基于系统辨识的轴向磁悬浮轴承建模研究

磁悬浮轴承可有效地提升高速电机的临界转速,然而轴向磁悬浮轴承在转子高转速和材料实心的情况下涡流效应显著。针对该情况下实心轴向磁悬浮轴承的建模问题,使用等效磁路法建立轴向磁悬浮轴承模型时常会忽略涡流效应,导致理论模型与实际模型存在较大误差。为了得到更贴近实际的轴向磁悬浮轴承精确模型,针对一种混合型三自由度磁悬浮轴承的轴向部分采用系统辨识的方法进行了闭环辨识,研究了分数阶模型阶次的确定流程和误差准则,得到了轴向磁悬浮轴承的数学模型。结果表明,分数阶系统模型能够弥补整数阶模型在高频段上的相位特性误差,在整个频域上有着更高的精确度。

人工肾脏泵用磁悬浮轴承设计与磁力特性分析

代替透析膜的持续离心分离新方法提高了依赖血液透析治疗的肾脏病患者生活质量,随之,人工肾脏泵的研究被很多学者关注.但传统人工肾脏泵采用滚动轴承进行支撑,存在溶血高、血栓率高等问题,为此,本文利用磁悬浮轴承的非接触、无润滑、高转速等优点,研发了一种应用于人工肾脏泵的结构紧凑且节能的单自由度控制型磁悬浮轴承.利用有限元分析软件进行仿真,探索径向被动控制部分和轴向主动控制部分的设计参数,并对总体进行仿真验证,进而对磁悬浮轴承进行结构性能评估.结果表明:仿真与实验的径向位移刚度系数分别为47.432 N/mm和49.531 N/mm,轴向电流刚度系数分别为0.144 N/AT和0.135 N/AT,轴向位移刚度系数为223.071 N/mm,满足该磁悬浮轴承的五自由度稳定悬浮要求;所设计的磁悬浮轴承简化了系统结构,减小了控制难度以及降低了系统功耗.

高温磁悬浮轴承-转子系统建模与动力学分析

在多电航空发动机中,主动磁悬浮轴承因其耐高温、非接触等特性可以突破温度对支承部位的限制,使支承部位能够更靠近燃烧室.为探究温度对磁悬浮轴承转子系统动态特性的影响规律,提出一种高温磁悬浮轴承转子系统动力学建模方法.通过仿真得到转子在不同温度下的温度分布,并使用多项式拟合转子轴向温度分布;基于有限元方法推导柔性转子单元的动力学模型,引入温度影响,建立考虑温度影响的磁悬浮轴承转子系统整体动力学模型,并通过模态试验验证模型的准确性;基于理论动力学模型分析系统的动态特性.结果表明:温度升高会导致转子的前三阶支承模态频率下降,增大各阶幅频响应幅值;当温度从常温升至450℃时,转子的前三阶弯曲支承模态频率分别降低了3.818%、5.670%、3.183%,前三阶弯曲模态幅频响应幅值分别升高了83.4%、34.4%、24.1%.

内蒙古白云鄂博某低品位含铁岩矿磁悬浮联合分级流程工业试验研究

白云鄂博铁矿石储量巨大,缓解了国家铁矿石对外依存度过高的问题,同时也助力了包钢集团生产发展。但是在采矿过程中,产生了大量TFe品位低于20%的低品位含铁岩矿。对该类矿石,采用传统连续磨矿-磁选流程,在细磨至-0.074 mm粒级含量95%情况下,铁精矿品位最高只有60.8%,无法达到合格铁精矿质量要求;如果采用浮选流程,选矿经济性能不佳,故该部分矿石一直进行堆放未得到应用。本文通过对原矿性质进行分析,引入新型磁悬浮精选机作为磁选精选设备,同时设计三条全磁工艺流程进行工业试验,均可得到TFe品位64.5%以上的合格铁精矿,同时铁精矿中杂质元素K、Na、Si含量远低于浮选工艺流程。其中,自主开发的阶段磨选-磁悬浮联合分级分选流程,在细磨至-0.074 mm粒级含量95%情况下,最终可得到铁精矿TFe品位64.5%、磁性铁回收率95.07%的优良技术指标,分选效率高,效果好。现场应用后可实现白云鄂博低品位含铁矿经济性绿色利用,经济效益显著,同时极大地延长了白云鄂博铁资源的供给年限,对国家自有铁矿石产能接续、矿山自身可持续发展及资源绿色利用具有深远意义。

基础激励下磁悬浮转子振动响应研究

应用于移动载体上的磁悬浮转子会受到基础运动的激励作用产生振动,甚至会造成转、定子碰摩与系统失稳。为了探究基础激励下磁悬浮转子的振动响应,进行了数值仿真和试验验证。考虑磁悬浮轴承的闭环控制,建立了基础激励下的磁悬浮转子动力学模型,基础激励对转子的作用以附加广义力形式引入转子运动微分方程。通过数值仿真分析了基础简谐激励幅值和频率、基础冲击激励加速度与脉宽、磁悬浮轴承控制参数对转子振动响应的影响。进行了基础激励试验,试验结果与仿真结果吻合,验证了基础激励下磁悬浮转子模型的准确性。结果表明,转子简谐响应幅值与基础简谐激励频率的平方和激励幅值成正比,转子冲击响应峰值与基础冲击激励的加速度成正比,适当增大磁悬浮轴承控制器的比例系数和微分系数可以抑制基础激励引起的转子振动。

主动磁悬浮轴承系统保护轴承热特性研究及减摩设计

针对主动磁悬浮轴承系统(AMBs)转子跌落过程中转子与保护轴承碰摩产生巨大冲击、振动和大量摩擦热,易使保护轴承失效的问题,对立式转子跌落到保护轴承过程中的热特性进行了研究,分析了转子跌落对保护轴承造成破坏的主要影响因素,进而提出了一种采用磁控溅射技术在保护轴承关键表面沉积固体润滑薄膜(类石墨碳基薄膜,GLC)的减摩方法,并对镀膜、未镀膜的保护轴承进行了转子跌落试验。研究结果表明:跌落转速为20000 r/min时,保护轴承的最高温度为210.60℃,出现在转子与轴承内圈端面高速碰摩阶段,该温度超过了轴承钢160℃的回火温度,导致轴承烧伤而失效。在跌落试验中,镀有GLC薄膜的自润滑保护轴承试验后的沟道和端面外观明显优于未镀膜保护轴承,由碰摩发热导致的内圈端面硬度下降也较轻,质心轨迹和轴向位移更加平稳,温升更低,GLC薄膜起到了关键的自润滑和减摩功能,提高了保护轴承的使用寿命和服役可靠性,为解决主动磁悬浮轴承系统中保护轴承易失效而发生重大事故的问题提供了一种思路和方法。

中低速磁悬浮铁路路基轨道梁计算方法

研究目的:中低速磁悬浮铁路是一种新型交通运输系统,其路基-轨道梁结构对系统的安全性、运行稳定性和乘坐舒适性有重要影响。为简单合理确定车辆荷载作用下路基-轨道梁结构的挠度和内力以便为实际工程设计提供理论依据,基于Winkler弹性地基上的Timoshenko梁模型,建立中低速磁悬浮铁路路基轨道梁计算方法。研究结论:(1)通过拟静力法将车辆动力荷载转换为等效惯性力,结合梁体边界条件,采用Laplace变换方法,推导出了竖向集中荷载作用下轨道基础梁的挠度和内力的计算公式,并通过室内模型试验和现场测试进行了验证;(2)轨道基础梁的挠度和弯矩沿梁体长度均呈中间大、两端小的抛物线型分布模式,二者理论值与试验值的最大误差分别约为10%、5.6%;(3)梁体剪力沿长度呈跨中为零的线性分布,理论值与试验值最大误差约为5%;(4)本文所建立的计算方法可为中低速磁悬浮铁路路基轨道梁的实际工程设计提供参考。

基于扰动补偿的磁悬浮转台分数阶滑模控制

针对存在非线性、耦合性和不确定性的磁悬浮转台的高精度运动控制问题,提出一种基于非线性干扰观测器的分数阶滑模控制方法以提高跟踪精度.首先,基于系统电磁力模型和动态解耦方法,构建六自由度磁悬浮转台系统动力学模型;其次,设计非线性干扰观测器,对包含系统误差、六自由度间耦合项和外界干扰的集总扰动进行估计,证明了估计误差有界且可调节到任意小;然后,在离散域提出了一种分数阶滑模面,采用分数幂函数替代传统符号函数来抑制抖振,引入分数阶微积分来减小跟踪误差;最后,设计有限时间收敛的分数阶滑模控制策略,并利用李雅普诺夫稳定性理论证明闭环系统稳定性.实验结果表明:与整数阶滑模控制方法相比,采用所提方法,2个水平自由度和绕竖直方向旋转自由度对三角波的跟踪误差均方根分别减小了12.8%、16.8%和23.7%,最大跟踪误差分别减小9.26%、13.00%和33.20%;跟踪圆形轨迹时,2个水平自由度的跟踪误差均方值分别减小6.39%和12.40%,最大跟踪误差分别减小9.90%和12.10%.

电磁感应与磁悬浮实验误差来源分析及改进措施

基于电磁感应定律研究导体在磁场中运动而产生的磁悬浮现象实验中,存在一个突出的问题是铝盘和轴承的转速不稳定,导致仪器数显不稳定,读数不易确定,最终给实验结果带来了较大的误差.论文对实验操作和数字仪表记录数字的过程进行了改进,主要是把铝盘多次手动设定升速过程改为铝盘一次性自动降速完成,人工多次计数改为智能手机一次录像后再记录数.这一改进解决了常规操作中数字仪表数显不稳定的问题,减小了实验误差,简化了实验流程、提高了实验操作效率.

月基磁悬浮旋转抛射返回系统新技术

月球资源开发与利用是深空探测由“探”到“用”发展的内生源动力,是全球深空探测的热点研究领域。月球具有丰富的3He、钛、稀土金属等珍稀资源,受限于传统月地返回方式技术复杂度高、规模庞大、重复性差、经济性差等因素,各国对月球资源开发与运返利用均停留在“探”的阶段,对如何实现高效的“用”,尚未形成经济可行的技术方案。基于现有的磁悬浮和旋转飞轮技术,提出以磁悬浮旋转抛射为核心的月地返回系统新技术。该技术充分利用月表低温、弱重力等环境因素,实现月球资源可被重复、低成本、高频次地运返地球。

高温超导磁悬浮引纬结构悬浮稳定性分析

针对现有电磁投梭技术能量利用率低、引纬幅宽提升有限等问题,提出了一种基于超导磁悬浮的引纬方式,基于高温超导体的迈斯纳效应高温超导片梭能实现其自稳定悬浮,再通过设计的电磁线圈轨道产生行波磁场驱动片梭,从而实现增加片梭织机引纬幅度。由于引纬结构中永磁轨道间磁场存在相互干扰使轨道产生的磁场非对称分布,导致超导片梭两侧超导体悬浮力不相同,超导片梭不能稳定悬浮在轨道上方,后续引纬过程不能进行。为了保证引纬前片梭悬浮稳定性,通过有限元仿真软件分析超导片梭受到的悬浮力,并通过数值计算对永磁轨道磁场进行求解,从而研究磁场分布与超导片梭悬浮稳定性之间的影响。研究表明,轨道上方磁场分布对称性越高,超导片梭悬浮稳定性越高。通过数值计算方法确定了永磁轨道之间的距离为30-40 mm,即永磁轨道之间磁场发生干扰的临界距离,磁场分布具有很强对称性,超导片梭能够稳定悬浮于永磁轨道上方,并且能使超导片梭尺寸最小。

磁悬浮轨道梁均匀温度及温差分量极值研究

与一般公铁桥梁不同,磁悬浮轨道梁的温度场会受到周围磁场与功能件升温的影响。由于我国规范暂未对磁浮轨道梁均匀温度和温差分量的极值作出明确规定,研究具有概率保证的温度分量代表值具有重要意义。根据长沙磁浮运营线某混凝土箱梁1年多的现场温度监测数据,分析梁体均匀温度与竖向等效线性温差的时变特征。研究分别采用单变量线性回归法(ULR法)和梯度提升回归树法(GBRT法)建立基于气象因素的结构温度分量预测模型,对比发现GBRT法不仅能提高均匀温度的预测精度,还能克服ULR法无法预测竖向等效线性温差的局限性。而后将1960—2019年的长期气象数据输入到建立好的GBRT预测模型中,得到磁浮箱梁各温度分量60年的长期预测值,经整理后得到均匀温度和竖向等效线性温差的日极值、年极值样本。结合最大熵极值模型和Fourier函数得到各温度分量的日极值时变曲线,对年极值样本建立最大熵模型并确定百年重现期下的温度分量代表值。研究结果表明:磁浮箱梁均匀温度呈现以年为周期的季节性变化,竖向等效线性温差受太阳辐射影响,呈夏季高、冬季低的特点;百年重现期下磁浮箱梁均匀温度和竖向等效线性温差的代表值分别为44.4℃、8.6℃。该方法结合GBRT算法和最大熵极值模型,解决了极值分析中年极值样本不足的问题,结果可为磁浮轨道梁的温度变形设计提供参考。

基于磁悬浮理论的自适应抗拔摩擦摆隔震支座力学性能研究

为解决摩擦摆隔震支座抗拔能力不足的问题并优化其隔震性能,将传统的摩擦摆支座(FPB)和半主动控制思想相结合,提出一种自适应磁悬浮抗拔摩擦摆隔震支座(AMFPB)。基于磁路理论进行理论分析,推导出U型电磁铁的电磁力公式,以及AMFPB刚度、周期和等效阻尼比计算公式;对U型电磁铁进行位移-电磁力试验分析,建立AMFPB有限元模型,并对不同位移幅值、不同电磁铁匝数和输入电流下支座的滞回特性和抗拔性能进行分析。研究结果表明:U型电磁铁的位移-电磁力试验结果与理论结果吻合度较好,计算得到的AMFPB滞回曲线与数值模拟结果基本相同。AMFPB随滑动位移的增加可调节自身的刚度及耗能,有利于支座位移的控制。

基于遗传算法的磁悬浮列车升力翼的翼型及外形结构优化

翼型对于高速列车升力翼的气动性能影响明显,为进一步提高升力翼的增升性能,对磁悬浮列车升力翼的翼型和外形结构优化很有必要。选用翼型NACA BR 63-55-12作为高速列车升力翼的基础翼型,利用遗传算法与CFD相结合的方法对基础翼型进行优化,对基础翼型和优化后的翼型进行气动性能对比分析,在此基础上建立了升力翼的气动仿真模型,研究了翼尖小翼和支撑杆形状对气动性能的影响。结果表明:优化后翼型气动特性出现明显提升,其中升力系数提高23.2%,阻力系数降低0.67%,升阻比提高;升力翼翼尖加装小翼起到增强翼尖涡耗散作用,安装小翼的升力翼的升阻比平均增大约6.7%;升力翼的3种截面中椭圆形的支撑杆阻力最小,在3种截面形状中最大。

磁悬浮小球虚拟实验系统设计与开发

为了解决“动力控制原理与技术”课程内容抽象、学生缺乏对实际工程控制案例直观认识的问题,设计开发了一种基于半物理仿真的磁悬浮小球虚拟实验系统。建立了磁悬浮小球的仿真模型,设计了自定义目标软硬件实现方案,完成了虚拟磁悬浮小球与嵌入式目标之间的通信。通过所设计的实验系统,可以开展系统建模、PID串级悬浮控制、嵌入式控制器设计等各类开放性实验,弥补了传统实验的各种限制,达到寓教于乐,提升教学效果的目的。

基于感性工学的永磁悬浮车厢造型设计研究

轨道交通作为未来新兴的出行方式,其造型设计应符合用户的感性需求。本文运用感性工学的方法,首先,确定感性词汇与永磁悬浮车厢典型样本,然后,对永磁悬浮车厢形态元素进行分解,最后,基于数量化Ⅰ类理论方法建立感性词汇与永磁悬浮车厢形态元素的数学模型。设计方案验证结论的可行性。通过对用户感性需求的研究为永磁悬浮车厢的创新设计提供新的思路,使永磁悬浮车厢符合用户的感性需求,为其造型设计和改进提供参考。

“御剑飞行”的磁悬浮列车

在中国传统文化中,许多仙人或神仙可以驾驭其飞剑而御空飞行,被视为一种神秘的能力。而现在的磁悬浮列车则是列车中御剑飞行的修仙者,只不过其御的是“磁”,而不是剑。如今的轮轨交通能够达到350 km/h的高速运行,但是这还不能满足人们对更高速轨道交通的强烈需求。磁悬浮列车是目前地面跑得最快的交通工具,为了实现更快更强,摆脱地面的束缚,磁悬浮列车走入科研人员的视野。磁悬浮列车因为并不像传统轮轨列车受到轮轨的限制,因此可以达到超过600 km/h的高速!宛如轨上腾云的蛟龙。

关于“液氮—超导磁悬浮”实验的研究

高温超导体在液氮的低温环境下显示超导性能,从而在外加磁场中实现悬浮。在初中化学教材中仅出现有关“液氮—超导磁悬浮”的图文介绍,但设有具体的实验呈现。为增进学生对知识的理解、拓宽学生的科技视野,文中研究并设计了简易的适合课堂演示的超导磁悬浮实验。

真空管道磁悬浮系统构想

真空管道磁悬浮的悬浮和低空气阻力以最大化减少了列车前进的阻力,使得它具有平稳、舒适、超高效、超高速、超快捷的特点,从而决定了它必然是载人公共交通的发展方向之一。通过对真空管道磁悬浮系统和子系统磁浮列车、真空管道、真空设备系统(含密闭门、密闭窗、真空设备)、磁浮轨道系统、供电系统、自动控制系统、通信系统、售检票系统、综合维护系统的构想,及其相关子系统关键技术和运营场景的描述,提出了各子系统的主要构成和关键技术的解决思路,以及部分利用既有技术的思路。其运营场景的详细描述,对于相关子系统的研发提供了功能需求的支撑。

基于自适应陷波与重复控制的主动磁悬浮轴承系统谐波振动抑制

由转子质量不平衡和传感器跳动引起的谐波振动是磁悬浮转子系统中的主要扰动。为了抑制这些干扰,提出了一种基于重复控制和可变相位自适应陷波反馈的谐波振动抑制的复合控制方法。首先通过建立磁悬浮转子系统模型,分析了不同干扰振动力的产生机理。然后,设计了插入式重复控制器,抑制传感器跳动引起的谐波振动,利用自适应陷波滤波器在线提取同频信号自适应补偿不平衡,通过改变不同频率下的相位角来保持系统的稳定性,并对同频位移刚度进行补偿,使系统在较宽的速度范围内自抑制谐波振动。最后,通过仿真和实验对提出的控制方法进行了验证。实验结果表明,一次、三次和五次谐波振动分别减少94.4%,90.4%和85.9%,采用所提出的复合控制方法可以有效抑制谐波振动。验证了所提控制方法的有效性。