CZ2012506A3 - Systém pro kaskádní aktivní řízení hydrodynamických kluzných ložisek piezoaktuátory - Google Patents

Systém pro kaskádní aktivní řízení hydrodynamických kluzných ložisek piezoaktuátory Download PDF

Info

Publication number
CZ2012506A3
CZ2012506A3 CZ2012-506A CZ2012506A CZ2012506A3 CZ 2012506 A3 CZ2012506 A3 CZ 2012506A3 CZ 2012506 A CZ2012506 A CZ 2012506A CZ 2012506 A3 CZ2012506 A3 CZ 2012506A3
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
shaft
piezoactuator
housing
sensor
axis
Prior art date
Application number
CZ2012-506A
Other languages
English (en)
Other versions
CZ304672B6 (cs
Inventor
Jiří Tůma
Jiří Šimek
Jaromír Škuta
Antonín Víteček
Jaroslav Los
Jaromír Zavadil
Vladimír Starý
Original Assignee
Vysoká Škola Báňská-Technická Univerzita Ostrava
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vysoká Škola Báňská-Technická Univerzita Ostrava filed Critical Vysoká Škola Báňská-Technická Univerzita Ostrava
Priority to CZ2012-506A priority Critical patent/CZ304672B6/cs
Publication of CZ2012506A3 publication Critical patent/CZ2012506A3/cs
Publication of CZ304672B6 publication Critical patent/CZ304672B6/cs

Links

Landscapes

  • Support Of The Bearing (AREA)

Abstract

Systém pro aktivní řízení hydrodynamických kluzných ložisek s pohyblivým pouzdrem (1) rozšiřuje provozní otáčky použitím elektronické stabilizační zpětné vazby zprostředkované piezoaktuátory (7, 8), které ovládají regulátory (20, 21) polohy. Jejich žádané hodnoty (22, 23) jsou výstupem dvouparametrového regulátoru (17) se vstupem od polohy hřídele (2) vzhledem k ložiskovému tělesu. Pouzdrem (1) pohybují dva piezoaktuátory (7, 8) umístěné po stranách hřídele (2). První piezoaktuátor (7) je umístěn v rovině kolmé na osu hřídele (2). Druhý piezoaktuátor (8) je rovněž umístěn v rovině kolmé na osu hřídele (2) a je pootočen o 90.degree.vůči prvnímu piezoaktuátoru (7). Pohyb pouzdra (1) vzhledem k ložiskovému tělesu umožňují pružné členy (9, 10). Polohu hřídele (2) vůči ložiskovému tělesu (1), je možné zjistit ve dvou vzájemně kolmých směrech pomocí dvou snímačů (3, 4) přiblížení, které jsou umístěny po stranách hřídele (2). První snímač (3) přiblížení je umístěn v rovině kolmé k ose hřídele (2). Druhý snímač (4) přiblížení je rovněž umístěn v rovině kolmé k ose hřídele (2) a pootočen o 90.degree. oproti prvnímu snímači (3). Regulační odchylky (15, 16) jsou výsledkem porovnání tzv. žádaných poloh (13, 14) hřídele (2) ve dvou směrech. Tyto polohy (13, 14) jsou porovnány se skutečnou polohou, která je zjištěna pomocí snímačů (5, 6) přiblížení. Zjištěné odchylky (15, 16) vstupují do dvouparametrového regulátoru (17).

Description

Systém pro kaskádní aktivní řízení hydrodynamických kluzných ložisek piezoaktuátory
Oblast techniky
Vynález se týká strojírenství, hydrodynamicky mazaných kluzných radiálních ložisek, konkrétně způsobu tlumení vibrací.
Dosavadní stav techniky
Kluzná radiální ložiska jsou vhodná pro vysoké provozní otáčky a jejich hlavní předností je velký útlum. Využívají se zejména u větších rotačních strojů a strojů s vysokou rychloběžností, kde by valivá ložiska již neměla dostatečnou trvanlivost. Provozní rozsah otáček je však omezen tvorbou samobuzených kmitů vlivem destabilizujících účinků olejového filmu v mezeře mezi povrchem hřídele a vnitřním povrchem pouzdra ložiska.
Nestabilitě rotorů uložených v hydrodynamických ložiskách, způsobující nadměrné vibrace se dosud čelí pasivním způsobem spočívajícím v úpravě profilu vnitřku pouzdra ložiska. Konstrukční úpravy spočívají v rozdělení kluzné plochy na několik částí, jejichž středy křivosti jsou posunuty vzhledem ke středu ložiska, čímž je vytvořeno určité předpětí. Nej lepší vlastnosti z hlediska stability mají ložiska s plovoucím pouzdrem a ložiska s naklápěcími segmenty, která jsou ovšem výrobně náročnější.
Byly činěny i pokusy aktivně řídit kluzné ložisko aktuátory s giant magnetostrikčními materiály, např. Lau Hoi Yam, Feasibility of using giant magnetostrictive materiál based actuators in active control of joumal bearing systém, City University of Hongkong, 2009. Účelem bylo snížit vibrace vlivem vnějších sil. Školní testy s ložisky, které jsou vzdáleny v praxi použitelným kluzným ložiskům, probíhaly bez mazání olejem. Metodu aktivního řízení kluzných ložisek s použitím piezoaktuátorů a s cílem potlačit nestabilitu vlivem olejového filmu však dosud nikdo nerealizoval.
Podstata vynálezu
Uvedené nevýhody pasivních opatření proti nestabilitě a nemožnosti polohování hřídele řeší níže popsaný vynález, jehož podstatou je doplnění mechanického systému o elektronickou zpětnou vazbu. Doplněním elektronické záporné zpětné vazby do původně mechanického systému se kompenzuje vliv vnitřní kvadratumí síly, která působí jako kladná (destabilizující).
Tato kladná zpětná vazba se zesiluje přímo úměrně rychlosti otáčení hřídele a po překročení hraničních otáček mechanický systém destabilizuje. Nestabilita tedy vzniká, jestliže zesílení kladné zpětné vazby vyruší zápornou zpětnou vazbu.
Záporná elektronická zpětná vazba obsahuje snímače polohy hřídele ve dvou navzájem kolmých směrech se sondami přiblížení. Signály těchto sond přiblížení jsou zavedeny do dvouparametrového regulátoru, ve kterém se oba tyto signály odečtou od žádané referenční polohy, a pak se výsledné regulační odchylky transformují zmíněným dvouparametrovým regulátorem na dvojici akčních veličin, které jsou žádanými hodnotami dvou regulátorů posunutí piezoaktuátorů. Pro aktivní řízení jsou využity piezoaktuátory se snímači protažení, které jsou integrovány uvnitř, a proto se kaskádně řídí poloha každého piezoaktuátoru zvlášť. Podřízená regulační smyčka obsahuje polohový regulátor, jehož vstupem je regulační odchylka mezi žádaným a skutečným posunutím. Výstup tohoto podřízeného regulátoru je veden do zesilovače, který svým výstupním napětím ovládá piezoaktuátor. Oba piezoaktuátory ovládají pohyb pouzdra ve dvou navzájem kolmých směrech. Pohyblivé pouzdro ložiska je těsněno O-kroužky. Změna polohy pouzdra se prostřednictvím olejového filmu přenáší na polohu rotujícího hřídele. Výhodou navrženého řešení je možnost udržovat hřídel v zadané poloze s menšími odchylkami než je radiální vůle ložiska.
Přehled obrázků na výkresech
Vynález je dále blíže osvětlen pomocí obrázků, kde na obrázku 1 je příklad uspořádání hřídele, pouzdra, snímačů polohy hřídele a snímačů polohy pouzdra a piezoaktuátorů (typ open-loop). A na obrázku 2 je uspořádání hřídele, pouzdra, piezoaktuátorů, snímačů polohy hřídele a snímačů protažení piezoaktuátorů (typ dosed loop).
Příklad provedení vynálezu
Způsob aktivního řízení hydrodynamických kluzných ložisek s piezoaktuátory a cylindrickým pohyblivě uloženým pouzdrem se provádí tak, že táhla dvojice piezoaktuátorů v rovině kolmé na osu hřídele jsou orientována vertikálně a horizontálně a dvojice snímačů polohy nebo přiblížení jsou orientovány také v rovině kolmé na osu hřídele vertikálně a horizontálně. Jestliže je absolutní radiální vůle mezi vnitřním povrchem pouzdra a vnějším povrchem hřídele do 1 mm, pak lze použít snímače polohy na principu vířivých proudů. Pro absolutní radiální vůli do 100 pm vyhoví snímač kapacitní v provedení bez připojení hřídele ·· · · k elektronickým obvodům snímače. Zdvih piezoaktuátoru je stejný jako je absolutní radiální vůle. Táhla piezoaktuátorů jsou přes ohebnou spojku a těsnící průchodku připojena pevně ke zmíněnému pohyblivému pouzdru. Snímače přiblížení jsou instalovány těsně vně ložiska a snímají takto polohu hřídele vzhledem k pevnému rámu stroje, resp. jeho ložiskovému domku. Pohyblivé pouzdro je v ložiskovém pouzdru těsněno O-kroužky, aby mazací olej nemohl uniknout z prostoru, ze kterého je mazacím otvorem ve stěně pouzdra přiváděn do mezery mezi rotující hřídel a toto neotáčející se pouzdro. Poloha pouzdra je měřena snímači přiblížení ve směru osy piezoaktuátorů. Poloha pouzdra může být snímána také prostřednictvím snímače protažení, který je integrován s piezoaktuátorem. Protože spojení piezoaktuátoru je v jeho ose tuhé, nahrazuje protažení piezoaktuátoru přímé měření polohy pouzdra. Piezoaktuátor, který má integrován snímač protažení, je typu dosed loop. Piezoaktuátor bez snímače protažení je typu open-loop.
Zvýšení mezních otáček hřídele ze 4300 na 7300 za minutu:
Použito kluzné ložisko pro hřídel o průměru 30 mm s radiální vůlí 40 pm, ve kterém je použit speciální olej pro vysokorychlostní vřetena brusek. Mezní otáčky jsou 4300 za minutu. Systém podle obr. 2, kde jsou integrovány snímač 5 a piezoaktuátor 7, respektive snímač 6 a piezoaktuátor 8 do jednoho celku.
Kaskádní aktivní řízení vibrací je provedeno pohyblivým cylindrickým pouzdrem 1, ve kterém se otáčí hřídel 2. Poloha hřídele je měřena vzhledem k pevnému ložiskovému tělesu ve dvou vzájemně kolmých směrech snímači přiblížení 3 a 4. Pouzdrem ložiska pohybují dva piezoaktuátory 7 a 8, které jsou uspořádány rovněž ve dvou navzájem kolmých směrech. Pohyb pouzdra vzhledem k ložiskovému tělesu zprostředkovávají pružné členy 9 a 10, které plní také funkci těsnící. Poloha pouzdra je měřena snímači přiblížení 5 a 6. Oba piezoaktuátory napájí zesilovače elektrického napětí 11 a 12. Žádaná poloha hřídele ve dvou směrech 13 a 14 v rovině kolmé na její osu vzhledem k ložiskovému tělesu se porovná v řídicím systému se skutečnou polohou hřídele 2, která je změřena snímači 3 a 4 také vzhledem k ložiskovému tělesu. Výsledkem srovnání žádané a skutečné polohy hřídele, dané, jejich rozdílem, jsou regulační odchylky 15 a 16, které vstupují do proporciálního nebo proporciálně-derivačního dvouparametrového regulátoru 17. Akční veličiny 22 a 23 dvouparametrového regulátoru 17 jsou žádané hodnoty pro regulátory polohy pouzdra 20 a 21 ve směrech os piezoaktuátorů 7 a 8. Regulátor 20 má na vstupu regulační odchylku 18, což je rozdíl žádané hodnoty 22 polohy pouzdra 1 ve směru osy piezoaktuátoru 7 a skutečné polohy pouzdra měřené snímačem přiblížení 5. Regulátor 21 má na vstupu regulační odchylku 19, což je rozdíl žádané hodnoty 23 polohy pouzdra 1 ve směru osy piezoaktuátoru 8 a skutečné polohy pouzdra měřené snímačem přiblížení 6. Výstupy polohových kaskádně řízených regulátorů 20 a 21 ovládají stejnosměrné zesilovače elektrického napětí 11 a 12,. Tím jsou uzavřeny podřízené regulační smyčky se zápornou zpětnou vazbou. Výsledkem je zvětšení výchylky hřídele oproti rámu jako vstupu regulátoru 17 na výchylku pouzdra ložiska oproti rámu jako výstupu regulátoru 17, což představuje zesílení účinku aktivního řízení kluzných ložisek s proporcionální elektronickou vazbou na hodnotu přibližně rovnou 2, tedy zvýšení mezních otáček hřídele pro vznik nestability na 7300 za minutu.
Průmyslová využitelnost
Způsob tlumení vibrací podle vynálezu je použitelný k rozšíření provozního rozsahu otáček hřídelí strojů a k jejich přesnému polohování.

Claims (9)

  1. PATENTOVÉ NÁROKY
    1. Systém pro aktivní řízení hydrodynamických kluzných ložisek s pohyblivým pouzdrem (1) ve kterém je uložen hřídel (2), vyznačený tím, že tímto pouzdrem (1), jehož poloha je měřena snímači přiblížení (5,6) pohybují dva piezoaktuátory (7,8), umístěné po stranách hřídele, pohyb pouzdra (1) vzhledem k ložiskovému tělesu umožňují pružné členy (9,10) a poloha hřídele (2) vůči pevnému ložiskovému tělesu je zjišťována pomocí snímačů přiblížení (3,4).
  2. 2. Systém pro aktivní řízení hydrodynamických kluzných ložisek s pohyblivým pouzdrem (1) ve kterém je uložen hřídel (2), podle nároku 1, vyznačený tím, že snímačem přiblížení (5) je snímač protažení integrovaný s piezoaktuátorem (7) a snímačem přiblížení (6) je snímač protažení integrovaný s piezoaktuátorem (8) do jednoho celku.
  3. 3. Systém pro aktivní řízení hydrodynamických kluzných ložisek s pohyblivým pouzdrem (1) ve kterém je uložen hřídel (2) podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačený tím, že piezoaktuátory (7,8), umístěné po stranách hřídele jsou uspořádány tak, že první piezoaktuátor (7) je umístěn v rovině kolmé na osu hřídele (2) a druhý piezoaktuátor (8) je rovněž umístěn v rovině kolmé na osu hřídele (2) a zároveň je pootočen o 90° vůči prvnímu piezoaktuátoru (7).
  4. 4. Systém pro aktivní řízení hydrodynamických kluzných ložisek s pohyblivým pouzdrem (1) ve kterém je uložen hřídel (2) podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačený tím, že snímače přiblížení (3, 4), umístěné po stranách hřídele (2), jsou uspořádány tak, že první snímač přiblížení (3) je umístěn v rovině kolmé k ose hřídele (2) a druhý snímač přiblížení (4) je rovněž umístěn v rovině kolmé k ose hřídele (2) a zároveň je pootočen o 90° oproti prvnímu snímači (3).
  5. 5. Systém pro aktivní řízení hydrodynamických kluzných ložisek s pohyblivým pouzdrem (1) ve kterém je uložen hřídel (2) podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačený tím, že snímače přiblížení (5, 6), umístěné po stranách hřídele (2), jsou uspořádány tak, že první snímač přiblížení (5) je umístěn v rovině kolmé k ose pouzdra (1) a druhý snímač přiblížení (6) je rovněž umístěn v rovině kolmé kose hřídele (2) a zároveň je pootočen o 90° oproti prvnímu snímači (5).
  6. 6. Systém pro aktivní řízení hydrodynamických kluzných ložisek s pohyblivým pouzdrem (1) ve kterém je uložen hřídel (2) podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačený tím, že regulační odchylky (15, 16) jsou zjištěny porovnáním tzv. žádáné polohy hřídele (2) ve dvou směrech (13, 14) se skutečnou polohou hřídele (2), která je zjištěna pomocí snímačů přiblížení (3, 4) a tyto odchylky (15, 16) vstupují do dvouparametrového regulátoru (17), jehož výstupem jsou akční veličiny (22, 23) pro dvě podřízené regulační smyčky pouzdra (1).
  7. 7. Systém pro aktivní řízení hydrodynamických kluzných ložisek s pohyblivým pouzdrem (1) ve kterém je uložen hřídel (2) podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačený tím, že první smyčka polohy pouzdra (1) obsahuje regulátor (20) s žádanou hodnotou (22) a regulační odchylkou (18), dále zesilovač elektrického napětí (11) pro napájení piezoaktuátoru (7) a snímač (5) pro polohu pouzdra ve směru osy piezoaktuátoru (7) a druhá smyčka obsahuje regulátor (21) s žádanou hodnotou (23) a regulační odchylkou (19), dále zesilovač elektrického napětí (12) pro napájení piezoaktuátoru (8) a snímač (6) pro polohu pouzdra ve směru osy piezoaktuátoru (8), přičemž oba piezoaktuátory (7) a (8) působí na pohyblivé pouzdro (1), uvnitř kterého se otáčí hřídel (2).
  8. 8. Systém pro aktivní řízení hydrodynamických kluzných ložisek s pohyblivým pouzdrem (1) ve kterém je uložen hřídel (2) podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačený tím, že regulátory (20, 21) jsou typu PID.
  9. 9. Systém pro aktivní řízení hydrodynamických kluzných ložisek s pohyblivým pouzdrem (1) ve kterém je uložen hřídel (2), vyznačený tím, že regulační odchylky (15) a (16) skutečné polohy hřídele (2), zjištěné pomocí snímačů přiblížení (3) a (4), vzhledem k ložiskovému tělesu ve dvou navzájem kolmých směrech od polohy žádané (13) a (14), rovněž měřené vzhledem k ložiskovému tělesu ve dvou navzájem kolmých směrech, jsou vstupem dvouparametrového regulátoru (17), jehož výstupy jsou žádané hodnoty (22) a (23) pro dvě podřízené regulační smyčky polohy pouzdra (1), přičemž první smyčka obsahuje regulátor (20) s žádanou hodnotou (22) a regulační odchylkou (18), dále zesilovač elektrického napětí (11) pro napájení piezoaktuátoru (7) a snímač (5) pro polohu pouzdra ve směru osy piezoaktuátoru (7) a druhá regulátor (21) s žádanou hodnotou (23) a regulační odchylkou (19), dále zesilovač elektrického napětí (12) pro napájení piezoaktuátoru (8) a snímač (6) pro polohu pouzdra ve směru osy piezoaktuátoru (8), přičemž oba piezoaktuátory (7) a (8) působí ve dvou navzájem kolmých směrech na pohyblivé pouzdro (1), uvnitř kterého se otáčí hřídel (2).
CZ2012-506A 2012-07-24 2012-07-24 Způsob pro kaskádní aktivní řízení hydrodynamických kluzných ložisek piezoaktuátory a zařízení k provádění tohoto způsobu CZ304672B6 (cs)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2012-506A CZ304672B6 (cs) 2012-07-24 2012-07-24 Způsob pro kaskádní aktivní řízení hydrodynamických kluzných ložisek piezoaktuátory a zařízení k provádění tohoto způsobu

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2012-506A CZ304672B6 (cs) 2012-07-24 2012-07-24 Způsob pro kaskádní aktivní řízení hydrodynamických kluzných ložisek piezoaktuátory a zařízení k provádění tohoto způsobu

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ2012506A3 true CZ2012506A3 (cs) 2014-05-28
CZ304672B6 CZ304672B6 (cs) 2014-08-27

Family

ID=50771726

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2012-506A CZ304672B6 (cs) 2012-07-24 2012-07-24 Způsob pro kaskádní aktivní řízení hydrodynamických kluzných ložisek piezoaktuátory a zařízení k provádění tohoto způsobu

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ304672B6 (cs)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ27820U1 (cs) * 2014-11-04 2015-02-16 Vysoká škola báňská- Technická univerzita Ostrava Sestava aktivního ložiskového stojanu a ložiska
CZ305789B6 (cs) * 2014-11-04 2016-03-16 Vysoká škola báňská- Technická univerzita Ostrava Sestava aktivního ložiskového stojanu a ložiska

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3342267B2 (ja) * 1995-10-27 2002-11-05 三菱重工業株式会社 圧力ダム型ジャーナル軸受
JP2000205251A (ja) * 1999-01-21 2000-07-25 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 軸受機構
JP2001074049A (ja) * 1999-09-07 2001-03-23 Ebara Corp 磁気軸受装置
US20060023985A1 (en) * 2004-07-27 2006-02-02 Mircea Gradu Adaptive bearing system containing a piezoelectric actuator for controlling setting
KR101103504B1 (ko) * 2009-10-30 2012-01-10 한국전력공사 축방향 자기베어링 장치

Also Published As

Publication number Publication date
CZ304672B6 (cs) 2014-08-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fang et al. A comprehensive study on the speed-varying stiffness of ball bearing under different load conditions
Pesch et al. Magnetic bearing spindle tool tracking through ${\mu} $-Synthesis robust control
US10018274B2 (en) Device and method for magnetically controlled dry gas seal
Hwang et al. Development of a newly structured variable preload control device for a spindle rolling bearing by using an electromagnet
Huang et al. Active control of an active magnetic bearings supported spindle for chatter suppression in milling process
Ciou et al. Controllable preload spindle with a piezoelectric actuator for machine tools
CZ2012506A3 (cs) Systém pro kaskádní aktivní řízení hydrodynamických kluzných ložisek piezoaktuátory
Shelke Controllability of radial magnetic bearing
Tůma et al. Piezoelectric actuators in the active vibration control system of journal bearings
JP5742044B2 (ja) 制御型磁気軸受装置
Chen et al. Regulating the vibration of aerostatic journal spindle based on piezoelectric ceramics
Li et al. A high-speed rolling bearing test rig supported by sliding bearing
Pusti et al. Fuzzy gain scheduled adaptive sliding mode control of a vertical shaft hybrid magnetic bearing under variable rotor speeds
CZ2014744A3 (cs) Způsob aktivního řízení vibrací kluzných ložisek s použitím piezoaktuátorů a zařízení k jeho provádění
Farmakopoulos et al. A control model of active magnetic bearings
CZ27822U1 (cs) Zařízení aktivního řízení vibrací kluzných ložisek s použitím piezoaktuátorů
Ranjan et al. Experimental identification of residual unbalances for two-plane balancing in a rigid rotor system integrated with AMB
Li et al. Modeling and verification of comprehensive errors of real-time wear-depth detecting for spherical plain bearing tester
RU2771708C1 (ru) Прецизионный газостатический шпиндельный узел
Turek et al. Comparison of methods for adjusting and controlling the preload of angular-contact bearings
Chen et al. Characteristic analysis and simulated test of hybrid bearing with the introduction of piezoelectric controller
Wang et al. Design and experiment of piezoelectric actuator based on diaphragm type hydraulic amplification
Turek Spindle Bearing Preload Control Using NI MyRIO.
Bitner et al. System with Active Flexible Bearings
Basovich et al. Adaptive output zero-bias tracking control of 1DOF AMB suspension system

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Patent lapsed due to non-payment of fee

Effective date: 20230724