CN103671699B - 一种空心轴内置减振装置 - Google Patents

Abstract

一种空心轴内置减振装置，包括置于空心轴内的弹性轴，所述弹性轴为三段阶梯轴结构，中间段的一端沿轴线依次为大中小三段直径，两头一段分别自中间段两端端面且小于中间段小直径沿轴线向各自端头依次为大中小三段直径；三段阶梯轴中的小直径段均设有螺纹；中间段的中直径上套装有内填充有阻尼颗粒的圆筒惯性轮和垫片二，采用螺母二与螺纹连接将圆筒惯性轮固紧，两头一段的中直径上分别套装有挡块、推拔和垫片一，其中推拔为设有中心孔的圆锥台状体，其外圆锥面上套装设有锥孔的上膜片和下膜片，采用螺母一与螺纹连接将推拔固紧。本发明可同时对轴系的扭振、横振、纵振及耦合振动进行控制，在轴系较宽转速范围对宽频激振力具有10dB以上的减振效果。

Description

一种空心轴内置减振装置

技术领域

本发明属于动力吸振器和阻尼减振技术领域，涉及一种空心轴内置减振装置，更具体是涉及一种空心轴的扭振、横振、纵振及其耦合振动的减振装置。

背景技术

为了满足机动性、灵活性要求以及尺寸的限制，部分特种船舶如拖轮和海洋工程船采用中高速柴油机，从而采用高速轴系。在高速轴系中，空心轴质量轻，性能相对稳定，可得到广泛应用。

空心轴系在运行过程中振动形式有三种：由旋转轴不平衡引起的横向振动，可以是垂直方向的，也可以是水平方向的，会造成轴承座松动，甚至破裂；由螺旋桨推力不均匀引起的纵向振动，情况严重时可以造成推力轴承敲击，曲柄箱破裂，有齿轮传动时，还会损坏齿轮；此外，从主机通过轴系传递功率至螺旋桨造成轴段来回摆动，各轴段间的扭角不相同，从而产生扭转振动，破坏的结果是轴系断裂，有齿轮传动时，会造成齿轮敲击。同时，轴系的振动可以通过轴承等支撑部件将振动传递到船底结构，引起船体结构的水下噪声，以及船舶舱室振动噪声，降低舰船的声隐身性能，以及船员工作环境的舒适性，因此降低轴系的振动至关重要。

由于在生产运行中轴的扭转振动最容易引起意外，所以人们在设计中往往关注的比较多，对此研究了多种扭转振动减振器，包括各种摆式扭振阻尼器、粘性液式阻尼器以及磁流式阻尼器，但是其仅仅采用阻尼减振的机理，对轴系振动控制的效果有限，并且不能同时控制轴系的横向振动、纵向振动和扭转振动。对于横向振动控制的主要方式是安装轴减振器，而对于轴向振动，由于其复杂性，往往涉及的很少。

专利CN1101725656A中提供了一种空心轴系颗粒阻尼器，通过在空心轴中布置多个内充阻尼颗粒的圆筒结构，利用随轴系振动的阻尼颗粒产生的碰撞与摩擦消耗轴系振动的能量，从而用于控制轴系的扭振、横振和纵振。然而，这种基于阻尼颗粒之间的碰撞与摩擦耗能的阻尼减振装置，当轴系的振动幅值较小时，或者对以低频为主要特征的轴系振动时，由于阻尼颗粒之间的碰撞与摩擦不明显，耗散的能量减少，对轴系的减振效果有限。

动力吸振是振动控制中常用的方法之一，将主振动系的振动能量传递给动力吸振器，并通过其材料阻尼将机械能转化为热能，从而降低主动系的振动幅值，动力吸振技术对共振频率下主动系的减振效果十分明显，尤其是对以低频为主要特征的振动系统。动力吸振器在各领域运用的已经很广泛，将其引入到空心轴系振动中则没有，且各类型减振器也多是在轴的外部，占据了外部空间。将动力吸振器安装在空心轴的内部，通过动力吸振器转移并吸收空心轴的振动能量，从而达到降低空心轴振动的目的，可以节省空间。动力吸振器的整体质量不大，对轴附加的质量较小，因此不会影响轴的安全运行。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有减振装置单向减振的不足和缺陷，为能同时显著降低扭振、横振、纵振及其耦合振动的幅值，并且比阻尼减振技术更加显著地降低以低频为主要特征的振动系统的振幅，而提供一种空心轴内置减振装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种空心轴内置减振装置，包括置于空心轴内的弹性轴1，所述弹性轴1为三段阶梯轴结构，其中中间段的一端沿轴线依次为大中小三段直径，两头一段分别自中间段两端端面且以小于中间段小直径沿轴线向各自端头依次为大中小三段直径，其中所述三段阶梯轴中的小直径段均设置有螺纹；所述中间段的中直径上套装有内填充有阻尼颗粒14的圆筒惯性轮7和垫片二8，采用螺母二9与螺纹连接将圆筒惯性轮7固紧，所述两头一段的中直径上分别套装有挡块6、推拔5和垫片一3，其中推拔5为设有中心孔的圆锥台状体，其外圆锥面上还套装有设有锥孔的上膜片4和下膜片19，采用螺母一2与螺纹连接将推拔5固紧。

上述所述的圆筒惯性块7为由左侧板10、外圆环板11、右侧板12和内圆环板13焊接而成的环状空腔体，采用隔板17将环状空腔体沿圆周等分成多个封闭的小空腔；在对应小空腔的右侧板12上分别设有带密封的螺孔和螺钉，所述阻尼颗粒14从螺孔中填入小空腔。

所述的上膜片4和下膜片19的材料为高弹性金属材料，优选为锰合金钢材料；上膜片4和下膜片19的接触面上还对应设有动配合的凸起和凹槽，确保上下膜片不发生相对运动，凸起的高度和凹槽的深度为5～8mm，所述的上膜片4和下膜片的厚度尺寸均为3～5mm，。

所述的阻尼颗粒14的的材料为金属颗粒、陶瓷颗粒或粘弹性颗粒中的任一种。

所述的空心轴内置减振装置的总长度为空心轴18总长的1/10～1/5，安装在空心轴中间位置。

所述的挡块6的直径大于所述推拔5的直径。

所述的推拔5的厚度范围为5～7mm，其锥度角度范围为20～40°。

所述的圆筒惯性轮7的外径与空心轴18内径之间的间隙大小范围为20mm以上。

本发明的空心轴内置减振装置相对现有技术所具有的优点和有益效果主要体现在如下几点：

1.本发明基于一种简单结构，同时实现了动力吸振及颗粒阻尼减振技术，总体减振效果达到10dB以上，且安装在空心轴内部，既节约成本又节省空间；

2.本发明能在轴系较宽转速范围达到减振效果。由于动力吸振器在主振动系共振频率附近频带范围具有明显减振效果，而实际轴系往往在一定的转速范围内工作，基于动力吸振技术的减振装置的吸振频率范围可以覆盖轴系的正常转速工作范围；

3.轴系的振动越大，减振效果越明显。本发明的空心轴内置减振装置构成的质量～弹簧振动系统，通过动力吸振原理将轴系（主振动系）的振动能量转移到质量～弹簧振动系统（子振动系）上，将轴系的振动幅值放大后，再利用圆筒惯性轮7内部填充的阻尼颗粒14碰撞与摩擦消耗振动的能量，从而使阻尼颗粒的减振效果更加明显；

4.能同时对轴系的横振、纵振、扭振及其耦合振动进行减振。本发明的空心轴内置减振装置，其横振、纵振、扭振的固有频率可分别通过相关结构的质量、转动惯量和刚度参数的选择，使设计的固有频率分别与轴系的主要激励频率相同和相近，从而实现对轴系的各种振动同时进行减振。

附图说明

图1为本发明的空心轴内置减振装置的整体结构示意图；

图2为图1中圆筒惯性块7的径向剖视图；

图3为图1中圆筒惯性块7的轴向剖视图；

图4为图1中上膜片4的端面视图；

图5为图4的A—A剖视图；

图6为图1中下膜片19的端面视图；

图7为图6的B—B剖视图；

图中：1.弹性轴；2.螺母一；3.垫片一；4.上膜片；5.推拔；6.挡块；7.圆筒惯性轮；8.垫片二；9.螺母二；10.左侧板；11.外圆环板；12.右侧板；13.内圆环板；14.阻尼颗粒；15.垫片三；16.螺栓；17.隔板；18.空心轴；19.下膜片。

具体实施方式

如图1、2、3、4、5、和7所示，一种空心轴内置减振装置，包括置于空心轴内的弹性轴1，所述弹性轴1为三段阶梯轴结构，其中中间段的一端沿轴线依次为大中小三段直径，两头一段分别自中间段两端端面且以小于中间段小直径沿轴线向各自端头依次为大中小三段直径，其中所述三段阶梯轴中的小直径段均设置有螺纹；所述中间段的中直径上套装有内填充有阻尼颗粒14的圆筒惯性轮7和垫片二8，采用螺母二9与螺纹连接将圆筒惯性轮7固紧，所述两头一段的中直径上分别套装有挡块6、推拔5和垫片一3，其中推拔5为设有中心孔的圆锥台状体，其外圆锥面上还套装有设有锥孔的上膜片4和下膜片19，采用螺母一2与螺纹连接将推拔5固紧。

上述所述的圆筒惯性块7为由左侧板10、外圆环板11、右侧板12和内圆环板13焊接而成的环状空腔体（见图2和图3），采用隔板17将环状空腔体沿圆周等分成多个封闭的小空腔；在对应小空腔的右侧板12上分别设有带密封的螺孔和螺钉，所述阻尼颗粒14从螺孔中填入小空腔。左侧板10、外圆环板11、右侧板12和内圆环板13的材料为钢材，壁厚为4～10mm。左侧板10和右侧板12为中心开孔的圆板，中心孔径与内圆环板13的内径相同，外径与外圆环板11的外径相同。外圆环板11和内圆环板13为圆柱形壳体结构，两端分别与左侧板10和右侧板12焊接固定为封闭形腔体结构，再通过隔板17将腔体结构分割为多个沿圆周方向大小均匀的空腔体。每个隔板17的四周分别与左侧板10、外圆环板11、右侧板12和内圆环板13的内壁焊接固定。为便于加工，右侧板12为与隔板17数目相同的多个扇形薄板对接焊接为整体结构，每个扇形薄板上开有带内螺纹的孔，便于填充阻尼颗粒14到空腔体中，在空腔体中填满阻尼颗粒14后，利用垫片15和螺栓16拧紧封闭，可防止轴系旋转时阻尼颗粒14甩出去。填充满阻尼颗粒14的圆筒惯性块7质量分布均匀，具有一定的质量和转动惯量，质心在轴心中间位置，阻尼颗粒14被隔板17分割在几个均匀的封闭腔体中，从而降低了轴系旋转时由阻尼颗粒带来的偏心影响。

所述的上膜片4和下膜片19的材料为高弹性金属材料，优选为锰合金钢材料，膜片由上、下两个半圆组成（见图4、5、6和7），为带锥面内孔的扇形薄板结构，内孔锥面的斜度与推拔5相同且配合安装，外径与空心轴18的内径相同，上膜片4上面有凸起与下膜片19上面的凹槽对应，确保上下膜片不发生相对运动，凸起的高度和凹槽的深度为5～10mm。挡块6的一侧面紧贴弹性轴1的凸缘，另一面紧贴上下膜片4、19的一侧面，挡块6的内径与弹性轴1对应位置轴段的直径相同，外径略大于上下膜片4、19的内径并与其留有一定的接触面，以阻挡上下膜片4、19向轴的中间移动。所述的挡块6的直径大于所述推拔5的直径。所述的上膜片4和下膜片19的厚度尺寸范围为3～5mm，推拔5的厚度范围为5～7mm，其锥度角度范围为20～40°。

所述的阻尼颗粒14的的材料为金属颗粒、陶瓷颗粒或粘弹性颗粒中的任一种也可以是非金属颗粒，颗粒的材料、形状和尺寸可根据具体的要求进行选择。

所述的空心轴内置减振装置的总长度为空心轴18总长的1/10～1/5，安装在空心轴中间位置。

对本发明的空心轴内置减振装置在安装前，应进行静平衡和动平衡实验，校验静平衡和动平衡状态，减少由于偏心和动不平衡对轴系旋转时带来不利影响。

本发明的空心轴内置减振装置的定位安装与拆除：事先将充满阻尼颗粒14的圆筒惯性块7用垫片二8和螺母二9拧紧后固定在弹性轴1上；将挡块6、推拔5、上膜片4、下膜片19分别安装到弹性轴1轴段上，安装垫片1、3后，利用两端的螺母1、2逐步拧紧到到一定程度，使得上膜片4、下膜片19的外径略小于空心轴18的内径，然后将空心轴内置减振装置整体推至空心轴18内部安装位置；再同时拧紧两端的螺母1、2，推动推拔5的端面向中间移动并产生预紧力，从而通过推拔5推动上膜片4和下膜片19的内圆面向径向运动，使由上、下两部分组成的膜片4、19被撑开紧贴于空心轴18的内壁，并保持适当的预紧力，使预紧应力小于上下膜片4、19材料许用应力的50%，从而实现了空心轴内置减振装置在空心轴18内部的定位安装。在拆除时，先松动两端的螺母1、2，释放上下膜片4、19在空心轴18内部的预紧力，从而将空心轴内置减振装置整体取出。

本发明的空心轴内置减振装置，综合利用动力吸振技术和颗粒阻尼减振技术实现对轴系振动的减振。动力吸振技术的原理：弹性轴1的两端被上下膜片4、19固定支撑后，由于其细长形结构而具有一定的弯曲刚度和扭转刚度，填充阻尼颗粒14的圆筒惯性块7具有一定的质量和转动惯量，从而构成了在横向和扭转方向的质量～弹簧振动系统。具有一定质量的弹性轴1及圆筒惯性块7，与在轴向具有一定刚度的上下膜片4、19在轴向构成了质量～弹簧振动系统。当横向、纵向和扭转方向振动的固有频率分别与轴系的横振、纵振和扭振的激励力频率相同或接近时，质量～弹簧振动系统相当于是轴系的动力吸振器，此时轴系（主振动系）的振动能量通过支撑结构传递到质量～弹簧振动系统（子振动系）上，导致轴系自身的振动幅值降低，而质量～弹簧振动系统的振动幅值增加，从而实现了对轴系振动的控制。

颗粒阻尼减振技术的原理：阻尼颗粒通过颗粒间以及颗粒与容器壁间的相对运动产生阻尼作用，轴系的振动会带动圆筒惯性块7及内部填充的阻尼颗粒14随之振动，从而使阻尼颗粒14之间以及阻尼颗粒14与圆筒惯性块7的壁面之间不断产生碰撞与摩擦，通过这些碰撞和摩擦不断消耗系统的振动能量，将振动能量转化为热能耗散能量，达到减振的效果。这种阻尼颗粒之间的碰撞与摩擦，能在宽频范围产生阻尼减振效果，且随着阻尼颗粒的振幅越大，阻尼颗粒之间的碰撞与摩擦越明显，消耗的振动能量越多，减振效果越明显。

Claims (6)

1.一种空心轴内置减振装置，包括置于空心轴(18)内的弹性轴(1)，其特征是：所述弹性轴(1)为三段阶梯轴结构，其中中间段的一端沿轴线依次为大中小三段直径，两头一段分别自中间段的两端端面且小于中间段小直径沿轴线向各自端头依次为大中小三段直径，其中所述三段阶梯轴中的小直径段均设置有螺纹；所述中间段的中直径上套装有内填充有阻尼颗粒(14)的圆筒惯性轮(7)和垫片二(8)，采用螺母二(9)与螺纹连接将圆筒惯性轮(7)固紧，所述两头一段的中直径上分别套装有挡块(6)、推拔(5)和垫片一(3)，其中推拔(5)为设有中心孔的圆锥台状体，其外圆锥面上还套装有设有锥孔的上膜片(4)和下膜片(19)，采用螺母一(2)与螺纹连接将推拔(5)固紧；

所述的圆筒惯性轮(7)为由左侧板(10)、外圆环板(11)、右侧板(12)和内圆环板(13)焊接而成的环状空腔体，采用隔板(17)将环状空腔体沿圆周等分成多个封闭的小空腔；在对应小空腔的右侧板(12)上分别设有带密封的螺孔和螺钉，所述阻尼颗粒(14)从螺孔中填入小空腔；所述的圆筒惯性轮(7)的外径与所述空心轴(18)内径之间的间隙大小为20mm以上；

所述的上膜片(4)和下膜片(19)的接触面上还对应设有动配合的凸起和凹槽，凸起的高度和凹槽的深度为5～8mm，所述的上膜片(4)和下膜片(19)的厚度尺寸为3～5mm；

所述的空心轴内置的弹性轴(1)的总长度为空心轴(18)总长的1/10～1/5，安装在空心轴(18)中间位置。

2.根据权利要求1所述的空心轴内置减振装置，其特征是：所述的上膜片(4)和下膜片(19)的材料为高弹性金属材料。

3.根据权利要求1所述的空心轴内置减振装置，其特征是：所述的阻尼颗粒(14)的的材料为金属颗粒、陶瓷颗粒或粘弹性颗粒中的任一种。

4.根据权利要求1所述的空心轴内置减振装置，其特征是：所述的挡块(6)的直径大于所述推拔(5)的直径。

5.根据权利要求1或4所述的空心轴内置减振装置，其特征是：所述的推拔(5)的厚度为5～7mm，其锥度a为20～40°。

6.根据权利要求2所述的空心轴内置减振装置，其特征是：所述的高弹性金属材料为锰合金钢。