AMOS: Analytische Methoden zur optimalen Schwingungsminderung allgemeiner Rotoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stephan Rinderknecht
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 435227428

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Rotierende Maschinen sind in der technischen Welt weit verbreitet und stets mit Unwucht behaftet. Diese regt den Rotor und damit die umliegende Struktur im Betrieb an. Im vorliegenden Projekt wurde ein aktives Piezolager zur Reduktion dieser Schwingungen untersucht. Als Regelziele wurden zuvor die Minimierung der Lagerkräfte und/oder der Rotorauslenkungen untersucht, welche im Zielkonflikt zueinander stehen. Im Forschungsvorhaben wurde die Verwendung der Biegeenergie als Regelgröße untersucht, um die Lagerkräfte zu minimieren und gleichzeitig große Auslenkungen in den Biegeresonanzen des ungelagerten Rotors zu verhindern. Zur Berücksichtigung der Biegeenergie wurde die Koordinate der relativen Auslenkungen eingeführt, welche die Differenz der freien Aktorauslenkungen und der absoluten Rotorauslenkungen darstellt. Die Verwendung dieser Koordinate in Kombination mit den Lagerkräften zeigt in den analytischen Untersuchungen Vorteile gegenüber der Verwendung der absoluten Auslenkungen. Am realen System werden diese Vorteile jedoch relativiert. Die Experimente zeigten, dass die Verwendung der relativen Auslenkungen in Kombination mit den Lagerkräften zur Reduktion der Lagerkräfte führte und auf diese Weise die benötigten Spitze-Spannungen reduziert werden konnten. Wird jedoch eine ausreichend große Gewichtung der Aktorspannungen durchgeführt, so verschwindet der Unterschied zwischen der Verwendung der relativen und absoluten Auslenkungen; sowohl in der Theorie als auch in den Experimenten. In der Praxis wird diese Gewichtung zur Erhöhung der Stabilität benötigt, weshalb die Verwendung der relativen Auslenkungen keinen Vorteil mehr erbringt. Die Rotorauslenkungen sollten nur in Resonanzen berücksichtigt werden, welche bei den Lagerkräften schlecht beobachtbar sind, um bessere Regelungsergebnisse zu erzielen. Außerhalb von Resonanzen lassen sich die Rotorauslenkungen nur in der Größenordnung der Aktorauslenkungen beeinflussen. Für die Ansteuerung des Lagers wurde eine vom Rotor unabhängige Regelung entwickelt, welche auf einer Kombination aus Integral Force Feedback (IFF) und dem Least-Mean-Squares-Algorithmus (LMS) basiert. Für die Implementierung wird lediglich die Totzeit des Systems benötigt, setzt jedoch eine Kollokation von Aktor und Sensor voraus. Die Regelung kann zur sicheren Anregung des Rotorsystems im Betrieb verwendet werden, um die gyroskopischen Übertragungsfunktionen zu schätzen und auf diese Weise eine modellbasierte Regelung, bestehenden aus IFF und LMS, zu implementieren. Eine modellfreie Regelung lässt sich in der Theorie mit rotierenden Aktoren realisieren. Hierzu wurde ein Prototyp eines Lagers mit rotierenden Piezoaktoren aufgebaut und untersucht. Die Experimente zeigen, dass ein solches aktives Lager zur Reduktion von durch die Unwucht verursachte Schwingungen geeignet ist und der Leistungsbedarf für die Ansteuerung der Aktoren um 99 % reduziert wird. Jedoch treten auch unerwünschte Nebeneffekte wie z.B. starke Schwingungen der dritte Rotorordnung, auf.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Active vibration control of a gyroscopic rotor using experimental modal analysis. Bulletin of the Polish Academy of Sciences Technical Sciences, 138090-138090.
  Jungblut, Jens; Fischer, Christian & Rinderknecht, Stephan
  
• A new active balancing device utilizing rotating piezo actuators. Mechanical Systems and Signal Processing, 181, 109521.
  Jungblut, Jens; Haas, Julia & Rinderknecht, Stephan
  
• Active vibration control of an elastic rotor by using its deformation as controlled variable. Mechanical Systems and Signal Processing, 165, 108371.
  Jungblut, Jens; Haas, Julia & Rinderknecht, Stephan
  
• System identification of a gyroscopic rotor throughout rotor-model-free control using the frequency domain LMS. IFAC-PapersOnLine, 55(25), 217-222.
  Jungblut, Jens; Fischer, Christian & Rinderknecht, Stephan
  
• „Exploiting gyroscopic effects for resonance elimination of an elastic rotor utilizing only one piezo actuator“. In: Proceeding of 15th SIRM – European Conference on Rotordynamics. Darmstadt, 2023.
  J. Jungblut