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我的英文翻译 在旋转机械中机电一体化组件的使用 摘要 在机械系统中，机电元件正变得越来越常见了。例如主动磁悬浮轴承(磁悬浮)通常用于旋转机械。除了他们作为一个石油，接触和摩擦的转子悬浮功能外，他们是最适合被作为一种激励和测量仪器根据观察从系统中提取更多的信息。这篇文章将会讲述主动磁轴承如何可用于识别，诊断和优化。 关键词:机电一体化，旋转机械，诊断，优化; 1.简介 在旋转机械领域的应用机电一体化组件的数目正在增加。与传统的系统相比，机电一体化产品包括机械，电气和电子元件能够通过传感器获取他们的环境中的变化并做出反应到系统或在微处理器中进行适当的信息加工后执行机构进行加工(Aenis，2002)。如今，转子在主动磁轴承或其他机电一体化轴承或部件中的运行已经提供了多种优势。其中一些是可调节刚度和阻尼，无摩擦和磨损，运行速度高，振动隔离，主动减振和可能的不平衡补偿。但是就这种系统的智能行为而言还有更多的潜力。这样的话，就可以具有更高的性能，更高的可靠性和更长寿命的新机器。 本文特别介绍了应用机电元件的旋转机械并集中阐述识别的智能特征，诊断和纠正以及工艺优化。经过简短的介绍机电一体化，在旋转系统中使用机电一体化组件的技术应用将被提出。 2.什么是机电一体化 机电一体化是一个多学科工程领域，包括机械，电气工程与信息技术的相结合。在机电一体化系统中信号通过传感器被测量并在嵌入式微控制器中进行处理。执行部件被推动片刻，然后动作加工，由微处理器功能控制。 图1框图机电一体化系统 在图1的框图显示了机电一体化的不同组成部分系统(微处理器，执行机构，处理器和传感器)以及他们之间能源和信息流的连接。然而，这样的框图也可以应用于经典机电控制系统。相比之下现代机电一体化系统有更多的潜力。它们的特点是二类型的整合:硬件集成和功能集成。硬件的集成或组件的整合，是由于设计的机电一体化系统作为一个整体的系统，在机械加工中嵌入传感器，执行器及微控制器。这种空间一体化会受处理器和传感器或执行器和处理器的限制。该微型计算机可由执行元件，处理器或传感器集成，或者他们被安排地方在几个。 由信息处理的集成(软件集成)主要是基于先进的控制功能。除了基本的正反馈和负反馈控制，另外，可以通过加工信息以获得相应的网上信息处理。这包括任务解决的像故障诊断，识别，校正和优化过程的监督。在本文中将会提到这种集成功能的应用，特别是对旋转机械。 图 在旋转机械中机械部件的配置 2 3(旋转机械:配置和技术应用 旋转机械系统在各种技术领域中都得到了应用，如涡轮机，泵，压缩机，电机和发电机等。一个汽轮机转子的例子，如图2所示其主要机械部件。具有刀具系统的旋转轴(能量由热能转化成机械能) 撑在油膜轴承中。转动部件被放置在涡轮室内和通过曲路的方法密封。用支 户期望，他们的机器运行安全可靠，以及有高效率和可用性。为了满足这些要求，特别是机械振动的问，要考虑非常小心。特别是旋转部件的动态行为以及与定子的不同作用对一台机器的耐久性和寿命是非常重要的。因此，机械设计师在发展的早期阶段就已经开始分别调查和预测的机器的动态行为以及相应的内力和应力了。 个滚子轴承上的旋转轴组 图3显示了另一个例子鼓风机系统，由支撑在两 成的。在轴中心的叶轮提供了一个在工厂加工过程中指定的气流。为了调查强迫振动的振动问题，包括共振问题相对简单的模 图鼓风机系统与模型 3 型可以用于挠性轴，刚性轴承以及具有转动惯量特点的叶轮。对于转子系统第一个弯曲处的自然频率(赫兹)，首先可以很容易地通过 以下公式计算出 已知自然频率f或角频率ω=2πf，临界角速度是众所周知的。 C是轴的刚度单位N/m，m是叶轮的质量单位用千克。 由于旋转中心不等于物体的重心，故偏心距e必须考虑。这就导致产生随着转角速度Ω的变化不平衡力的作用。由此产生了不平衡振动如图四所示。 图.鼓风机的运动曲线 4 该图显示了振动的相对振幅(与质量偏心有关)与运行速度(与自然频率x ω有关)的关系。不同的曲线属于不同的阻尼值。由它可以清楚地看到，即共振效应的发生(临界速度)，当转动频率等于自然频率(Ω=ω)。阻尼(被动或 主动)有助于减少在共振过程中的振动。图3的例子是比较容易解决。如今更多的普通转子动力学工具用于计算机模拟，通常基于有限元的方法。一般他们包括像轴，叶轮，轴承，密封件等所有重要的组成部分。并考虑到其他的影响像惯性，阻尼，刚度，回转，结构失衡和流体相互作用力。他们预测模态参数，如自然频率，阻尼值，模态和不平衡短暂的振动也是如此。虽然这些强大的工具本身通常工作没有困难，但问题往往发生在找到正确的输入数据。尤其并不是所有的物理参数都可以从理论推导得到。这特别适用于对转子动力学系数，描述各种流体结构的相互作用。在这种情况下，所需的数据必须从以前的经验中获得或必须通过确定程序由实验获得。一个旋转系统的动态参数的确定要借助于机电元件(主动磁轴承)， 除此之外还可能提供未来可能性。所开发的程序对在运行过程中的故障检测和故障诊断而言是一个重要的基础的。通过将执行元件作为基本单元引进静态和动态作用力到系统，工艺优化和纠正也可以实现。这将在下一部分介绍。 4. 在旋转机械中机电一体化组件的使用 识别技术已被用于不同的装置中，以便找到转子动力学系数(刚度，阻尼，惯性)，例如在轴承和密封件中。在转子动力学中识别技术操作时存在的主要问题之一是旋转结构激励。一方面它不容易的测到转子，另一方面力的测量是困难的，特别是当一台机器在满功率，全速和信噪比很坏的情况下运行时。在最近的一些调查中，主动磁轴承(磁悬浮)已被用于解决这一困难。这些新技术是非常有前景的，因为磁悬浮不只是支撑转子，而且也作为励磁和力的测量装置。在情况下，如果将主动磁轴承系统弧设计成叶轮机械系统的轴承元素，它们似乎有助于作为励磁和力的测量工具。像这种应用，旋转机械系统的动态行为识别在正常运作时将有可能。 4.1 主动磁力轴承原理 不同于传统的轴承系统，在磁轴承中，转子处在一个磁场中。这意味着，传感器和控制器是要稳定悬空转子的不稳定状态。因此，重要的动态特性像整个系统的刚度和阻尼性能可能会受到控制器的控制(DSP的委员会)。对于下面的装置的转子可以在任意选择移动轨迹上独立旋转，如在一个平面上，向前或向后旋风做谐运动。此外，一个不平衡补偿可以实现。一个磁轴承系统由四个基本部分组成:电磁执行器，控制器，功率放大器，和轴上的位置传感器。为了保证转子在轴承中心，将位置传感器信号输入到控制电路中，以充分调整线圈电流。轴承配置是由四个马蹄形磁铁(8磁极)构成，在所谓的差动驱动模式下运行，其中一个磁铁是由偏置电流和控制电流的总和驱动，并且另一个与此不同(图5)。 今天，监控系统通常不是涡轮机的一个组成部分。有了这些故障检测系统，转子的相对和/或绝对运动被作为输出信号来检测。经过 磁力轴承原理图5. 4.2离心泵的故障诊断 信号处理，某些特征(阈值，轨道，频谱等)是由实测数据得到的。若这些特征偏离初始状态准确值一定偏差，诊断元件试图识别可能故障。这些程序的困难是，对输出信号进行修改的原因不能被检测清楚。其原因可能要么是对加工的改变或系统本身的修改。对现有的诊断技术的改善，可以通过使用电磁轴承。他们非常适合在旋转机器中连接作为执行机构和传感器单元。 图离心泵磁力轴承6 因此，频率响应函数(刚度或相应的频率响应)可以由测得的输入和输出信号获得，其中对于系统的物理参数或模态参数(固有频率，本征模，模态阻尼)也可以被确定。一个磁悬浮离心泵用于验证，并说明基于诊断方法所开发的模型的性能。图6显示了有管道系统和驱动电机的单级泵。两个径向和轴向磁力轴承支撑泵轴，除此之外，还作为测定频率的响应函数(随变函数)的执行机构和传感器。作为一个例子，图7表示一个测量没有任何误差的频率响应函数(参考)。 如果有误差，例如泵系统的干运行，频率响应函数将改变其行为，像干运行曲线(测量值)。由于运行在狭窄干燥密封道内流体结构交互作用不再工作，这改变了泵的动态特性完全(流体的刚度和阻尼系数)。从频率响应的变化可以得出干运行发生故障的结论。我们的任务是当故障发生时，找出来了并确定故障类型，位置和扩展。 图离心泵的频率响应函数 7 一个泵系统的模型可以帮助解决这个问题(模型的诊断)。在图8中的干运行系统仿真产生了另一条曲线，它非常适合对有故障的转子测量。此次仿真出的相应模拟参数属于泵干运行情况下的。 4.3高速磨削的工艺诊断与工艺优化 内部磨削适用于的产品，如球轴承外圈或内燃机的注塑件。这个工艺要求非常高和难度大。一方面，对于工件的形状和尺寸精度，以及对表面质量要求较高。另一方面，因大规模生产工艺要短周期的。这就意味着满足这些要求可采取的措施是改善轴承系统，过程监控和诊断，就流程优化而言的流程修正。高速磨削主轴电磁轴承最适合为了执行这些措施(图8)。 图磨削主轴的磁悬浮轴承8 图正常磨削力下的工艺诊断9 就磁悬浮轴承而言，他们所要求的最高转速了达到180.000 rpm，但这将引起正常的加工作用力减小。在轴承内不存在机械摩擦轴承寿命变长。此外高静主轴刚度可以通过设计一个合适的控制器达到。通过使用测量的位移信号和提供给定的控制电流给磁悬浮系统可获得磁悬浮作用力，在它的外面，便可分别获得正 常的切向和轴向力。正常的加工作用力对加工诊断的性能是必不可少的，因为它加工的作用力对加工状态有直接影响(图9)。 根据测量和计算量的诊断算法来对加工状态进行评估，如瞬间的颤振或砂轮破碎方面。除了诊断程序或直接的信号校正程序外，其他 图 静态工具的弯曲补偿 10 是为了优化研磨工艺。在这个阶段，电磁轴承用作驱动器将主轴移动到所需位置。一个修正过程如图10所示。由于其加工的灵活性，工作工具在磨削过程中弯曲，导致加工出不良圆锥形孔的形状。通过将轴承内主轴倾斜，这种影响不会发生。所描述的概念开发和试用在一个磁悬浮高速磨削主轴试验台上。另一种优化流程可能是通过在轴向方向施加约30赫兹频率和20微米的小振幅主轴振荡方法实现的。此作用由轴向磁轴承产生，将改善工件表面的质量。 5.结论 在旋转机械中机电一体化组件的使用可能有助于更好的改善此类机械的性能。作为一个例子主动磁悬浮轴承也可以用来作为传感器，执行机构和激励。精确测量力和位移，产生的轴向和径向轴运动是可能的。通过这种方式电磁轴承在 叶轮机械中获得了新应用，例如提高识别，诊断和优化技术。这项技术支持的新产品在旋转系统领域的发展。 致谢 作者特别感谢吉特?兰伯特夫人和亚历山大?吉斯先生对撰写这篇文章的支持。