主动电磁轴承-柔性裂纹转子系统动力学建模及裂纹转子系统的动力学特性研究

Active magnetic bearings are increasingly becoming the preferred bearings of high-speed and super high-speed rotating machinery. Under alternative stress, high-speed and super high-speed rotors are more prone to fatigue crack than the medium or low speed rotors supported by traditional bearings. If the rotors' crack are not detected, most likely cause the rotor failure due to crack propagation. Therefore timely and accurately diagnosing crack fault of the rotors can avoid the occurrence of casualty accidents. The controller of Active magnetic bearings and the rotors constitute a typical closed loop control system. Because of the closed loop control system, active magnetic bearings-cracked rotor system have many special dynamics characteristics in theory, whose fault characteristics are more complex than traditional bearings-cracked rotor system. For example, vibration characteristics of the traditional bearings-cracked rotor system may no longer be sensitive in active magnetic bearings-cracked rotor system. So the diagnosis methods of crack fault in the traditional bearings-rotor system may no longer be valid in active magnetic bearings-rotor system, it is necessary to find a more sensitive fault feature parameters from the rotor vibration signal of active magnetic bearing-crack rotor system in order to effectively identify and diagnose the rotors' crack fault. This researchs have important values and engineering background.

主动电磁轴承正日益成为高速和超高速旋转机械首选的轴承方案。在交变应力作用下高速和超高速转子比传统支承的中、低速转子更容易产生疲劳裂纹，如果转子裂纹没有被及时发现，极有可能因裂纹扩展而导致转子失效。因此运行中及时、准确地诊断出转子裂纹故障，可以避免机毁人亡的灾难性事故发生。主动电磁轴承-转子系统中，电磁轴承的控制器与转子构成一个典型的闭环控制系统，由于闭环控制系统的存在，主动电磁轴承-裂纹转子系统的动力学特性理论上具有许多特殊性，比传统支承-转子系统的裂纹故障特征更为复杂，例如，传统支承-裂纹转子系统的振动特性在主动电磁轴承-裂纹转子系统中可能不再灵敏，因此传统支承的转子裂纹故障诊断方法可能在主动电磁轴承支承的转子系统中不再有效，有必要从主动电磁轴承-裂纹转子系统的转子振动信号中寻找更灵敏的故障特征参数，从而对转子裂纹故障进行有效识别和诊断。这一研究，有着重要的研究价值和工程背景。

为满足旋转机械转速的高速和超高速化发展要求，主动电磁轴承正成为各类高速和超高速旋转机械首选的轴承方案。与传统轴承-转子系统相比，主动电磁轴承-转子系统也存在不对中、不平衡、裂纹等故障问题。本项目针对主动电磁轴承-转子系统中转子裂纹故障问题开展了研究，主要研究内容为：基于SERR裂纹模型，采用有限元法建立了主动电磁轴承控制系统和转子系统所构成的主动电磁轴承-裂纹转子系统的动力学方程，仿真分析了主动电磁轴承控制器在不同控制策略或不同控制器参数的条件下，不同裂纹深度、不同裂纹位置时裂纹转子系统的动力学特性，采用Floquet稳定理论研究了转子裂纹故障对主动电磁轴承控制系统稳定性的影响，并开展了主动电磁轴承-裂纹转子系统动力学特性的实验研究，采用蝙蝠算法优化的变分模态分解方法对主动电磁轴承-裂纹转子系统中转子位移信号进行了研究分析。研究结果表明：与传统轴承支承-裂纹转子系统的动力学特性相比，由于主动电磁轴承的控制器既有一定的抗外干扰能力，又具有较好的目标值跟踪特性，因此在一定转速条件下的主动电磁轴承-转子系统中，即使转子中出现了一定深度的裂纹，主动电磁轴承控制系统仍可支撑转子系统的稳定运行；由于主动电磁轴承-转子系统的动力学特性具有与主动电磁轴承控制系统的控制策略和控制器参数有关的时变性，因此主动电磁轴承-裂纹转子系统的裂纹故障特征比传统支承-裂纹转子系统的故障特征更为复杂，且与传统轴承支承-转子系统中转子裂纹故障所表现出的动力学特征和谱特性并不完全一致；通过基于蝙蝠算法优化选取VMD参数的方法，将蝙蝠算法用于变分模态分解对参数K和惩罚因子α进行全局寻优，分析BA-VMD的频谱特征，仿真和实验研究结果证明，采用蝙蝠优化算法的变分模态分解方法处理转子振动信号，其频谱特征能准确识别出转子的裂纹故障特征。