带主动电磁阻尼器的裂纹转子系统动力学

　　引　言

　　带主动电磁轴承的旋转机械可以通过主动电磁轴承对转子系统的振动和稳定性进行在线控制,使转子系统的动力特性满足了在不同工作状态下的要求。随着主动电磁轴承技术的进一步发展,智能旋转机械由于可以保证旋转机械在最佳的状态下运行,已成为了一个新的研究方向^[1]。

　　智能旋转机械的关键是要对带执行器的主动转子系统的故障能够进行有效地诊断。只有转子系统的故障被准确诊断,系统才能遵循正确的调整过程。

　　为了准确地诊断故障,必须研究主动转子系统的故障特征。主动转子系统的故障特征与传统转子系统的故障特征有许多不同,但是目前对主动转子系统的故障特性还缺乏了解。

　　在转子运转一段时间后疲劳裂纹可能出现,如果裂纹未被及时发现,可能导致灾难性的事故。已经有许多学者研究了传统裂纹转子系统的动力特性和裂纹的诊断问题^[1～10]。在这些研究中无论是采用简单的Jeffcott转子模型还是采用复杂的多轴承、多轴的转子系统^[7～10],其基本结论都是一致的。随着主动转子系统振动控制技术的进一步发展,特别是主动电磁轴承在高速旋转机械上一系列成功的应用,越来越多的带主动反馈控制系统的高速转子正投入使用。另外,今后几年第一批安装了主动电磁轴承的高速旋转机械逐渐进入到寿命后期,转子的疲劳裂纹将会逐渐出现,因此必须了解裂纹对主动转子系统的稳定性和不平衡响应产生什么影响以及研究在主动转子系统中对裂纹如何进行有效的诊断。祝长生等通过对带主动反馈控制裂纹转子系统的动力特性进行了研究^[11],结果发现主动裂纹转子系统的动力特征比传统裂纹转子系统复杂得多,其中有许多问题需要解决,如裂纹对控制系统稳定性的影响、主动裂纹转子系统的动力特性、主动反馈控制转子系统中裂纹的诊断方法以及控制器的设计等。

　　本文首先建立了带主动电磁阻尼器的裂纹转子系统的动力模型,然后从理论上分析了裂纹对带主动电磁阻尼器的转子系统稳定性的影响,研究了带主动电磁阻尼器的裂纹转子系统的不平衡响应,并提出了对带主动电磁阻尼器转子系统的裂纹故障进行诊断的方法。

　　1　带主动电磁阻尼器裂纹转子系统的数学模型

　　1.1　裂纹转子的数学模型

　　研究的转子系统为图1(a)所示的Jeffcott转子。圆盘安装在无质量柔性轴的中间,两端为刚性支承。主动电磁阻尼器安装在圆盘位置,以对圆盘的振动进行控制。横向裂纹位于靠近圆盘的轴处。

　　1.2　裂纹转子系统的运动方程