[发明专利]磁悬浮轴承金属橡胶环组合支承高速旋转系统装置

说明书

技术领域

本发明的磁悬浮轴承金属橡胶环组合支承高速旋转系统装置，属于磁悬浮技术领域。

背景技术

和传统轴承相比，磁悬浮轴承与转子无接触，支承功耗小，使用寿命长；不需要润滑和密封，可长期用于高低温等特殊环境中；维护费用低、便于主动控制等等，因而被认为是支承技术的一次革命，是目前唯一投入实用的主动支承装置。磁悬浮轴承主要用于刚性转子系统，由于旋转机械转子高速、重载、细长发展的要求，现正逐步扩展到柔性转子系统。

但是，国内外相关研究结果表明，将磁悬浮轴承运用于柔性转子系统存在着较大的困难。主要原因是磁悬浮轴承的等效刚度及等效阻尼受控制参数稳定区域的限制，一般比动压滑动轴承小2～3个数量级。在系统接近或越过弯曲临界转速时，因阻尼过小，转子振幅过大，容易导致系统破坏。因此，针对柔性转子系统的研究一直是该技术领域的热点和难点。为了减小磁悬浮轴承转子系统的振动，国内外许多文献从两方面进行了研究。一是采取同步振动抑制技术，二是运用现代控制理论或鲁棒控制理论设计控制方案以提高支承阻尼。

但是，同步振动抑制技术难以解决实际柔性转子系统的不平衡振动问题。这是由于转子在亚临界及超临界状态将产生弯曲变形，不平衡质量所引起的振动与转子弯曲变形状态有关，远比刚性转子系统复杂，因而目前同步振动抑制技术主要针对刚性转子系统。

国内外一些研究结果表明，运用现代控制理论或鲁棒控制理论设计合适的控制方案可以改善系统的动态性能，但目前尚不能做到大幅度提高系统在亚临界及超临界运行时的支承阻尼，而且研究对象多为实验系统，实际应用不多。2000年轴承制造著名企业日本“光洋株式会社”研发中心研究人员Hirochika Ueyama在瑞士举办的第7届磁悬浮轴承国际会议上发文认为，“尽管一些公开文献表明，采用现代控制理论(LQG、H_∞、μ理论等)能够解决这个问题，但这仍然是一个具有挑战性问题。为了避免这个问题，相关实际应用项目采用刚性转子结构”(Hirochika Ueyama，Helium Cold Compressor with Active Magnetic Bearings，Proc.of the 7^th Int.Symp.on Magnetic Bearings，Zurich，Switzerland，August 2000，1～6)。

发明内容

本发明的目的，在于将磁悬浮轴承运用于柔性转子系统，即提供一种振动幅度小、能安全稳定越过弯曲临界转速的磁悬浮高速旋转系统装置。

一种磁悬浮轴承金属橡胶环组合支承高速旋转系统装置，包括转子组件、径向磁悬浮轴承组件、轴向磁悬浮轴承组件和驱动电机，其中径向磁悬浮轴承由径向磁悬浮轴承座支撑，其特征在于：所述径向磁悬浮轴承座通过金属橡胶环由金属橡胶环座支撑。

一般磁悬浮轴承转子系统主要由转子组件、径向磁悬浮轴承组件、轴向磁悬浮轴承组件和驱动电机组成。在合适控制参数作用下，磁悬浮轴承对转子产生合适的支承刚度与支承阻尼以支承转子。由于控制参数稳定区域有限，磁悬浮轴承支承阻尼的选择受到限制。本发明装置在一般磁悬浮轴承转子系统的基础上，将径向磁悬浮轴承支承在具有合适支承刚度与支承阻尼的金属橡胶环上。这种组合支承型式可明显降低转子越过弯曲临界转速时的振动。其中支撑刚度及支撑阻尼通过有限元分析、试验模态分析及实际系统的高速旋转实验等方法确定。

磁悬浮轴承与转子无接触，具有传统轴承无可比拟的优点。但在前述中提到，目前这种支承型式所能提供的阻尼较小，不易满足实际柔性转子系统的需要。而传统轴承、挤压油膜阻尼器等一般需要润滑、冷却等环节，造成系统体积及重量增加，可靠性降低；同时也不适合超高转速、高温、高压、高真空、超低温等特殊工作环境或条件。

金属橡胶材料及制备方法是现有技术。它是一种均质的弹性多孔材料，是用一定的工艺方法，将一定质量的、拉伸开的、螺旋状态的金属丝有序地排放在冲压或碾压模具中，然后用冷冲压或者碾制的方法成型的。这种材料既具有所选金属的固有特性(耐高低温、抗腐蚀等)，又具有普通橡胶的弹性。采用金属橡胶制成的隔振器具有很高的动静态强度，在高真空、高低温条件下能正常工作，而且保存期不受限制，从而克服了橡胶隔振器随时间老化这一致命弱点，其阻尼比可达0.35。是解决高温、高压、高真空、超低温等特殊环境下阻尼减振这一难题的新型阻尼装置。但金属橡胶减振装置与被减振对象有接触，不适合支承高速旋转的转子。