01
本文针对无摩擦气缸的低阻尼特性，将高阻尼零刚度的电涡流阻尼器(ECD)与基于气浮轴承的无摩擦气缸相结合，通过非接触电磁阻尼力来提升无摩擦气缸的稳定性、抗干扰能力及动态响应特性。同时，设计了先进的气动压力与位置控制方法，以提高无摩擦气缸在精密运动控制应用中的控制精度。研究工作从结构创新和控制策略优化两个方面入手，旨在改善无摩擦气缸的控制性能。主要研究内容与成果如下：
(1) 设计了一种采用Halbach磁体阵列结构的被动ECD，并将其与气浮活塞结合，增强了无摩擦气缸的阻尼性能。基于电磁场基本理论推导了被动ECD的磁场分布和阻尼力的解析解，并通过有限元分析(FEA)仿真和锤击阻尼测试实验验证了ECD的性能和理论模型。耦合ECD的无摩擦气缸恒定压力控制实验结果表明，ECD显著提高了气动系统的稳定性和抗干扰能力，减小了气缸内的压力波动，降低了压力控制误差。
(2) 开发了一种终端滑模自适应压力控制方法，统一处理了比例阀死区的非线性因素和气动执行器中的未建模干扰，提升了气动控制阀的流量控制精度和气动系统稳定性。将比例阀开启面积作为气动系统的输入，简化了控制过程，减少了阀门参数校准的工作量。通过仿真对比和在各种负载下进行的恒定压力与方波压力跟踪实验，验证了阀门死区补偿的效果及所提出的压力控制方法的有效性。
(3) 提出了一种圆柱形混合励磁主动ECD，通过并联磁路设计减小了铁心磁饱和的影响。根据等效磁路法建立了ECD的理论模型，进行了ECD结构参数优化，并通过有限元仿真分析对比验证了理论模型的准确性。搭建了基于气浮轴承设计的激振阻尼测试试验台和锤击阻尼测试试验台，验证了ECD的实际阻尼效果。激振测试的时域和频域响应结果证明了混合励磁ECD的有效性；通过不同励磁电流下的时域冲击响应结果，获取了ECD的阻尼参数，并验证了理论模型的精确性。
(4) 开发了一种反步终端滑模自适应级联位置控制方法，其中终端滑模自适应压力控制作为内环，反步位置控制作为外环。通过与多种位置控制方法进行仿真对比，验证了该方法在瞬时过冲、稳定时间和稳态误差方面的优势。搭建了耦合混合励磁ECD的无摩擦气动控制系统，通过阶跃、方波和正弦波位置控制实验，研究了励磁电流对气动系统控制精度的影响。结果表明，增加系统阻尼有助于减少过冲和缩短稳定时间，但也会增加上升时间并导致相位滞后。应用适当的励磁电流可以有效缓解无摩擦气动系统的振荡并提高位置控制精度。
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[1]Feng K, Chen B, Liu W, et al. A Constant Pressure Cylinder Coupled With a “Zero-Stiffness” Eddy Current Damper[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2024, 29(2):1249-1259. (SCI一区)
[2]Chen B, Liu W, Wang Y, et al. Enhancing pressure control of low-friction pneumatic actuator with eddy current damper via valve dead-zone compensation [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C-Journal of Mechanical Engineering Science, 2024. (SCI四区)
[3]Wang P, Chen B, Li J, et al. Novel aerostatic bearings with hermetically squeeze film dampers for the improvement of stability: theoretical and experimental investigations[J]. Precision Engineering, 2024, 85:263-278. (SCI二区)
[4]陈斌, 冯凯, 张印楚, 等. 一种气体流量与体积协调控制的恒压气缸系统[P]. 中国专利, 202110777521.8, 2022-05-03.
[5]冯凯, 张印楚, 陈斌, 等. 一种基于多孔质材料的气浮活塞独立供气的零摩擦气缸[P]. 中国专利, 202110777518.6, 2022-06-24.
[6]冯凯, 董李, 陈斌, 等. 一种基于磁力驱动的微孔气浮球轴承的三自由度气浮台[P]. 中国专利, 202210052825.2, 2022-04-12.
[7]冯凯, 陈斌, 刘薇. 一种具有被动阻尼器的恒力气缸[P]. 中国专利, 202210062802.X, 2023-04-07.
[8]冯凯, 董李, 陈斌. 一种基于主动电磁阻尼器的低摩擦恒力气缸[P]. 中国专利, 202210062858.5, 2022-05-31
01
基于封闭式挤压油膜阻尼器的可倾瓦气体轴承（Porous tilting pad gas bearing with Hermetic squeeze film damper under the pads，PTPGB- HSFDs）是在可倾瓦气体轴承的基础上发展而来的新型气体润滑轴承，具有承载能力强，阻尼性能好，稳定性高等优点。PTPGB-HSFDs的出现为改善气体润滑轴承的性能，拓展气体润滑轴承的使用领域提供了新的可能。本文首先提出了新的封闭式挤压油膜阻尼器（HSFD）结构，并对HSFD进行了深入的理论分析和实验研究。在此基础上，提出了PTPGB-HSFDs结构，基于该结构建立了轴承的理论模型，分析了轴承的静态特性及动态特性。搭建了PTPGB-HSFDs支承转子试验台，通过实验进一步研究了不同参数对轴承-转子系统动态特性的影响。建立了PTPGB-HSFDs支承转子系统的非线性模型，讨论了不同参数下轴承-转子系统的非线性特征。本文对HSFDs，PTPGB-HSFDs以及PTPGB- HSFDs支承轴承-转子系统进行了较为深入的理论分析和实验研究，论文的主要内容包括以下几个方面：
(1)HSFD的理论模型的建立和实验验证。基于HSFD的结构特点和阻尼液粘弹性特征，建立了HSFD的力学模型。通过试验研究了阻尼器结构，阻尼液粘度，弹性膜片厚度等参数对HSFD力学性能的影响。同时，实验结果验证了阻尼器理论模型的准确性。
(2)PTPGB-HSFDs的理论模型的建立及静动态特性分析。根据Darcy定理和气体在流动过程中质量守恒的原则，建立了气体在多孔质材料内部和气膜层的流动模型。考虑瓦块的径向刚度，转动刚度，转动惯量以及瓦块的受力情况建立了瓦块的运动模型。将气体在多孔质材料内部和气膜层的流动模型，HSFD的动力学模型与瓦块的运动模型耦合，得到PTPGB-HSFDs的理论模型。基于该模型对轴承的静动态特性进行了参数化分析，研究了阻尼器安装方式，阻尼液粘度，供气压力，气膜厚度等参数对轴承静动态特性的影响。
(3)轴承-转子试验台的搭建和轴承-转子系统的实验研究。搭建了PTPGB-HSFDs支撑转子试验台，基于该试验台开展了一系列实验研究。通过自由降速实验研究了不同参数对轴承-转子系统动态特性的影响。
PTPGB-HSFDs支承轴承-转子系统的非线性模型的建立、验证及非线性特征的分析。将气体的流动模型、HSFD的动力学模型，瓦块的运动方程以及转子的运动方程相耦合得到PTPGB-HSFDs的支承转子系统的非线性模型，并通过实验验证了模型的准确性。基于该模型研究了阻尼器安装方式，阻尼液粘度，供气压力，瓦块刚度等参数对PTPGB-HSFDs支承转子系统的非线性特征的影响。
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发表论文
[1]王建伟, 李航, 吴元辉, 等. 并联封闭式挤压油膜阻尼器的多孔质可倾瓦轴承性能分析与试验验证, 机械工程学报, 2023,(01):170-180(EI)
[2]张志平, 王建伟, 安林，等.可倾瓦多孔质轴承-转子系统动力学特性的实验研究. 振动工程学报, 2022,35 (03):707-716 (EI)
[3]Kai Feng, Jianwei Wang, Hang Li, et al. Theoretical and Experimental Investigation of Porous Tilting Pad Gas Bearings with Hermetic Squeeze Film Dampers Based on Multilayer Diaphragm Structure. Tribology Transactions. 2023, 66(4): 746-759. (SCI三区)
[4]Jianwei Wang，Kai Feng, Hang Li, et al.Experimental research and theoretical verification of capsule squeeze film dampers used in oil-free environments, Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2024,37(1):54. (SCI二区)
[5]Jianwei Wang，Shaocun Han, Haoxi Zhang, et al. Experimental and theoretical investigation on rotodynamic characterization of porous tilting pad bearings with hermetic squeeze film dampers. Mechanical Systems and Signal Processing. 2024，218:111548. (SCI一区)
发明专利及软件著作权
[1] 王建伟，冯凯，李航. 基于封闭式挤压油膜阻尼器的多孔质可倾瓦轴承.发明专利 ZL 2020 1 1105567.7，2020.（发明专利）
[2] 王建伟，李航，冯凯. 一种挤压油膜阻尼器及利用该挤压油膜阻尼器的止推轴承和该止推轴承的使用方法.发明专利 ZL 2020 1 1097099.3，2020.（发明专利）
[3] 冯凯，王建伟，李航. 一种具有对称结构的封闭式挤压油膜阻尼器及利用该阻尼器的多孔质可倾瓦轴承. ZL 2021 1 1535015.4，2021.（发明专利）
[4] 冯凯，李航，王建伟. 一种挤压油膜阻尼器及利用该挤压油膜阻尼器的止推轴承和该止推轴承的使用方法. ZL 2020 1 1097009.3，2020.（发明专利）
[5] 冯凯，吴元辉，王建伟，等. 一种挤压油膜阻尼器及利用该挤压油膜阻尼器的止推轴承和该止推轴承的使用方法. ZL 2020 1 1097009.3，2020.（发明专利）
来源 | 湖南大学研究生院
