In this dissertation, modal unbalance control of a flexible rotating shaft using a wireless controlled balancing head is considered, and experiments on mannul and automatic balancing controls are performed with a general isotropic rotor bearing system during operation. Theoretical analysis for the possibility of single plane balancing head is also developed for general isotropic rotor bearing systems.
In order to obtain modal data of the rotor bearing system, an efficient matrix reduction technique is developed by using the modal data of the isotropic undamped stationary parts. This method attains significant reduction in computation time and core size, while maintaining the accuracy and the flexibility in use. It does not require any intuition on mass lumping, mode selection and iterative procedures to improve the transformation matrix, necessitating only minor modifications to the existing FEM technique.
The determination of an effective balancing head location is an important problem since modal properties are changed by imbedding the head. To determine the optimal location and the amount of correction unbalance required, the change in modal properties due to the presence of the balancing head has to be completely examined, which is often laborious and time consuming. A simple and effective method to determine the optimal location of the balancing head and the amount of correction unbalance adopting a Structural Dynamics Modification (SDM) approach, is presented.
For the purpose of controlling flexible rotors at high speeds, much consideration should be taken into account in designing the balancing head. A wireless controlled head is designed and constructed. The wireless controlled balancing head is simple to transfer the control data and strong enough to endure upto 5000 rpm. The detail analyses required in designing the head and in operating the control unbalances are also discussed.
The experimental works with the balancing head are performed to overcome the first critical speed of the flexible rotor bearing system consisted of a 3cm diameter shaft with five 4.16 kg discs and a 4.8 kg balancing head. This system has the first critical near 2000 rpm. Two types of controllers are used for actuating the balancing head. One is the manual controller by which the required magnitude and direction of the head unbalance can be determined by trial and error, observing the whirl orbit on an oscilloscope. The other is automatic controller which controls the unbalance response using a micro computer. The micro computer are performs the data acquisition, monitors the unbalance response, and controlls the balancing head automatically. Experiments with the manual controller prove that arbitary unbalances can be easily balanced with a single balancing head operated even by a novice. Experiments with the automatic controller also show that the automatic balancing control can be successfully achieved with the quick response and good stability characteristics.
본 논문에서는 무선 조정되는 단일면 밸런싱 장치를 사용하여 탄성 회전체의 모우드 밸런싱을 운전중에 수행하는 방법을 보이고 실제 일반적 등방성 회전체에 대 한 실험을 수행하였다.
먼저 단일면 밸런싱 장치를 사용한 모우드 밸런싱의 이론적 배경을 수식적으로 보여주고, 실제 자동 밸런싱에 필요한 계의 모우드 특성을 쉽고 정확히 알아내기 위한 유한요소법에 의한 수치 해석 방법, 그리고 단일면 밸런싱 장치의 효율을 극대화 시킬 수 있는 최적 위치 선정 방법에 대한 이론및 수치적 연구를 수행하였다.
단일면 밸런싱 장치에 의한 탄성회전체의 운전중 모우드 밸런싱은 직경 3cm, 길이 120cm의 축 위에 2개의 자동조심 복열 볼베어링, 4.16Kg의 디스크 5개 그리고 밸런싱 장치 1개로 구성되어진 실험장치를 약 3,000rpm 까지 회전시키면서 수행되어졌다. 실험은 계의 1차 위험 속도인 2,000rpm 을 통과시키면서 2가지의 제어 방식을 사용하였다. 먼저 간단한 아나로그 전기회로로 구성된 제어기를 사용하여 오실로스코프에 나타나는 회전축의 진동궤적을 보며 밸런싱 장치의 제어를하는 수동제어 방법에 의한 실험을 보였다. 수동제어 방식은 간단히 오실로스코프와 제어장치를 사용하여 비전문가에 의해서도 손쉽게 밸런싱을 할 수 있는 것을 보였다. 자동 모우드 밸런싱은 PDP-11 마이크로 프로세서를 사용한 Minc-11 컴퓨터에 의해 모든 진동의 조사와 제어가 자동적으로 수행되어 졌다. 실험을 통해 배런싱의 자동화를 실현시켰으며 안정된 밸런싱을 빠르게 제어할 수 있는 것을 보였다.
