Aktives Auswuchten elastischer Rotoren für industrielle Anwendung

Jungblut, Jens (2022)
Aktives Auswuchten elastischer Rotoren für industrielle Anwendung.
doi: 10.26083/tuprints-00022492
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Book

Type of entry:

Primary publication

Title:

Aktives Auswuchten elastischer Rotoren für industrielle Anwendung

Language:

German

Referees:

Rinderknecht, Prof. Dr. Stephan ; Melz, Prof. Dr. Tobias

Date:

25 October 2022

Place of Publication:

Darmstadt

Publisher:

Shaker

Series:

Forschungsberichte Mechatronische Systeme im Maschinenbau

Collation:

xii, 159 Seiten

Date of oral examination:

28 June 2022

DOI:

10.26083/tuprints-00022492

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Abstract:

In der vorliegenden Dissertation wird die Eliminierung von Unwucht erregten Schwingungen von gyroskopischen Rotoren mittels aktiver piezoelektrischer Lager untersucht. Hierzu wird zunächst ein Rotorprüfstand mittels FEM modelliert und anschließend die Ergebnisse experimentell abgeglichen. Bei der Modellierung wird die neue Rotorkoordinate der relativen Auslenkung eingeführt, welche die Differenz zwischen der Rotorauslenkung und einer linearen Interpolation der freien Auslenkung der Piezoaktoren ist. Weiterhin wird ein neuer Ansatz für ein modales Modell für gyroskopische Rotoren präsentiert, welcher zur Black Box Identifikation verwendet werden kann. Nach der Modellierung wird der Least Mean Squares (LMS) Algorithmus in Kombination mit Integral Force Feedback (IFF) zur Regelung des Systems zunächst analytisch untersucht und anschließend experimentell validiert. Durch die kombinierte Minimierung der Lagerkräfte und Auslenkungen der Scheibe können alle Resonanzen des Systems eliminiert werden. Basierend auf der Literatur zum LMS-Algorithmus wird ein rotormodellfreier Regelungsansatz abgeleitet, welcher die Lagerkräfte im aktiven Lager minimiert und für die Implementierung nur die Totzeit des Systems benötigt. Der Ansatz ist hierbei eine Kombination aus LMS und IFF. Weiterhin wird der LMS um einen Transform Domain (TDLMS) Ansatz erweitert, welcher die Schwingungsamplituden als Regelgröße verwendet. Zur Berechnung der Schwingungsamplituden wird die diskrete Fourier-Transformation über eine volle Rotorumdrehung verwendet. Hierdurch werden die Amplituden über eine Umdrehung gemittelt. Zur Kompensation dieses Zeitverzugs wird ein neuer, auf einem Polynom basierender Algorithmus vorgestellt. Die Funktionsfähigkeit der rotormodellfreien Regelung wird in Experimenten nachgewiesen. Der Regelungsansatz wird anschließend verwendet, um ein Modell des Rotors zu schätzen. Hierzu werden zwei Rotorausläufe durchgeführt, bei dem einmal nur IFF verwendet wird und beim anderen IFF in Kombination mit dem TDLMS-Algorithmus. Abschließend wird ein neues Design für ein aktives Piezolager vorgestellt, bei dem die Aktoren auf dem Innenring eines Wälzlagers montiert werden und somit mit dem Rotor mitrotieren. Dies ermöglicht eine modellfreie Implementierung des TDLMS und das Ausnutzen von Oversampling. Weiterhin werden die Systemkosten deutlich und der Leistungsbedarf um über 99% gesenkt. Die Aktorspannungen werden durch eine steuerbare Boost Converter Schaltung erzeugt. Die Funktionsfähigkeit des Lagers wird mit einer manuellen Steuerung an einem Rotorprüfstand experimentell nachgewiesen. Jedoch treten am Rotor nun starke Schwingungen der dritten Rotorordnung auf, welche mittels eines vereinfachten phänomenologischen Ansatzes auf die mechanische Hysterese der Aktoren und die Gewichtskraft zurückgeführt werden.

Alternative Abstract:

Alternative Abstract

Language

In this dissertation, the elimination of unbalance-excited vibrations of gyroscopic rotors throughout active piezoelectric bearings is investigated. For this purpose, a rotor test-rig is modelled using a FEM approach and the determined model is validated with experimental results. During the modelling, the new rotor coordinate of the relative displacement is introduced, which is the difference between the rotor displacement and a linear interpolation of the free piezo actuator displacements. Furthermore, a new approach for a modal model for gyroscopic rotors is presented which can be used for black box identification. After modelling, the control approach comprising the Least Mean Squares (LMS) algorithm in combination with Integral Force Feedback (IFF) is first analytically investigated and then experimentally validated. All resonances of the system can be eliminated throughout the combined minimisation of the bearing forces and deflections of the disc. Based on the literature on the LMS algorithm, a rotor-model-free control approach is derived which minimises the bearing forces in the active bearing plane. The control only requires the delay time of the system for implementation and is a combination of LMS and IFF. Furthermore, the LMS is extended by a transform domain (TDLMS) approach which uses the vibration amplitudes as controlled variable. The discrete Fourier transform over one full rotor revolution is used to compute the required amplitudes which approximately estimates the average over one revolution. A new polynomial-based algorithm is presented to compensate for this time delay. The functionality of the rotor-model-free control is demonstrated in experiments. The control approach is then used to estimate a model of the rotor system. For this purpose, two rotor run-outs are performed, one using only IFF and one which uses IFF in combination with the TDLMS algorithm. Finally, a new design for an active piezoelectric bearing is presented in which the actuators are mounted on the inner ring of a roller bearing and thus rotate with the rotor. This enables a model-free implementation of the TDLMS and the exploitation of oversampling. Furthermore, the system costs are reduced and the power requirement is reduced by over 99%. The actuator voltages are generated by a controllable boost converter circuit. The functionality of the active bearing is experimentally validated with a manual control on a rotor test-rig. However, strong oscillations of the third rotor order occur at the rotor. A simplified phenomenological approach is presented which suggests that the root cause is the mechanical hysteresis of the piezo actuators excited by the gravitational force.

English

Uncontrolled Keywords:

Rotordynamik, Regelung, Piezo, Aktives Lager, Aktive Schwingungskontrolle

Status:

Publisher's Version

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-224920

Additional Information:

Auch erschienen im Shaker-Verlag mit der ISBN 978-3-8440-8774-1.

Classification DDC:

600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering

Divisions: