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磁浮记

已有 3309 次阅读 2020-4-26 00:37 |系统分类:科研笔记| 磁悬浮高速内圆磨头, 动刚度, 回转精度, 八五攻关

    上世纪九十年代前半期,我承担了一项“国家八五攻关项目”——《高速磁悬浮机床主轴》

 1、一根硬骨头

    首先叙述这项目是怎么得来的。能“抢”来这么一个“国家攻关”项目可是太不容易了,全仗着校内的两位年轻教师。前者何QX为力学硕士,他有个同学分配在机电部装备司工作,是项目主管部门的干事;后者徐JK为力学博士,曾在西安交大博士后站搞过磁悬浮轴承研究。1991年6月,他们两人联手硬是要来了承领此课题的许诺,然后他们推举我(机械电子学科的带头人)来当课题负责人,经过一番颇为艰辛的可行性研究和相关手续,于1991年11月12日,由我在《八五攻关项目合同》上签了字。

项目合同的具体目标是,开发一台磁悬浮主轴的内圆磨头

技术指标:转速90000rpm(转/分),回转精度5μ(微米),动刚度10N/μ(牛顿/微米);

项目经费:8万元;

项目时间:5年。

这是一个硬硬实实的技术产品的开发项目,要求限期拿出一台高新技术的工业产品。按照当今科学界一些学者的观点,它究竟算不算一项“科学研究”都是问题。

    当时,机电部装备司“攻关指挥部”负责技术的总工程师谭FH不无调侃地说:“你们费了九牛二虎之力,终于抢到了一根‘硬骨头’”。其实,这根“硬骨头”还是“国家七五攻关”遗留下来的“残羹剩饭”。原来,在上一个“五年计划”期间,曾经立过此项目,由两家(北方某工业大学和南方某机床研究所)联合承担,经费30万元。但是在“七五”结束时,该项目研发失败无结果。五年之后,我们得到的同一项目仍得从零开始,其经费仅为原来的四分之一。微薄的经费让我们在此后的研发过程里,不断地精打细算,甚至补贴上其他横向课题的结余经费,仍然捉襟见肘……

 2、啃骨头

1991年秋,我们开始实施此项研究。整个课题的期限即国家第八个五年计划期间(1991~1995),一共5年。申报项目及签订合同几乎花费去一年,实际工作的时间还剩4年。当何、徐二位劝说我加入并领军此项目时,我已届“知天命”之年,深知此项目之“厉害”,它的的确确是一根难啃的“骨头”——“硬”而且几乎没有“肉”。

我们在项目合同正式签订之前,尚处于项目论证阶段,就抢先做了许多前期调查研究工作。例如,我和青年教师杜JY曾经利用一次去攻关指挥部商谈合同细节的出差机会,跑了京津一带的几个研究所或公司,考察多种高导磁率的新材料。其中有硬磁材料钕铁硼合金、超微晶软磁合金等。

为完成此项目,让我最发怵的是这个内圆磨头的机械加工制造。这台设备不仅有高精度机械结构,还包括特殊的电磁部件(磁力轴承和高速电机)。我们在制定研发计划的进程表时,给这台全新的机械产品的制造时间为一年。但是后来,实际的制造时间耗费了将近两年。

在项目初期,我数次奔波往返于许多省市,花费了相当的精力寻找合适的制造厂家。

最初找的是无锡市一家生产内圆磨床的头牌国营大厂,但他们对合作开发毫无兴趣。我退而求其次,由我方自行设计,仅委托他们代为加工制造。该厂有关人士坦言相告,你即使把全部项目经费都作为加工费用,他们也不愿为这区区8万元承接机械部件的试制……我们被“正规生产任务很忙”而彻底拒绝。

1993年5月,东跑西撞找到一家很小的私营企业【无锡中北五金电器厂】,它是某微型轴承厂的退休工程师及老技术工人合办的,专门维修机械轴承的高速内圆磨头(因为超高速运转下的滚珠轴承使用寿命太短,维修量极大),并逐渐从维修业务扩展到制造新的磨头。他们都是从生产实践第一线摸爬滚打出来的技术能手,不仅工艺技能高超,而且迫切向往对高速磨头的革新——因为他们常年从事微型轴承(内孔直径一般小于10毫米)制造,是机械行业里使用高速磨头的最主要的用户。机械轴承的高速磨头靠油雾润滑。油雾弥漫在车间的空气里,不仅使墙壁地板到处滑腻无比,而且被工人吸入肺部……

由于他们非常理解磁浮轴承取代机械轴承的意义,我们双方一拍即合,以“技术共享”为基础条件,迅速达成了合作协议。

制造厂家的问题一解决,我和翁C(他也是机械制造专业出身,并与我年龄资历相近)立即开始机械设计,两个月之内便完成了全套(磁浮高速磨头,另加一台尺寸比例相等的“单自由度磁浮轴承”试验装置)机械图纸,并立即(1993年8月)交付给【无锡中北】加工制造。

又经数月对合作细节的协商和讨价还价,1993年12月才与【无锡中北】签订了正式合同。全部机械装置的材料及加工费仅2万元,再多我们也实在付不起了。找到他们作为研发伙伴,让我们免除了高频电机设计与制造的工作量。而且,磁浮轴承的电磁元件的制作技术与他们擅长的高频电机类似,这一点让我相当地放心。后来的事实证明,他们制作的磁浮主轴机械系统精度完全合格,这也是项目成功的重要原因之一。

对于主控型磁悬浮系统来说,主轴位置的精确监测不可或缺。我们决定采用涡流式电感位移传感器。但是,当时国内尚无我们所需的小型高精度涡流传感器的正式产品。1973年7月,我们找到本校自控系的两位青年教师王A和潘JX,同他们签订了5套小型涡流传感器的试制协议。

1994年5月10日,徐JK等去无锡取回来单自由度磁浮轴承实验台,并立即通电试验。(所谓的单自由度实验台,是考核单个径向磁浮轴承性能的装置。一台磨削主轴部件需要两个前端径向磁浮轴承X1和Y1、两个后端径向磁浮轴承X2和Y2以及一个轴向磁浮轴承Z,一共5个,称其为五自由度磁浮系统。其中负荷最大即最重要的是径向磁浮轴承,它也是此课题的核心部分。为了集中精力首先攻克它,我们设计了一个只考核前径向轴承Y1的实验台:一根材质、形状和尺寸皆与主轴相同的衔铁,后部用铰链支承,前端只能上下自由摆动并依靠Y1的磁力支承。) 刚开始时,单自由度系统的悬浮极不稳定而且刚度很差。在电脑仿真的配合下,做了大量的机电联合的静态和动态试验,反复调整测控电路,最后修改了电磁线圈参数。

研发工作开始后不久,首先发起此课题的二人(课题组副组长)都离开了课题组,徐JK公派出国访问留学,何QX被校领导派去管理生产特殊印刷材料的校办工厂。

课题各子项目的理论研究、电脑仿真、控制系统的设计制造以及中后期的系统实验调试等具体工作,几乎都是由我们教研室的三届硕士研究生(马Y、王HM、李XC、杨J、谢ZY、来HQ)相继承担并完成的。

1995年初,负责电气系统的杜JY也离开了课题组。他由我推荐去日本金沢大学留学,师从松村文夫教授攻读博士学位(松村教授是日本研究磁悬浮轴承的权威学者)。小杜一走,我们团队缺了电子和电工专业的力量。因为课题组的成员无论教师和学生皆出身于机械专业,所以我特别邀请电工实验室的工程师徐JW加入课题组。在他的指导下,杨J、谢ZY和来HQ设计并制造测控电器箱。

1995年5月16日,硕士生马Y终于从【无锡中北】取回来两台磁浮磨头机械部件(其中一台留作备用)。时间已经接近项目合同规定的结题期限,课题组只得一面打报告向攻关指挥部申请延期,同时加紧进行各项机电联合的调试。此时,95届硕士生马Y、王HM和李XC已经毕业。96届硕士杨J留校任教后,带领 97届的研究生谢ZY和来HQ成了课题研究最后阶段的主力。

单自由度实验台于1995年11月实现稳定悬浮并达到刚度指标。

根据单自由度实验结果,重新加工径向轴承的电磁线圈,测控单元经考验和调试而定型。1996年初王A和潘JX交付了5套直径5毫米的涡流传感器……终于完成了磁浮磨头与五单元测控系统的最后组装工程。

    1996年6月,开始磁浮磨头的悬浮试验。同时接通五个单元的控制电路后,磨头主轴完全漂浮起来了!三台电子示波器(两台X-Y示波器监测前、后径向轴承,一台单通道示波器监测轴向轴承)屏幕的两个光点和一条横线都稳稳地停留在中间位置。我手捏着主轴前端,向不同的方向施力,除轴向较弱之外,径向的刚度相当令人满意。承担此项目数年以来,我心中最大的一块石头终于落地。我心里很明白,五个自由度的磁悬浮系统首次试验便稳定起浮成功,能够如此轻松绝非偶然。它显然得益于我主张并坚持的开发路线——先拿下单自由度实验台,再对五自由度磨头发起总攻。

3、苦乐其中

    主轴起浮成功后,我们急不可耐要让它转起来看看。我用一根细绳缠绕在主轴头上快速一拉,主轴随即旋转起来,因为只有微弱的空气摩擦阻尼,自由转动了很久才停下来。可以试验通电运转了,但是剩余的经费已不足以购买一台高速电机的变频电源。不得已先用普通的工频电源尝试驱动运转。从机械系中心实验室借来一台三相交流调压器,经过它接通频率50Hz的三相电源,然后,小心翼翼地将调压器输出电压从零逐渐增大,磁浮磨头随即旋转起来,转速稳定后,光电转速计显示3000rpm。接下来,必须进行高速运转的试验。

    徐JW老师提供了一条好消息:我们大学电子工程学院的钟YR不仅专门研究变频器,而且他的研究室还制造并销售各种变频器。我立即邀请钟YR老师来参观我们的磁悬浮高速磨头。他参观后,没等我开口,就主动借一台400Hz的变频器给我们。用它试验,最高转速只能达到24000rpm,高速运转试验总算能够开始了。

    为稳妥起见,变频器的输出仍经过三相调压器之后,再连接磨头的高速电机。控制三相调压器旋转手柄的是性格十二分谨慎的谢ZY。他双手紧压在调压器的手柄上,拧转的速度慢得让周围的同伴心里起急。杨J捧着光电转速计,大家都目不转睛盯着转速计的液晶显示屏……时间过去了许久,转速刚超过20000rpm……突然一声刺耳的怪响,实验台冒出一股白烟。烟雾消散后我定睛一瞧,被压板紧固在实验台上的磨头竟然摆脱了约束,水平朝向扭转了45度……幸亏谢ZY在听见响声的一霎那,下意识地把调压器手柄拧回到零位,迅速切断了高速电机的电源。

    磨头外壳是120mm️220mm的钢质圆柱体(因项目的目标是实用产品,所设计的总体尺寸与机械轴承磨头相同),原来被M20的螺栓和压板固定在200多公斤重的铸铁实验平台上。由于磁浮轴承突然失控,转子产生大约330Hz频率的大振幅冲击振动,如此强烈的震荡使紧固螺母瞬间松脱……

    拆解磨头检查并分析事故的原因,结论是:轴向磁浮轴承的电磁力太弱,它的转子碰撞定子,导致高转速主轴激烈震荡,继而引发全体磁浮系统失控。由于求胜心切,我们在轴向电磁力不足的情况下,冒险尝试高速运转,造成项目开发过程中最大的一次失败。

    为何轴向磁浮轴承的电磁力远没有达到设计的数值?着实花费一番功夫之后,检讨出来的原因倒也简单——磁场短路导致大部分磁力线并未穿过主磁隙。设计的修改也不难,把几个隔环的材料换成非铁磁体的铝合金即可。

最令人欣慰的是,主轴虽在超高速旋转中失稳,但被辅助轴承托住了。为了支持不通电时静止的主轴,轴的两端预先设计有两个含油合金的辅助滑动轴承,其轴承的间隙设计为磁浮轴承气隙的一半。辅助轴承的铜合金轴套因瞬间的剧烈磨损而报废。主轴颈部的表面由银色变成金色,被摩擦产生的高温镀上一层极薄(微米级)的铜合金。作为关键部件的电磁转子和定子却没有受到损伤。

高速磨头两星期后便完全修复,轴向电磁力果然显著增强,于是继续投入运转试验。这一回给压板的螺母加上了弹簧垫圈,防止振动引起松动。20000rpm的转速很顺利地就达到,而且全系统工作相当稳定。基于此,我们有了试验更高转速的信心。我终于下决心购买一台1500Hz的变频器。但此时项目的经费所剩无几,加上其它横向课题节余的补贴仍略有不足。还得感谢钟YR老师的支持,他以特别优惠的价格卖给我们一台新的。

    冲击最高转速90000rpm的试验出乎意料地顺利。试验过程中充满了紧张和期待且不必多说,操纵三相调压器的仍是谢ZY,他一如既往极其缓慢地旋转手柄,逐渐增加输出电压来控制主轴转速提升,速度慢得比蜗牛爬行更甚……这成为试验成功后伙伴们的笑谈。在高速运转试验中,系统持续不断地发出电磁震荡的鸣叫声,其频率伴随着主轴的转速逐渐升高。这声音虽不刺耳也算一种单调的噪声,大家却当听音乐似的感觉它美妙无比……

 4、欢喜的结局

    课题研究的最后阶段是机电系统的性能测试。我们系里有一套数字式机械动力学测试仪,是八十年代末机械部拨款购置的,其性能尚属国内高档。用它对静态悬浮的磨头主轴做机械脉冲响应实验,检测到主轴的动刚度为20N/μ,达到合同规定指标的两倍。主轴回转精度为8μ,未能满足合同要求的5μ。对回转误差谱分析的结果发现,检测到的误差信号中混有许多50Hz及其倍频的成分,它们显然产生自交流电源的干扰。原来为了省钱,我们测控系统内部使用的直流电源都是自制的,精度较差。如果今后把直流电源更换为更高精度的,此磨头的主轴回转精度必定会高于合同指标。

    我立即打长途电话联系攻关指挥部,告之所承担的项目已经完成,各项技术指标基本合格,仅回转精度一项稍差(但可附加说明理由)。总工谭FH说,听到此消息感到喜出望外。但是他又强调,凡呈报完成国家攻关项目,各项技术指标“必须百分之百地合格”。我说:“回转精度不大可能在短期内提高3μ……”不料他竟答道:“那就修改攻关合同,把回转精度指标改成8μ。我马上把一份空白合同用邮递快件寄去,你们填好盖章迅速寄回。” 谭总还告知他将亲自来参加项目鉴定会。

    1996年12月23日,在西安理工大学召开项目鉴定会。由于本项目所完成的高速磁悬浮主轴在转速、动刚度和回转精度等指标都超过了国内其他研究磁浮轴承的单位,鉴定结论为国内领先。恰巧此前课题组副组长何QX结束了校办工厂的工作回来,全部鉴定会的文件以及筹备工作都交他负责。项目鉴定的结果十分圆满。

谭FH在鉴定会上说:“这个项目刚立题时,说实话我并不看好你们。没有料到,结果好比【乌龟和兔子赛跑】,最后还是你们赢了。”被人夸奖为“乌龟”虽然不免有些尴尬,但我十分理解谭老总此话的含义——国内研究磁悬浮轴承的有多所名牌大学,他们不仅实力雄厚,而且开始此方面的研究都比我们早。然而,唯独我们领先拿下了三项实打实的硬指标。

 4、曲折窝囊的评奖

(暂略)

 5、创新而无果

八五攻关计划要求,所有的项目都必须“转化为生产力”。从这一点来说,我们并没有完成任务。也就是说,还要把磁浮磨头安装在内圆磨床上,进行小孔零件高速磨削,考验系统在生产现场长时间运转的可靠性,然后小批、中批或大批量试制,最后才能成为正式的工业产品。

    我们首先尝试向上级有关部门申请继续研究的经费。九五攻关、自然科学基金等等,皆未获得批准。

    攻关指挥部老总谭FH建议我们联合有实力的厂家,共同向机电部申请资助。我本来就具有相同的认识:凡重要的工程开发项目(尤其还强调“转化为生产力”或“具有经济效益”),仅靠大学或研究所,即使投钱再多也极难成功。俗话说“秀才造反三年不成”,我则认为“秀才造火箭永远成不了!”  

    受谭总的点拨,我们带上了一盘录像带(摄录了我们的磁悬浮磨头成功运转和鉴定会的全过程),再次访问无锡机床厂——八五攻关项目之初,既拒绝同我们合作开发、也不愿意为我们加工机械部件的、专门生产内圆磨床的国营大厂。为什么又去找这一家?主要因为我们学校和该厂同属机电部领导。我向该厂的相关负责人详细诉说:再次寻求合作,由该厂挑头,厂校联合向机电部申请开发经费,把我们的研究结果转变成他们的正式产品。同时,我反复强调厂校双方共属机电部,目前的研究成果来自国家八五攻关项目,也就是说,今后的合作并无技术产权的障碍。他们借去录像带并答应再研究研究。两天后,该厂最终仍拒绝了我们合作的建议。

    为什么又遭到拒绝呢?

    该厂负责人曾问我:“即使生产出磁悬浮高速磨头的正规产品,你估计销路怎样?”

    “从我们的研究成果到正式产品出厂并不遥远。然而,磁浮磨头的价格显然高于老式的机械磨头,使用与维护也需要较高的技术水平。因此,我不能保证推出此产品立即就能畅销赚大钱。但是一旦合作成功将宣示:我国的机床行业掌握了磁悬浮的顶尖技术,能以较低的价格优势参与国际竞争……”我回答道。

    虽然据实相告,结果却非常遗憾——我始终没能说服他们。

我一生从事工科教育,同时搞科学技术研究二十余年,很少发表论文。因为,我给自己立下一条原则——若无独创的内容绝不写论文。磁悬浮高速主轴研究是我科研经历中唯一的国家级课题,历经时间长而且团队人员最多。此项目收获有不少理论和技术的创新成果,我却一篇相关的论文都没有发表过。因为项目的最终目标是工业产品,我们全部的创新和技术诀窍都必须留给今后的生产企业,成为专利和企业的技术秘密。

 【附录】研发过程中的关键技术与细节

      (1)主动控制型磁悬浮方式

此项目的目标是高速高精度的机床主轴,其特点是高频率、高刚度、仅允许微量位移。而且在尺寸不大的高转速主轴上,很难实现产生排斥力的磁极。因此采用主动控制吸引力的磁悬浮方式。

(2)模拟电路的PID控制器

控制方式分数字和模拟两种。虽然数字方式在理论上可实现更理想的控制,但当年的电脑与接口硬件达不到如此高速控制的要求,只得采用模拟电路的比例积分微分(PID)控制系统。

(3)单自由度磁浮轴承实验系统

全系统需要5个磁悬浮轴承,用它们来限制旋转轴在空间的5个自由度(1个轴向的,4个径向的)。其中最关键的是径向轴承,为此我们特意设计并制作了一个与高速磨头相同结构参数的单自由度磁浮实验模型。利用此模型预先对径向磁浮轴承做动、静刚度实验,并与电脑的仿真对比。根据它的实验结果,在整机运转试验之前,更改了电磁铁参数,并重新绕制了16个径向电磁线圈。同时考验并调整一个测控单元。此举为整个项目避免大返工,节省了时间。

(4)X-Y径向轴承的整体磁芯

原来,前、后径向轴承各具有4个独立受控电磁铁。为了机械加工和安装的便利和高精度,能否将4个铁芯设计成合并为一的整体?我们进行了磁路分析和计算,找到避免磁极互相干扰的方法,实现了8磁极整体铁芯的结构。

(5)前后径向位移信号的解耦

主动型磁悬浮控制的关键之一是获取精确的被控物体的位移信号。由于结构设计的限制,位移传感器与电磁铁施力中心无法重合,必须对位移传感器的信号作适当的修正(解耦控制),来保证系统的精度和稳定性。我们推导出几何修正公式,并设计了相应的解耦电路。

(6)控制电压采用交流输出的全桥脉宽调制(PWM)功率放大器

一般的磁浮系统的电磁铁电流都是单向的,仅在零与极值之间变化。对低频磁浮系统来说,仅需单向波动的控制电压,使用直流输出的功率放大器即可。但是,高速磨头的主轴转速为90000rpm,干扰频率应为1500Hz以上,电磁线圈会成为大感抗的负载,为了维持电流较大的波动幅度,特别需要提供双向波动的控制电压(即变化于正与负的极值之间)。

(7)三相调压器

作为高速电机电源的变频器,其输出电压的波形远非形状标准的正弦波,其中含有许多非线性的更高频率成分。它会额外增加电机定子的发热,并给机械系统施加更高频率的干扰力。尤其后者是高精度磁悬浮系统最希望避免的。我们在变频电源和高速电机之间加了一个三相调压器,提前改善了电源电压的波形,收获了意外的效果。

                                                                   华容 写于2020年4月9日




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