CN114218687A - 一种采用位移信号识别磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应方法 - Google Patents

一种采用位移信号识别磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种采用位移信号识别磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应方法，计算轴系转子恰好能够绕保护轴承内圈转动一圈时的临界公转角速度ω，采集轴心x轴和y轴坐标；计算轴心在x轴和y轴方向上的位移xp和yp及td时间内各采样点处轴心径向位移rd；在td时间内存在轴系与保护轴承内圈的径向位移rd小于轴系与保护轴承内圈的间隙D的点，则轴系响应为混合摩擦和弹跳，反之则为钟摆振动或全周摩擦；在单次采样时间长度tdd是否有转子轴心的y轴方向的位移yp≥0，若有则轴系响应为全周摩擦，否则为钟摆振动。本发明利用轴系转子两端轴心的x和y方向上的坐标来识别轴系跌落后的响应状态，此识别方法直观简单，且计算速度快并具有良好的精度。

Description

一种采用位移信号识别磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应方法
技术领域
本发明属于磁悬浮轴系位移信号后处理技术，涉及一种采用位移信号识别磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应方法，具体为根据轴系转子位移信号区分磁悬浮轴承高速轴系跌落后轨迹响应的方法。
背景技术
磁悬浮轴承稳定运转时不存在机械接触，转子可运行到很高的转速，具备机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。而且磁悬浮轴承的刚度、阻尼可调节，因此在旋转机械领域的应用前景良好。磁悬浮轴承高速轴系发生跌落时，轴系与保护轴承内圈之间将发生碰撞和摩擦。根据ISO14839，磁悬浮轴承轴系跌落后的轨迹响应包括钟摆振动、混合摩擦和弹跳以及全周摩擦。针对不同轨迹响应采用有针对性的控制策略可以有效降低跌落转子和保护轴承的损伤。这就需要一种可以迅速识别轴系跌落后轨迹响应类型的方法。
本发明提出的识别方法是利用轴系转子两端轴心的x和y方向上的坐标来识别轴系跌落后的响应状态，此识别方法可快速识别出轨迹响应类型，为后续控制策略调整打好基础，不但计算速度快而且具有良好的稳定性。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种采用位移信号识别磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应方法，旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一；本方法仅使用轴系转子的位移信号，获取容易，计算简单便捷。
技术方案
一种一种采用位移信号识别磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：计算轴系转子恰好能够绕保护轴承内圈转动一圈时的临界公转角速度ω，并以td为第一单次采样时间长度，以采集频率SR采集该时间长度内的轴心x轴和y轴位置坐标；
所述
Figure BDA0003322480270000021
其中：p为计算系数
步骤2：根据轴心x轴和y轴位置坐标，得知轴心在x和y方向上的位移xp和yp，再计算td内各采样点处轴心径向位移rd；
步骤3：在td时间内是否存在轴系与保护轴承内圈的径向位移rd小于轴系与保护轴承内圈的间隙D的点，若有则轴系响应为混合摩擦和弹跳，反之则为钟摆振动或全周摩擦；
步骤4：取第二单次采样时间长度tdd并查看在tdd时间内是否有转子轴心的y轴坐标yp≥0，若有则轴系响应为全周摩擦，否则为钟摆振动；
所述第二单次采样时间长度tdd＝k×td，其中k为计算系数。
所述临界公转角速度ω的计算公式为：
Figure BDA0003322480270000022
其中：g为重力加速度，δ为轴系绕保护轴承内圈转动的半径也即轴系转子与保护轴承内圈之间的间隙D。
所述计算系数p为1.05。
所述各采样点处轴心径向位移
Figure BDA0003322480270000023
其中：xp和yp为采样点的轴心在x和y方向上的位移。
所述计算系数取0.5。
所述采样频率SR取100000。
有益效果
本发明提出的一种一种采用位移信号识别磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应方法，包括以下步骤：第一步，计算轴系转子恰好能够绕保护轴承内圈转动一圈时的临界公转角速度ω，并取td为单次采样时间长度,采样频率为100000，采集该时间长度内的轴心x轴和y轴坐标；第二步，根据轴心x轴和y轴位置坐标得出轴心在x轴和y轴方向上的位移xp和yp再计算td时间内各采样点处轴心径向位移rd；第三步，查看在td时间内是否有轴系与保护轴承内圈的径向位移rd小于轴系与保护轴承内圈的间隙D的点，若有则轴系响应为混合摩擦和弹跳，反之则为钟摆振动或全周摩擦；第四步，另取单次采样时间长度tdd并查看在tdd时间内是否有转子轴心的y轴方向的位移yp≥0，若有则轴系响应为全周摩擦，否则为钟摆振动。本发明的方法旨在提出一种磁悬浮轴承轴系跌落后轨迹响应识别方法，该方法是利用轴系转子两端轴心的x和y方向上的坐标来识别轴系跌落后的响应状态，此识别方法直观简单，且计算速度快并具有良好的精度。
附图说明
图1是本发明基于轴系转子两端轴心位移来识别轴系跌落轨迹响应的流程图；
图2是根据本发明一个具体实施例的最终进入钟摆振动的轴系响应轨迹曲线；
图3是根据本发明一个具体实施例的最终进入全周摩擦的轴系响应轨迹曲线；
图4是图2所示轴系转子轴心在不同采样时间起点的径向位移；
图5是图3所示轴系转子轴心在不同采样时间起点的径向位移；
图6为图2所示轴系转子轴心径向位移满足rd≤D的采样点个数；
图7为图3所示轴系转子轴心径向位移满足rd≤D的采样点个数；
图8为图2所示轴系转子轴心y轴方向位移yp,满足yp≥0时的采样点个数；
图9为图3所示轴系转子轴心y轴方向位移yp,满足yp≥0时的采样点个数。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
图1为轴系跌落轨迹响应识别方法流程图，在本实施例中，该方法在Matlab软件平台下进行实现。基于仿真模型，对方法进行演示和说明。
图2和图3分别为轴系最终进入钟摆振动和全周摩擦的轨迹响应曲线。
基于此，在本实施例中，该方法包括以下步骤：
第一步，计算轴系转子恰好能够绕保护轴承内圈转动一圈时的临界公转角速度ω，其公式为：
Figure BDA0003322480270000041
其中g为重力加速度为9.8m/s2，δ为轴系转轴与保护轴承内圈的间隙D也即半径间隙为1.5×10-4m,所以ω为255.604rad/s。
则取轴系转子绕保护轴承内圈运动一周的最长时间并且为了减小误差设td为单次采样时间长度，其公式为:
Figure BDA0003322480270000042
其中p为计算系数，在本示例中p＞1即可，这里取p＝1.05。如图2和图3所示本实例采集了约0.5s的位移信号，且单次采样时间长度td为0.02581s。
第二步，计算轴系转子在一次采样时间长度td内各采样点处轴心径向位移rd，其计算公式为：
Figure BDA0003322480270000043
其中xp和yp为轴系轴心在x轴和y轴方向上的位移。
第三步，查看在td时间内是否有轴系与保护轴承内圈的径向位移rd小于轴系与保护轴承内圈的间隙D的点，若有则轴系响应为混合摩擦和弹跳，反之则为钟摆振动或全周摩擦。由图6可知，轴系响应约在0.089s后脱离弹跳进入钟摆振动或全周摩擦，结合图4(约在0.063s处脱离弹跳)基本符合。由图7可知，轴系响应约在0.085s后脱离弹跳进入钟摆振动或全周摩擦，结合图5(约在0.060s处脱离弹跳)基本符合。
第四步，另取单次采样时间长度tdd并查看在tdd时间内是否有转子轴心的y轴坐标yp≥0，若有则轴系响应为全周摩擦，否则为钟摆振动。tdd的计算公式为：
tdd＝k×td
其中k为计算系数，这里取k＝0.5。如图2和图3所示本实例采集了约0.5s的位移信号，且单次采样时间长度tdd为0.012905s。由图8可知，约在0.012s后，轴系轴心的y轴坐标没有大于0的点，符合图2钟摆运动的特征。由图9可知，约在0.012s后一直都有轴系轴心的y轴坐标大于0的点，符合图3全周摩擦的特征。由此可知，该方法可以正确鉴别高速磁悬浮轴承在跌落后轴系响应类型，并找到了两次轴系响应脱离混合摩擦和弹跳的时间。

Claims (6)

1.一种一种采用位移信号识别磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：计算轴系转子恰好能够绕保护轴承内圈转动一圈时的临界公转角速度ω，并以td为第一单次采样时间长度，以采集频率SR采集该时间长度内的轴心x轴和y轴位置坐标；
所述
Figure FDA0003322480260000011
其中：p为计算系数
步骤2：根据轴心x轴和y轴位置坐标，得知轴心在x和y方向上的位移xp和yp，再计算td内各采样点处轴心径向位移rd；
步骤3：在td时间内是否存在轴系与保护轴承内圈的径向位移rd小于轴系与保护轴承内圈的间隙D的点，若有则轴系响应为混合摩擦和弹跳，反之则为钟摆振动或全周摩擦；
步骤4：取第二单次采样时间长度tdd并查看在tdd时间内是否有转子轴心的y轴坐标yp≥0，若有则轴系响应为全周摩擦，否则为钟摆振动；
所述第二单次采样时间长度tdd＝k×td，其中k为计算系数。
2.根据权利要求1所述磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应识别方法，其特征在于：所述临界公转角速度ω的计算公式为：
Figure FDA0003322480260000012
其中：g为重力加速度，δ为轴系绕保护轴承内圈转动的半径也即轴系转子与保护轴承内圈之间的间隙D。
3.根据权利要求1所述采用位移信号识别磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应方法，其特征在于：所述计算系数p为1.05。
4.根据权利要求1所述采用位移信号识别磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应方法，其特征在于：所述各采样点处轴心径向位移
Figure FDA0003322480260000013
其中：xp和yp为采样点的轴心在x和y方向上的位移。
5.根据权利要求1所述采用位移信号识别磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应方法，其特征在于：所述计算系数取0.5。
6.根据权利要求1所述采用位移信号识别磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应方法，其特征在于：所述采样频率SR取100000。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN106503387A (zh) * 2016-11-08 2017-03-15 清华大学 一种磁悬浮轴承轴系跌落轨迹响应识别方法
CN107220456A (zh) * 2017-06-20 2017-09-29 清华大学 磁悬浮轴系跌落轨迹识别与重新悬浮的控制方法及装置

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Non-Patent Citations (1)

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朱益利等: "保护轴承系统中弹性环不同安装位置对转子跌落后动力学响应的影响", 《航空动力学报》 *

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