同时在环氧树脂中加入磁化材料后得到复合材料转子；

2)在复合材料转子外围加上与其非接触的激励线圈、测量复合材料转子振动的位移传感器、以及控制器；

3)控制器通过位移传感器测得复合材料转子的振动特性后发出电流指令，电流施加于激励线圈，实现对复合材料转子振动的控制。

2.根据权利要求1所述一种小型复合材料转子振动控制方法，其特征在于，所述激励线圈为一对安装于复合材料转子外围，与复合材料转子非接触且成90度角放置的激励线圈，激励线圈的个数至少为2个。

3.根据权利要求1所述一种小型复合材料转子振动控制方法，其特征在于，所述测量复合材料转子振动的位移传感器的个数至少为2个，90度角安装。

4.根据权利要求1所述一种小型复合材料转子振动控制方法，其特征在于，所述复合材料转子的振动特性为复合材料转子振动的幅值和相位，采用位移传感器测量得到复合材料转子振动的幅值和相位，同时通过激励线圈实时地对复合材料转子施加电磁力，从而实现对复合材料转子振动的控制。