转轴径向振动主动控制系统及主动控制方法与流程

本发明涉及振动主动控制技术领域，特别是一种转轴径向振动主动控制系统及主动控制方法。

背景技术：

振动是自然界最普遍的现象之一，自然界中的各种物理现象，诸如声、光、热等都包含振动，例如心脏的搏动、耳膜和声带的振动；桥梁和建筑物在风和地震作用下的振动；飞机和轮船航行中的振动；机床和刀具在加工过程中的振动等等，振动普遍存在于我们生活中的各个领域。振动在大多数情况下是消极的、有害的，它常常是造成机械和结构破坏和失效的直接原因，例如1940年美国华盛顿州塔科马海峡大桥，该桥主跨854.4m，全长1810.56m，宽11.9m，在风速为19m/s的中等风速下发生共振，最终导致了大桥的坍塌；2009年10月10日竣工通车的俄罗斯伏尔加河桥，前后建造花去12年时间，大桥全长154米，总造价8000万美元，于2010年5月19号在风中发生桥梁共振，最终导致了大桥的坍塌；美国的f-15战斗机由于尾翼颤振导致了飞机的解体。振动会影响精密仪器的功能，降低加工精度，加剧构件的疲劳和磨损；此外强烈的振动会产生噪声，从而形成严重的公害。

旋转机械广泛用于电力、化工、机械及一些军事工业部门，例如电力系统的汽轮发动机组，化工系统的压缩机以及泵、齿轮箱、鼓风机等机械设备，其设备的安全运行对国民经济的发展有着重要的意义。旋转机械长期运转后，由于磨损、变形、松动和材料疲劳等原因，发生振动故障的概率大大增加，严重时造成巨大经济损失，例如1972年日本海南电厂的一台66万千瓦的汽轮发电机组，轴系长度将近50米，共有11个支撑的轴承，在点火试车过程中，机组运行到某一转速突然发生爆炸，爆炸产生的碎片朝一侧最远飞出48米，朝另一侧最远飞出101米，分析爆炸原因时发现第11号轴承装配过程中轴杆和轴承装配不良，发生了松动，整个轴系的共振频率下降，临界转速下降，机组在未运行至预期的临界转速之前发生共振，导致了悲剧的发生。对旋转机械设备进行状态监测和故障诊断，可有效降低设备的运行维护成本，保证其安全稳定运行。对旋转机械振动的研究一直以来都是研究的热点问题。随着各类旋转机械向着高速、高效及高可靠性的方向发展，传统的被动抑振措施越来越不能满足要求，因而各种主动振动控制策略和方法近年来得到了迅速地发展，并在工程中开始应用。振动主动控制技术由于具有减振效果好、适应性强、低频控制效果好、灵活性强等潜在优势，正得到越来越广泛的应用。

目前关于转子系统振动主动控制方法的研究时间较短，相关成果较少，且大部分的相关理论主要偏向理论研究，对主动控制装置的物理实现技术研究较少，目前常见的转轴振动主动控制的物理实现技术主要是将传感器安装在固定转轴的支撑架上，通过将检测到的支撑架振动信号输送给控制器，控制器对转轴的振动数据进行分析处理产生控制信号，传递给作动器产生作动力，来控制转轴的振动，这种方式虽然能够在一定程度上实现转轴振动的主动控制，但是由于是一种间接测量控制的方式，时滞较大，测量精度受支撑件刚度影响较大，控制效果不是很好，且装置结构复杂，拆装困难，成本高，实用性较差，适用范围较窄。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现要素：

为了上述问题，本发明提供了转轴径向振动主动控制系统及主动控制方法，对转轴振动的检测更加可靠，振动的抑制效果更好，能快速高效的抑制转轴振动，能够有效解决通常的转轴振动主动控制系统中存在的信号测量误差大、传输过程中时滞大、处理耗时长、振动抑制效果差等问题，能更好的实现轴径向振动的主动控制。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

一种转轴径向振动主动控制系统包括，

加速度传感器，其固定连接待主动控制的转轴以实时测量所述转轴的振动信号，

第一导电环，其固定连接所述转轴且电连接所述加速度传感器，

弹性元件，其固定连接所述转轴，

作动器，其固定连接所述弹性元件使得施加的作用力经由弹性元件作用于转轴，

第二导电环，其固定连接所述转轴且电连接所述作动器，

控制器，其电连接所述第一导电环和第二导电环，其中，

响应于所述振动信号，控制器分析处理振动信号以形成控制信号，

响应于所述控制信号，作动器施加作用力经由弹性元件作用于转轴以主动控制转轴的径向振动。

所述的转轴径向振动主动控制系统中，所述主动控制系统还包括，

内壳体，其固定连接所述转轴，

外壳体，其经由第一滚动轴承和第二滚动轴承连接内壳体，

第一端盖，其连接内壳体和外壳体的第一侧，

第二端盖，其连接内壳体和外壳体的相对于第一侧的第二侧。

所述第一导电环经由第一支承板定位于内壳体和外壳体之间，

所述第二导电环经由第二支承板定位于内壳体和外壳体之间，。

所述的转轴径向振动主动控制系统中，所述主动控制系统还包括，

作动器盖板，其设在所述作动器上，

预紧螺栓，其设在所述作动器盖板以调节所述弹性元件的预紧力。

所述的转轴径向振动主动控制系统中，所述主动控制系统还包括，

功率放大器，其电连接于所述控制器和第二导电环之间以放大所述控制信号，

显示器，其电连接所述控制器。

所述的转轴径向振动主动控制系统中，用于定位的第一套筒和第二套筒设置在内壳体和外壳体之间。

所述的转轴径向振动主动控制系统中，所述第一支承板和/或第二支承板包括工型支承板，所述加速度传感器包括压电式加速度传感器，所述弹性元件包括叠层弹簧，所述作动器包括压电叠层作动器。

所述的转轴径向振动主动控制系统中，加速度传感器包括安装在内壳体表面上靠近第一滚动轴承的位置处的第一加速度传感器和第二加速度传感器，两个传感器在圆周方向上呈90°夹角，作动器包括六个压电叠层作动器，其在圆周方向上的夹角为60°。

所述的转轴径向振动主动控制系统中，传感器和作动器均安装在转轴上随转轴一同旋转。

所述的转轴径向振动主动控制系统中，所述控制器对比转轴振动主动控制前后的波形图以修正控制信号。

根据本发明的另一方面，一种所述转轴径向振动主动控制系统的主动控制方法包括以下步骤，

固定连接待主动控制转轴上的加速度传感器实时测量所述转轴的振动信号，响应于所述振动信号，控制器分析处理振动信号以形成控制信号，

响应于所述控制信号，作动器施加作用力经由弹性元件作用于转轴以主动控制转轴的径向振动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

整个过程均是实时进行的，可实现旋转轴系径向振动的主动控制；传感器和作动器均安装在转轴上随转轴一同旋转，信号的测量结果误差较小，测量结果更准确，控制器控制效率和执行器的执行效率都更高，振动主动控制过程中的时滞小，控制速度更快，能更好的实现振动主动控制；整个系统结构简单，安装和拆卸都很方便，工作可靠，实用性强。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的转轴径向振动主动控制系统的结构示意图；

图2根据本发明一个实施例的主动控制方法的控制流程示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至图2更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1所示，一种转轴径向振动主动控制系统包括，

加速度传感器501，其固定连接待主动控制的转轴1以实时测量所述转轴1的振动信号，

第一导电环402，其固定连接所述转轴1且电连接所述加速度传感器501，

弹性元件505，其固定连接所述转轴1，

作动器504，其固定连接所述弹性元件505使得施加的作用力经由弹性元件505作用于转轴1，

第二导电环404，其固定连接所述转轴1且电连接所述作动器504，

控制器602，其电连接所述第一导电环402和第二导电环404，其中，

响应于所述振动信号，控制器602分析处理振动信号以形成控制信号，

响应于所述控制信号，作动器504施加作用力经由弹性元件505作用于转轴1以主动控制转轴1的径向振动。

所述的转轴径向振动主动控制系统的优选实施例中，所述主动控制系统还包括，

内壳体201，其固定连接所述转轴1，

外壳体204，其经由第一滚动轴承203和第二滚动轴承206连接内壳体201，

第一端盖202，其连接内壳体201和外壳体204的第一侧，

第二端盖205，其连接内壳体201和外壳体204的相对于第一侧的第二侧。

所述第一导电环402经由第一支承板401定位于内壳体201和外壳体204之间，

所述第二导电环404经由第二支承板403定位于内壳体201和外壳体204之间，。

所述的转轴径向振动主动控制系统的优选实施例中，所述主动控制系统还包括，

作动器504盖板502，其设在所述作动器504上，

预紧螺栓503，其设在所述作动器504盖板502以调节所述弹性元件505的预紧力。

所述的转轴径向振动主动控制系统的优选实施例中，所述主动控制系统还包括，

功率放大器603，其电连接于所述控制器602和第二导电环404之间以放大所述控制信号，

显示器601，其电连接所述控制器602。

所述的转轴径向振动主动控制系统的优选实施例中，用于定位的第一套筒301和第二套筒302设置在内壳体201和外壳体204之间。

所述的转轴径向振动主动控制系统的优选实施例中，所述第一支承板401和/或第二支承板403包括工型支承板，所述加速度传感器501包括压电式加速度传感器501，所述弹性元件505包括叠层弹簧，所述作动器504包括压电叠层作动器504。

所述的转轴径向振动主动控制系统的优选实施例中，加速度传感器501包括安装在内壳体201表面上靠近第一滚动轴承203的位置处的第一加速度传感器501和第二加速度传感器501，两个传感器在圆周方向上呈90°夹角，作动器504包括六个压电叠层作动器504，其在圆周方向上的夹角为60°。

所述的转轴径向振动主动控制系统的优选实施例中，传感器和作动器504均安装在转轴1上随转轴1一同旋转。

所述的转轴径向振动主动控制系统的优选实施例中，所述控制器602对比转轴1振动主动控制前后的波形图以修正控制信号。

为了进一步理解本发明，在一个实施例中，同步转动的轴系径向振动主动控制系统主要由转轴1，壳体部分，导电环组件，振动主动控制组件内设，振动主动控制组件外设，联结固定件和导线等组成。所述轴系径向振动主动控制系统可直接套装在旋转轴1系上，并与所述的振动主动控制组件外设相连，用以实现转轴1径向振动的主动控制。所述的壳体部分是所述轴系径向振动主动控制系统的骨架，所述导电环组件，振动主动控制组件内设均安装在其上，其与转轴1之间的配合方式可采用过盈配合、螺栓配合或者其他配合方式。所述的导电环组件用于实现安装在所述壳体部分上的所述振动主动控制组件内设和所述振动主动控制组件外设间信号和能量的相互传递，信号传递过程中时滞小，响应快，且解决了旋转轴系中运动部件和静止部件间的接线问题。所述的振动主动控制组件内设用于实现所述旋转轴1系振动信号的实时采集，及控制器602传来信号的实时响应，且由于所述的振动主动控制组件内设的检测部件和执行部件均直接安装在旋转轴系上，信号检测速度快，信号中的干扰成分少，可降低所述振动主动控制组件外设中控制器602的对信号的处理难度，缩短处理时间，进而缩短整个振动主动控制系统的反应时间，更好的做到对振动信号的实时响应，对旋转轴系振动的抑制效果显著。

所述的振动主动控制组件外设主要用于对所述的振动主动控制组件内设传来的振动信号进行实时处理，生成控制信号，用于对所述振动主动控制组件内设中的执行部件进行控制，以实现轴系径向振动的主动抑制。

所述的一种同步转动的轴系径向振动主动控制系统中，将所述的一种同步转动的轴系径向振动主动控制系统直接套装在转轴1上，并与振动主动控制组件外设进行连接；

振动主动控制组件内设中的压电式加速度传感器501可直接检测转轴1的径向振动，并通过导电环组件将转轴1的振动信号传递至振动主动控制外设中的控制器602；

优选的，所述振动主动控制系统中装有第一导电环402和第二导电环404，其中第一导电环402与连接压电式加速度传感器501和控制器602相连接，第二导电环404与功率放大器603和压电叠层作动器504相连接，用以实现转动部件和静止部件间信号和电能的传递；

进一步优选的，振动主动控制组件内设中的压电式加速度传感器501共有两个，安装在内壳体201的表面上靠近滚动轴承1的位置处，两个传感器在圆周方向上呈90°夹角，用以检测转轴1的径向振动；

振动主动控制组件外设中的控制器602对经导电环组件传来的振动信号进行分析处理产生控制信号，并经由振动主动控制组件外设中的功率放大器603将控制信号进行放大；

进一步，振动主动控制组件外设安装固定在系统外部，可以方便观察和对比转轴1振动主动控制前后的波形图，及时对控制算法中不合理的地方进行修正，更好的实现轴系径向振动的主动控制，操作方便灵活；放大后的控制信号经另一导电环被传至振动主动控制组件内设中的执行装置-作动器504，作动器504将传入的控制信号转化为作动力施加在转轴1上，从而抑制转轴1的径向振动。

优选的，振动主动控制组件内设中的作动器504为压电叠层作动器504，共有6个，均匀安装在叠层弹簧上，6个作动器504在圆周方向上的夹角均为60°，用以接收从第二导电环404上传来的控制信号，对转轴1的振动进行控制。

优选的，除振动主动控制组件外设，其他部分均可直接安装在转轴1上，安装、拆卸方便。

在一个实施例中，本发明为一种同步转动的轴系径向振动主动控制系统，主要由转轴1，壳体部分，导电环组件，振动主动控制组件内设，振动主动控制组件外设，联结固定件和导线等组成；壳体部分主要由内壳体，第一端盖202，第一滚动轴承203，外壳体204，第二端盖205，第二滚动轴承206组成，用以安装和固定振动主动控制系统的其他元件；固定联结件主要由第一套筒301，第二套筒302等组成，主要用于壳体部分内部零部件的安装和定位；导电环组件主要由工型第一支承板401，第一导电环402，工型第二支承板403和第二导电环404等组成，在转轴1运转过程中，用于实现安装固定在转轴上，随转轴一起转动的振动主动控制组件内设和安装固定在振动主动控制系统外部的振动主动控制组件外设间电能和信号的传递；振动主动控制组件内设主要由压电式加速度传感器501，作动器盖板502，预紧螺栓503，压电叠层作动器504，叠层弹簧505等组成，压电式加速度传感器501对转轴1的振动信号进行实时检测，并将检测到的振动信号经第一导电环402传递至控制器602，压电叠层作动器504实时接收经第二导电环404传来的控制信号，通过安装在转轴1上的叠层弹簧505直接对转轴1上的振动进行控制，预紧弹簧用于对压电叠层作动器施加一定的预紧力；振动主动控制组件外设主要由显示器601，控制器602，功率放大器603和若干导线等组成，安装固定在本发明振动主动控制系统的外侧，用于接收压电式加速度传感器501经第一导电环402传来的振动信号，并对振动信号进行分析、处理、放大，形成控制信号，经第二导电环404传递至压电叠层作动器504，进而实现转轴振动的主动控制。

在一个实施例中，内壳体包括内壳体201和第二内壳体207。

在一个实施例中，振动主动控制组件外设安装固定在系统外部，可以方便观察和对比转轴振动主动控制前后的波形图，及时对控制算法中不合理的地方进行修正，更好的实现轴系径向振动的主动控制，操作方便灵活。

如图2所示，一种所述转轴径向振动主动控制系统的主动控制方法包括以下步骤，

固定连接待主动控制转轴1上的加速度传感器501实时测量所述转轴1的振动信号，

响应于所述振动信号，控制器602分析处理振动信号以形成控制信号，

响应于所述控制信号，作动器504施加作用力经由弹性元件505作用于转轴1以主动控制转轴1的径向振动。

在一个优选实施方式中，主动控制方法包括以下步骤：

s1、将所述的一种同步转动的轴系径向振动主动控制系统安装在转轴1上，可以根据需要选择螺栓联接、焊接、过盈配合或者是其他联接方式；

s2、转轴1转动的过程中，安装在所述内壳体201表面上靠近滚动轴承1位置处的所述振动主动控制组件内设中的压电式加速度传感器501检测转轴1的径向振动，产生振动信号；

s3、所述的压电式加速度传感器501检测到的振动信号经导电环传递至安装在转轴1之外的所述振动主动控制组件外设中的控制器602，控制器602对由导电环组件传来的振动信号进行分析处理，产生控制信号；

s4、所述的振动主动控制组件外设的控制器602产生的控制信号经功率放大器603的放大作用和导电环组件的传递，传输至所述振动主动控制组件内设的压电叠层作动器504；

s5、所述的振动主动控制组件内设的压电叠层作动器504根据控制器602传来的控制信号产生作动力，以减小甚至消除转轴1的径向振动；

s6、整个系统的供电采用外部供电的方式，旋转部件与固定部件间电能的传递依靠导电环来实现传输

重复进行s1-s6的步骤，即可实现转轴1径向振动的主动控制，本发明中的压电式加速度传感器501可实时采集转轴1的径向振动信号并将其传递至控制器602，控制器602对转轴1的振动信号进行分析处理，产生最佳的控制方案传递至压电叠层作动器504，对转轴1的振动进行实时控制，结构简单，时滞小，控制效果好。

本发明的壳体部分主要由端盖，外壳体，内壳体，轴承和一些联结固定用的螺栓等组成，是振动主动控制系统的骨架部分；振动主动控制组件的内设部分主要由传感器，叠层弹簧，作动器，预紧螺栓，作动器盖板，联结固定用的螺栓和导线等组成，用于向外界的振动主动控制组件的外设部分传递振动信号，以及接收外界传入的控制信号并对转轴的振动进行控制，是振动主动控制系统的检测装置和执行装置；振动主动控制组件外设主要由控制器，功率放大器，显示器和若干导线等组成，用于对传入的振动信号进行分析、处理和实时反馈，是振动主动控制系统的核心部分；导电环组件主要由导电环，套筒，工型支承板和若干导线等组成，用于实现静止部件和运动部件间电能和信号的传递，在本发明的振动主动控制系统中起桥梁作用。

转轴旋转过程中，本发明中的压电式加速度传感器检测到转轴的径向振动，并将振动信号经导电环传递至控制器，控制器对传入的振动信号进行分析处理形成控制信号，经功率放大器放大和导电环的传输，将控制信号传递至压电叠层作动器，产生作动力，由于信号的检测、传输和作动器的控制均可实时进行，因此可实现转轴径向振动的主动控制。本发明装置结构设计简单，安装方便，直接套装在转轴上便可实现转轴振动的主动控制，作用效果好，实用性强。

工业实用性

本发明所述的转轴径向振动主动控制系统及主动控制方法可以在主动控制领域制造并使用。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。