14. Мехатронные подшипниковые узлы.

Потенциально возможно создание мехатронных опор роторов с активным управлением на базе подшипников с различными видами трения. Весьма перспективным представляется создание комбинированных подшипниковых узлов с интеллектуальными возможностями. Можно также выделить следующие виды мехатронных опор роторов:

1. Активный магнитный подшипник (АМП) - это управляемое мехатронное устройство, в котором стабилизация положения ротора осуществляется силами магнитного притяжения, действующими на ротор со стороны электромагнитов (рис. 14.1), ток в которых регулируется системой автоматического управления по сигналам датчиков перемещений ротора. Активные магнитные подшипники имеют практически неограниченную предельную быстроходность, высокий уровень демпфирования и КПД . В настоящее время для АМП идет создание международного стандарта, для чего был создан специальный комитет ISO TC108/SC2/WG7.

Рисунок 14.1 – Радиальный и осевой активный магнитный подшипники

АМП представляет собой сложную электромеханическую систему (рис. 14.2), состоящую из двух частей: непосредственно самой опоры и электронной системы управления. В состав опоры входят закрепленные на статоре электромагниты, датчики положения и ротор, удерживаемый в магнитном поле, механический контакт между ротором и статором отсутствует.

Рисунок 14.2 ­­– Принципиальная схема работы АМП

Принцип работы такой опоры заключается в следующем: отклонение ротора от положения равновесия фиксируется датчиками положения (чаще для этих целей используются индуктивные датчики, сигнал с датчиков поступает в электронную систему управления, где происходит его обработка регулятором, а затем усилитель, питаемый от внешнего источника энергии, преобразует сигнал в ток, подаваемый на обмотку электромагнита, что вызывает изменение магнитной силы на необходимую величину. Активные магнитные подшипники обладают рядом преимуществ (рис. 14.3).

	1Преимущества АМП
2Отсутствие механического контакта			3	4Наличие электронной 5системы управления
Отсутствие изнашивания				Возможность контроля над положением ротора
Отсутствие смазки
Высокие скорости вращения				Регулируемость жесткости и демпфирования подвеса
Низкое энергопотребление				Возможность использования сигналов датчиков для контроля параметров рабочего процесса
Возможность работы в экстремальных условиях
Большой рабочий зазор

Рисунок 14.3 – Преимущества активных магнитных подшипников

Достоинства активных магнитных подшипников базируются на двух особенностях: отсутствие механического контакта между ротором и статором, наличие электронной системы управления. Благодаря высокой надежности современных электронных систем и упрощению конструкции непосредственно самой опоры (отсутствие системы подготовки и подачи смазки) повышается надежность всей машины.

Конструкции АМП весьма многообразны (рис. 14.4), например типовая конструкция радиального активного магнитного подшипника состоит из ротора, с ферромагнитной вставкой на цапфе, и статора, который выполнен, как сборный пакет шихтованной стали с обмотками возбуждения. Также на статоре возможно закрепление датчиков, контролирующих положение ротора.

Следует заметить, что в отличие от опор качения, АМП не могут быть строго классифицированы – для каждой новой конструкции зачастую приходится проводить отдельный расчет и изготавливать специальный подшипник.

Рисунок 14.4 – обобщенная схема конструкций с АМП

Для полного бесконтактного подвеса ротора используется как минимум комбинация из двух радиальных и одного осевого АМП (рисунок 14.5). Так как вращательное движение (угол φ_Z вокруг продольной оси) ротора является его рабочим, полный подвес ротора ограничивает его перемещение и воспринимает нагрузки в пяти направлениях (X1, X2, Y1, Y2, Z).

Рисунок 14.5 – Схема подвеса ротора в АМП

2. Адаптивный гидростатодинамический подшипник (ГСДП) (рис. 14.6), работоспособность которого обеспечивается за счет совместного действия давления подачи смазочного материала в питающие камеры и формирования гидродинамического клина из-за наличия клинового зазора и высокой скорости вращения ротора. Причем давление подачи смазочного материала регулируется автоматизированной системой управления, в зависимости от величины конфузорно-диффузионного зазора, положения и скорости вращения ротора. Смазочный слой ГСДП обладает упругими и демпфирующими качествами и обеспечивает требуемую несущую способность в течение длительного промежутка времени в широком диапазоне нагрузок и скоростей вращения ротора. Подшипники жидкостного трения, которые имеют практически не ограниченную предельную быстроходность, высокие динамические свойства, несущую способность и ресурс активно применяются в качестве опор роторов компрессоров, детандеров и других агрегатов.

Опора создает силы, которые способствуют удержанию ротора в положении, при котором достигается наиболее эффективный режим работы машины и подавление внешних возмущающих воздействий. В АМП воздействие на ротор осуществляется с помощью электромагнитного поля, в подшипниках скольжения – с помощью смазочного слоя, который не дает соприкасаться ротору с опорой. Состояние подшипника постоянно отслеживается специальными сенсорами, информация с которых собирается блоком сбора данных и в преобразованном виде передается компьютерную систему управления подшипником, в которой, с помощью вложенной математической модели, производится анализ состояния подшипника, расчет дальнейшего поведения ротора и необходимой реакции со стороны опоры для предотвращения нежелательных эффектов. Полученные расчетные данные позволяют схеме управления сформировать управляющие сигналы, с помощью которых блок коррекции изменяет требуемым образом силы воздействия опоры на ротор подшипника. Устойчивость, также как и необходимые жесткость и демпфирование, достигаются соответствующим выбором закона управления.

Рисунок 14.6 – Схема функционирования активных радиального и осевого ГСДП

Развитие микропроцессорной техники позволяет объединить в один комплекс измерительные приборы, контроль технологических параметров и управление физической и аппаратной частями. Блок аналогового ввода выполняет функции преобразования в цифровой код выходных сигналов датчиков - аналоговых параметров объекта контроля и управления. В подшипнике жидкостного трения изменение выходного сигнала зависит от величины зазора между втулкой подшипника и шейкой ротора. Для контроля положения вала используется, как правило, два датчика, расположенные на подшипнике перпендикулярно друг другу.

Блок сопряжения с исполнительными устройствами предназначен для преобразования цифровых кодов управления, поступающих от микроконтроллера системы в управляющие сигналы исполнительных устройств, в данном случае сервомеханизмов, регулирующих давление в питающих камерах ГСДП. Блок управления выполняет функции сбора данных, управления на основе результатов анализа входных данных, обменом данными между ЭВМ и микропроцессорной системой. Блок управления и сопряжения выполняется на базе микроконтроллера. Это позволяет задействовать для управления исполнительными устройствами различные программные алгоритмы прогнозирования отклонения ротора в подшипнике. учитывать циклические колебания, уменьшать амплитуду конической прецессии вала.

В настоящее время в развитых странах мира активно проводятся поисковые исследования в области создания роторных машин с интеллектуальными мехатронными опорами. Прежде всего это касается высокоскоростных турбоагрегатов транспортных и технологических машин.

Если активные магнитные подшипники уже широко применяются в различных видах роторных машин, то интеллектуальные опоры на базе подшипников качения и скольжения только начинают исследоваться. Причем это касается всех направлений, включая сенсорные устройства, механизмы корректировки параметров, математические модели управления движением роторов в условиях сложного нагружения, возникновения нерасчетных режимов работы машины, в том числе параметрических, хаотических и самовозбуждающихся колебаний. В Госуниверситете-УНПК на кафедре «Мехатроника и международный инжиниринг» проводятся комплексные теоретические и экспериментальные исследования мехатронных подшипниковых узлов с активными магнитными, газодинамическими, гидростатодинамическими и комбинированными подшипниками.