RU2792850C1

RU2792850C1 - Method of control of radiaxial movements of rotor

Info

Publication number: RU2792850C1
Application number: RU2022128492A
Authority: RU
Inventors: Леонид Алексеевич Савин; Алексей Юрьевич Родичев; Алексей Валерьевич Корнаев; Роман Николаевич Поляков; Юрий Николаевич Казаков; Ирина Владимировна Родичева; Антон Валерьевич Сытин; Денис Владимирович Шутин; Максим Эдуардович Бондаренко; Андрей Владимирович Горин
Filing date: 2022-11-01
Publication date: 2023-03-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: controlling the radiaxial movements of the rotor using hydrodynamic bearing sliding units that take the main load. The position of the rotor is controlled by applying force to the end face of the sleeve of the controlled bearing assembly after receiving signals on the value of temperature, pressure, axial and radial displacement in real time, transmitted from the measuring unit to the acquisition, processing and control of unit signals, equipped with software based on a pre-trained neural network. Regulation of the position of the rotor leads to a decrease in the gap between the inner sleeve and the rotor and the displacement of the rotating rotor towards the second bearing assembly. Bearing sliding units are made conical, one of them is controlled.

EFFECT: achievement of increasing reliability.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для управления радиально-осевыми движениями ротора в конических гидродинамических подшипниках скольжения.The invention relates to the field of mechanical engineering and can be used to control the radial-axial movements of the rotor in tapered hydrodynamic plain bearings.

Известен способ управления неустойчивостью гидродинамических подшипников, включающих гидродинамические подшипники, используемые в узлах высокоскоростных роторов или валов, включающий использование магнитного подшипника в комбинации с гидродинамическим подшипником, причем гидродинамический подшипник используют в качестве подшипника, воспринимающего основную нагрузку, а магнитный подшипник используют в качестве средства управления неустойчивостью в гидродинамическом подшипнике (патент RU №2399803, МПК F16C 17/02, публ. 2010 г.).A method is known for controlling the instability of hydrodynamic bearings, including hydrodynamic bearings used in assemblies of high-speed rotors or shafts, including the use of a magnetic bearing in combination with a hydrodynamic bearing, the hydrodynamic bearing being used as the bearing that receives the main load, and the magnetic bearing is used as a means of controlling the instability in a hydrodynamic bearing (patent RU No. 2399803, IPC F16C 17/02, publ. 2010).

Недостатком данного способа является применение комбинации подшипников, один из которых является магнитным, для эффективного использования которого необходима дополнительная система охлаждения и дополнительная система управления, применяемая для обеспечения устойчивости магнитного поля, что значительно усложняет конструкцию и повышает ее металлоемкость.The disadvantage of this method is the use of a combination of bearings, one of which is magnetic, the effective use of which requires an additional cooling system and an additional control system used to ensure the stability of the magnetic field, which greatly complicates the design and increases its metal consumption.

Техническая задача, которую решает данное изобретение, - повышение точности и быстродействия системы управления радиально-осевыми движениями ротора, заключающееся в перемещении внутренней втулки подшипникого узла вдоль оси в процессе работы роторной системы.The technical problem that this invention solves is to increase the accuracy and speed of the control system for the radial-axial movements of the rotor, which consists in moving the inner sleeve of the bearing assembly along the axis during the operation of the rotor system.

Поставленная задача достигается тем, что в способе управления радиально-осевыми движениями ротора с использованием гидродинамических подшипниковых узлов скольжения, воспринимающих основную нагрузку, подшипниковые узлы скольжения выполнены коническими, один из них является управляемым, регулирование положения ротора осуществляют за счет приложения усилия на торец втулки управляемого подшипникового узла после поступления сигналов о величине температуры, давления, осевого и радиального перемещения в режиме реального времени, переданных от измерительного блока на блок сбора, обработки и управления сигналами, оснащенный программным обеспечением, основанным на предварительно обученной нейронной сети, что приводит к уменьшению зазора между внутренней втулкой и ротором и смещению вращающегося ротора в сторону второго подшипникового узла, что позволяет осуществлять многокоординатное управление положением ротора.The task is achieved by the fact that in the method of controlling the radial-axial movements of the rotor using hydrodynamic bearing sliding units that perceive the main load, the bearing sliding units are made conical, one of them is controlled, the regulation of the rotor position is carried out by applying force to the end face of the bushing of the controlled bearing node after receiving signals about the value of temperature, pressure, axial and radial displacement in real time, transmitted from the measuring unit to the block for collecting, processing and controlling signals, equipped with software based on a pre-trained neural network, which leads to a decrease in the gap between the internal bushing and rotor and displacement of the rotating rotor towards the second bearing assembly, which allows for multi-axis control of the rotor position.

Технический результат применения данного способа управления радиально-осевыми движениями ротора заключается в повышении надежности сложных технологических машин и агрегатов.The technical result of applying this method of controlling the radial-axial movements of the rotor is to increase the reliability of complex technological machines and units.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображены роторная система и схема управления радиально-осевыми движениями ротора.The essence of the invention is illustrated by the drawing, which shows the rotor system and the scheme of control of the radial-axial movements of the rotor.

Роторная система состоит из ротора 1 массой m, размещенного в двух конических подшипниковых узлах А и Б скольжения, один из которых, а именно, узел А является управляемым. Ротор 1 подключен к электродвигателю 2 через эластичную муфту 3.The rotor system consists of a rotor 1 with mass m, placed in two conical sliding bearing assemblies A and B, one of which, namely, node A is controlled. Rotor 1 is connected to electric motor 2 through flexible coupling 3.

Конический подшипниковый узел А имеет наружную 4 и внутреннюю 5 втулки, соединенные с помощью рабочего элемента 6, например, пьезоактуатор, гидравлический сильфон, пневматический сильфон. Внутренняя поверхность внутренней втулки 5 выполнена конусообразной. Во втулке 4 выполнены каналы 7 для размещения элементов управления, например, электрическим током, водой или воздухом, подключенных к блоку 8. Внутренняя втулка 5 подшипникового узла А посажена на ротор 1, пространство между ними заполнено смазочным материалом 9. В состав конического подшипникового узла А входит измерительный блок 10, в котором установлены датчик 11 температуры, датчик 12 давления, два датчика 13 радиального перемещения, установленные под углом 90 градусов друг к другу, и датчик 14 осевого перемещения. Датчик 11 температуры, датчик 12 давления, датчики 13 радиального перемещения, датчик 14 осевого перемещения и последовательно соединенные рабочий элемент 6 с блоком 8 связаны прямой и обратной связью с электронным блоком 15 сбора, обработки и управления сигналами. В блоке 15 сбора, обработки и управления сигналами установлен блок 16 с программным обеспечением, основанным на предварительно обученной нейронной сети.The tapered bearing assembly A has outer 4 and inner 5 bushings connected by means of a working element 6, for example, a piezo actuator, a hydraulic bellows, a pneumatic bellows. The inner surface of the inner sleeve 5 is cone-shaped. In the sleeve 4, channels 7 are made to accommodate control elements, for example, electric current, water or air, connected to the block 8. The inner sleeve 5 of the bearing assembly A is seated on the rotor 1, the space between them is filled with lubricant 9. The composition of the tapered bearing assembly A includes a measuring unit 10 in which a temperature sensor 11, a pressure sensor 12, two radial displacement sensors 13 installed at an angle of 90 degrees to each other, and an axial displacement sensor 14 are installed. The temperature sensor 11, the pressure sensor 12, the radial displacement sensors 13, the axial displacement sensor 14 and the working element 6 connected in series with the block 8 are connected by direct and feedback with the electronic block 15 for collecting, processing and controlling signals. In block 15 for collecting, processing and controlling signals, a block 16 is installed with software based on a pre-trained neural network.

Конический подшипниковый узел Б имеет коническую втулку 17, посаженную на ротор 1, при этом пространство между ними заполнено смазочным материалом 9.The tapered bearing unit B has a tapered bushing 17 fitted on the rotor 1, while the space between them is filled with lubricant 9.

Управление радиально-осевыми движениями ротора осуществляется следующим образом.The control of the radial-axial movements of the rotor is carried out as follows.

Включают электродвигатель 2, который через муфту 3 заставляет вращаться ротор 1 с угловой скоростью ω. В процессе работы ротора 1 в коническом подшипниковом узле А с помощью измерительного блока 10, в котором размещены датчик 11 температуры, датчик 12 давления, два датчика 13 радиального перемещения, установленные под углом 90 градусов друг к другу, и датчик 14 осевого перемещения, происходят измерения в режиме реального времени температуры, давления, осевого и радиального перемещения вращающегося ротора 1. Полученные значения передаются в электронный блок 15 сбора, обработки и управления сигналами, где полученные данные обрабатываются с помощью блока 16 программного обеспечения, основанного на предварительно обученной нейронной сети. Работа роторной системы в процессе эксплуатации может подвергаться различным воздействиям как внешним, так и внутренним, которые заставляют роторную систему совершать сложные виды колебаний. В таком случае группа датчиков или один из датчиков из измерительного блока 10 передают предельные значения в электронный блок 15. Если эти значения превышают допустимые, которые заложены с помощью программного кода в программное обеспечение блока 16 на основе предварительно обученной нейронной сети, то блок 15 сбора, обработки и управления сигналами передает сигнал на элементы 8 управления, приводящие в действие рабочий элемент 6, который, воздействуя на внутреннюю втулку 5, передает усилие F, которое позволяет смещать внутреннюю втулку 5 относительно наружной втулки 4 на величину от L до L1. В результате этого происходит уменьшение зазора между конической поверхностью внутренней втулки 5 и конической поверхностью вращающегося ротора 1 с величины Н до величины H1. Величина зазора от Н до H1 является важной величиной и оказывает существенное влияние на основные характеристики внутренней конической втулки, например, несущей способности. В результате уменьшения зазора с величины Н до величины H1 внутренняя втулка 5 оказывает воздействие на ротор 1 через смазочный материал 9, в результате чего происходит смещение вращающегося ротора 1 по оси Z в сторону конического подшипникового узла Б, в результате чего величина зазора в подшипниковом узле Б между конической поверхностью ротора 1 и конической втулкой 17 изменяется в сторону уменьшения от К до К1. Данные изменения фиксируются измерительным блоком 10.The electric motor 2 is turned on, which through the clutch 3 causes the rotor 1 to rotate with the angular velocity ω. During the operation of the rotor 1 in the tapered bearing assembly A, using the measuring unit 10, which houses the temperature sensor 11, the pressure sensor 12, two radial displacement sensors 13 installed at an angle of 90 degrees to each other, and the axial displacement sensor 14, measurements are taken real-time temperature, pressure, axial and radial displacement of the rotating rotor 1. The obtained values are transmitted to the electronic block 15 for collecting, processing and controlling signals, where the received data is processed using the software block 16 based on a pre-trained neural network. The operation of the rotor system during operation can be subjected to various influences, both external and internal, which cause the rotor system to perform complex types of oscillations. In this case, a group of sensors or one of the sensors from the measuring unit 10 transmits the limit values to the electronic unit 15. If these values exceed the allowable values, which are embedded using the program code in the software of the unit 16 based on a pretrained neural network, then the acquisition unit 15, signal processing and control transmits a signal to the control elements 8, actuating the working element 6, which, acting on the inner sleeve 5, transmits the force F, which allows the inner sleeve 5 to be displaced relative to the outer sleeve 4 by an amount from L to L1. As a result, the gap between the conical surface of the inner sleeve 5 and the conical surface of the rotating rotor 1 decreases from the value H to the value H1. The gap size from H to H1 is an important value and has a significant impact on the main characteristics of the inner tapered bushing, such as load-bearing capacity. As a result of the clearance reduction from the value of H to the value of H1, the inner sleeve 5 acts on the rotor 1 through the lubricant 9, as a result of which the rotating rotor 1 is shifted along the Z axis towards the tapered bearing assembly B, as a result of which the clearance in the bearing assembly B between the conical surface of the rotor 1 and the conical sleeve 17 changes downward from K to K1. These changes are recorded by the measuring unit 10.

Использование конических подшипниковых узлов жидкостного трения заставляет роторную систему совершать сложные виды колебаний. Такие колебательные процессы могут привести к возникновению явления прецессии, что характеризуется возникновением вращающего момента относительно оси Z, в результате чего ротор может совершать колебания (смещение) по трем пространственным осям X, Y, Z, а также вращаться вокруг них.The use of tapered bearing assemblies of liquid friction causes the rotor system to perform complex types of vibrations. Such oscillatory processes can lead to the occurrence of the phenomenon of precession, which is characterized by the occurrence of a torque about the Z axis, as a result of which the rotor can oscillate (displace) along the three spatial axes X, Y, Z, and also rotate around them.

Основная идея способа управления радиально-осевыми движениями ротора заключается в перемещении внутренней конической втулки в процессе работы роторной системы за счет изменения одной координаты по оси Z в управляемом подшипниковом узле.The main idea of the method for controlling the radial-axial movements of the rotor is to move the inner conical sleeve during the operation of the rotor system by changing one coordinate along the Z axis in the controlled bearing assembly.

Регулирование положения внутренней конической втулки может осуществляться за счет приложения силы F на торец втулки, так как в конических подшипниковых узлах скольжения невозможно обеспечить жесткое крепление ротора по осевой координате Z, что вызывает его колебания в соединительной муфте, которая передает вращение от электродвигателя к ротору.The position of the inner tapered bushing can be adjusted by applying force F to the end face of the bushing, since it is impossible to ensure the rigid fastening of the rotor along the axial coordinate Z in tapered bearing slides, which causes it to oscillate in the coupling, which transmits rotation from the electric motor to the rotor.

Таким образом, использование предложенного способа управления позволяет осуществлять многокоординатное управление. Используя осевое смещение L внутренней конической втулки, можно добиться изменения положения ротора по трем линейным координатам X, Y, Z и изменения характера вращательного движения, например, изменения вращающего момента Мх относительно оси X, My относительно оси Y, Mz относительно оси Z. Изменение коэффициентов жесткости и демпфирования в момент работы ротора непосредственно сказывается на виде и характере колебаний всей системы.Thus, the use of the proposed control method allows for multi-axis control. Using the axial displacement L of the inner tapered bushing, it is possible to achieve a change in the position of the rotor along three linear coordinates X, Y, Z and a change in the nature of the rotational movement, for example, a change in the torque Mx relative to the X axis, My relative to the Y axis, Mz relative to the Z axis. Changing the coefficients stiffness and damping at the time of rotor operation directly affects the type and nature of the oscillations of the entire system.

Claims

A method for controlling the radial-axial movements of the rotor using hydrodynamic bearing sliding units that perceive the main load, characterized in that the bearing sliding units are made conical, one of them is controllable, the rotor position is adjusted by applying force to the end face of the sleeve of the controlled bearing unit after receipt signals on the value of temperature, pressure, axial and radial displacement in real time, transmitted from the measuring unit to the signal acquisition, processing and control unit, equipped with software based on a pre-trained neural network, which leads to a decrease in the gap between the inner sleeve and the rotor and displacement of the rotating rotor towards the second bearing assembly, which allows for multi-axis control of the rotor position.