CN107120377A - 一种弹性支承干摩擦阻尼器 - Google Patents

Abstract

一种弹性支承干摩擦阻尼器，包括鼠笼头部、鼠笼底部和连接杆；鼠笼头部包括万向滑动轴承、滑动组件和鼠笼头部基体；鼠笼头部和鼠笼底部通过连接杆连接，鼠笼底部固定于轴承座；鼠笼头部和鼠笼底部有圆柱体型空心；鼠笼头部圆柱体型空心中段为内球面并安装万向滑动轴承，内球面与万向滑动轴承外表面匹配；万向滑动轴承有轴孔，轴孔与转轴匹配，轴孔内镶嵌滑动轴承衬套；转轴与滑动轴承衬套连接且置于鼠笼底部的空心中；鼠笼头部基体有矩形槽，矩形槽内安装滑动组件；滑动组件固定于鼠笼头部基体；滑动组件连接有摩擦部件，摩擦部件与万向滑动轴承外表面贴合。本发明能够同时主动阻尼振动的挠度部分和偏转轴向振动，降低对安装位置要求，体积小。

Description

一种弹性支承干摩擦阻尼器

技术领域

本发明涉及振动控制领域，特别是一种弹性支承干摩擦阻尼器。

背景技术

在工程中由于材料内阻、不平衡质量、滑动轴承油膜力及轴系不对中等因素，会导致转子在旋转的过程中产生振动，振动会降低机器的使用精度及使用寿命，也会影响人们的生活及居住环境。若设计不当将引发共振，造成机器停机事故，甚至酿成灾难性的后果。随着现代工业技术的飞速发展，高速转子系统为了减轻重量,常采用柔性转子的设计方案,其临界转速较低。工作转速往往在其一、二阶临界转速之上,因此转子在启动、加速或停车、减速过程中必须通过临界转速,此时转子系统就会共振,产生强烈的有害振动。因此必须采取必要措施对转子经过临界转速的共振加以抑制。由于在共振频率附近是“阻尼控制区”，所以在支撑处引入阻尼是一种可行的振动控制方法。

转子系统振动的主动控制，是目前转子振动控制研究的一个热点，具有重要的理论及实用价值，国内外学者做了许多相关试验及理论研究。例如：李运华，王占林，陈介力等，在电液主动控制挤压油膜阻尼器的理论分析(北京航空航天大学学报，1999，25(4))中，对电液挤压油膜阻尼器的转子系统进行了理论分析，提出了一种由压电晶体电液主动控制的动静压混合轴承构成的电液挤压油膜阻尼器，为实现主动控制奠定了基础；又如：孟光，殷达章，姚国治，在电流变阻尼器用于转子振动控制的实验研究，(航空动力学报，1996，11(3))中，实验研究了电流变液阻尼器在转子振动控制中的应用，结果表明电流变液阻尼器具有控制效果明显、瞬时可控、耗能小的特点。磁流变液挤压油膜阻尼器，例如：汪建晓，孟光，在磁流变液阻尼器在转子振动控制中的应用，(化学物理学报，2001,14(5))中，设计并制造了一种剪切式的磁流变液阻尼器，建立了磁流变液阻尼器分析模型，理论和实验研究了转子系统的不平衡响应特性。研究表明，磁流变液阻尼器可以抑制柔性转子通过临界转速时的振动。

但上述转子系统振动的阻尼器都存在执行机构过大、控制复杂等缺点,极大地限制了主动控制技术在振动控制中的实际运用。例如磁流变液阻尼器，需要庞大的驱动线圈。

由于摩擦阻尼机理比较简单容易控制，学者们设计出了各种干摩擦阻尼器。例如：宋明波，谭大力，廖明夫，在压电陶瓷弹性支撑干摩擦阻尼器减振实验(航空动力学报，2013,28(10))中，以压电陶瓷作为出力部件，设计制造了一种干摩擦阻尼器，对其减振效果进行了实验验证，结果表明基于压电陶瓷的干摩擦阻尼器，可实现弹性支撑阻尼的在线调控，对系统的横向振动有明显的抑制作用。然而，现有的干摩擦阻尼器只能抑制对应于刚性转子振动，且通常要求阻尼器安装于振动挠度最大的位置。由于实际中转动机械中大都为柔性转子，因此现有的干摩擦阻尼器无法抑制柔性转子偏转轴向的振动。此外，现有的干摩擦阻尼器由于存在双摩擦片及其支撑机构，体积较大。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种同时抑制柔性转子挠度部分振动和偏转轴向振动，安装位置自由，体积小的弹性支承干摩擦阻尼器。

本发明的目的是这样实现的，包括鼠笼头部、鼠笼底部和连接杆；鼠笼头部包括万向滑动轴承、滑动组件和鼠笼头部基体；

鼠笼头部和鼠笼底部通过连接杆连接，鼠笼底部固定于轴承座；鼠笼头部和鼠笼底部有圆柱体型空心；鼠笼头部的圆柱体型空心中段为内球面并安装有万向滑动轴承，内球面与万向滑动轴承外表面匹配；万向滑动轴承有轴孔，轴孔与转轴匹配，轴孔内镶嵌滑动轴承衬套；转轴与滑动轴承衬套连接且置于鼠笼底部的空心中；

鼠笼头部基体开有矩形槽，矩形槽内安装滑动组件；滑动组件固定于鼠笼头部基体；滑动组件连接有摩擦部件，摩擦部件与万向滑动轴承外表面贴合。

本发明还可以包括：

1.所述滑动组件包括滑动头、压电陶瓷组件、力传感器、垫板、预压螺栓和侧面端盖；滑动组件的滑动头与摩擦部件连接，滑动头的外侧安装有压电陶瓷组件；压电陶瓷组件上安装力传感器；力传感器的外侧安装垫板；垫板通过预压螺栓固定于侧面端盖；侧面端盖与鼠笼头部基体固连。

2.所述滑动组件成对分布于鼠笼头部的万向滑动轴承两侧的对称位置，鼠笼头部内安装2对或3对滑动组件。

3.所述鼠笼头部为对称半分式结构，鼠笼头部加工有线路通道；滑动组件引出的导线经由线路通道与外部控制器连接。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明通过在鼠笼头部设置万向滑动轴承，且将可控的干摩擦力作用于万向滑动轴承，实现对柔性转子振动的综合控制，即能够同时阻尼振动的挠度部分和偏转轴向振动。

2.本发明装置能在安装于轴系不同位置时起到良好的偏转轴向振动控制效果。

3.本发明通过改变压电陶瓷组件中电极板之间的加载电压，可以实现对输出阻尼力大小的控制，能够实现转子振动的主动控制。

4.本发明该装置的摩擦部分位于鼠笼内部，体积较小。结构简单、质量轻、响应快、控制能耗小及安装方便。同时不改变转子的固有特性，工作时相当于在阻尼器安装位置引入了集中力及集中弯矩，在控制算法中对应的控制方程容易得到，算法易收敛。

附图说明

图1为转子振动变形示意图。

图2为本发明的装置侧视图。

图3为本发明的鼠笼头部结构示意图。

图4为本发明的滑动组件示意图。

图5为本发明的万向滑动轴向工作原理图。

图6为本发明的鼠笼头部装配示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行更加细致的阐述。

工作时柔性转子呈弯曲状态,可用如图1所示的振幅y和转角θ来描述柔性转子的变形状态。为了便于描述，将柔性转子在y方向上的振动描述为振动的挠度部分，而将产生与轴向偏差θ的振动部分描述为偏转轴向振动。为了对转子振动进行抑制，通常是在y方向上加入阻尼、刚度或质量的办法，因此现有技术无法控制柔性转子偏转轴向振动部分。

本发明是在偏转方向上加入了可控的干摩擦阻尼力，同时在y方向上引入了一个刚度，实现对柔性转子振动的挠度部分和偏转轴向振动同时抑制的目的。

如图2所示，一种弹性支承干摩擦阻尼器，包括鼠笼头部1、鼠笼底部12和连接杆13。鼠笼头部1包括万向滑动轴承2、滑动组件和鼠笼头部基体；滑动组件包括滑动头3、压电陶瓷组件4、力传感器5、垫板6、预压螺栓7和侧面端盖8；

鼠笼头部1和鼠笼底部12通过连接杆13连接，鼠笼底部12固定于轴承座；鼠笼头部1和鼠笼底部12有圆柱体型空心；鼠笼头部1的圆柱体型空心中段有内球面并安装有万向滑动轴承2，内球面与万向滑动轴承2外表面匹配；万向滑动轴承2有轴孔，轴孔与转轴匹配，轴孔内镶嵌滑动轴承衬套；转轴与滑动轴承衬套连接且置于鼠笼底部12的空心中；

鼠笼头部基体开有矩形槽，矩形槽内安装滑动组件；滑动组件由侧面端盖8固定于鼠笼头部基体；滑动组件的滑动头3有摩擦部件，摩擦部件与万向滑动轴承2的外表面贴合；滑动头3的外侧安装有压电陶瓷组件4，压电陶瓷组件4上安装力传感器5；力传感器5的外侧安装垫板6；垫板6通过预压螺栓7固定于侧面端盖8；

鼠笼头部1加工有线路通道；压电陶瓷组件4和力传感器5引出的导线经由线路通道与外部控制器连接。

所述鼠笼头部1和鼠笼底部12由8根等截面半径和长度的连接杆13连接，并为阻尼器提供弹性支撑。改变8根支撑杆的半径及长短可以改变阻尼器的支撑刚度。所述的万向滑动轴承2有内部轴孔，内部轴孔镶嵌滑动轴承衬套，可以使转子在内部轴孔内自由转动，不影响转轴的功率传递。衬套同球形钢主体之间的配合应为过盈配合。

摩擦部件的摩擦面为部分球面，与万向滑动轴承2外表面同半径，在压力的作用下摩擦面与万向滑动轴承2外表面贴合,形成摩擦副。摩擦部件表面安装耐磨组件。

所述压电陶瓷组件4是滑动头3动作的力源。当在压电陶瓷组件4极板上加上电压后，由于逆压电效应的作用，压电陶瓷会产生微小伸缩变形，该微小变形推动滑动头3压紧球形滑动轴承外表面，形成摩擦副。压电陶瓷组件4中极板应同轴承结构体之间进行绝缘处理；整个组件的上下表面的平行度应满足公差要求以改善各部件的受力状况。

力传感器5用于检测摩擦副的正压力大小，作为反馈信号反馈给控制系统。选择合适大小的力传感器5，应在垫板6上加工可同力传感器5配合的凹面，用于力传感器5的定位。

垫板6改善元器件的受力状况，避免在预紧或工作时预压螺栓7顶坏元件。垫板6同槽孔间隙配合，同时选用适当的厚度以满足刚度要求；加工同预压螺栓7配合的沉孔。

预压螺栓7为一字头紧定螺栓，用来调节摩擦副的初始正压力。

侧面端盖8上有4个连接所需通孔，中间有安装预压螺栓7所需螺纹孔。

连接螺栓9为内六角螺栓。

定位销10是鼠笼头部1加工及拼装的定位部件。锁扣11是安装鼠笼头部1拼装的夹紧装置，应满足公差及强度要求；并开有螺栓沉头。

如图1，柔性转子系统在旋转过程中参与两种运动，即转子的自转及轴弯曲平面绕未变形轴线的公转。本发明所提供的弹支阻尼力可控的干摩擦阻尼器的结构形式如图2所示，整个阻尼器都是通过鼠笼弹性安装于轴承座上，转轴穿过万向滑动轴承2的轴孔。由于鼠笼具有弹性，相当于在y方向引入了一个刚度，而万向滑动轴承2的万向性，如图3所示，使得偏转方向上可发生相对位移。在阻尼器的工作过程中，可以将转子的相关振动信号和力传感器5的力信号作为控制系统的反馈信号，经过逻辑运算后，输出信号使得相关驱动装置动作，改变加载在压电陶瓷组件4极板上的电压值大小。根据逆压电效应电场强度的改变，将引起压电陶瓷的微小伸缩变形，从而带有摩擦部件的滑动头3发生微小滑动，进而改变了滑动头3与万向滑动轴承2所形成摩擦副之间的正压力，最终改变阻尼器的干摩擦阻尼力，实现对转子振动的抑制。

鼠笼是阻尼器的主要支撑件，如图4所示，主要由鼠笼底部12、连接杆13及鼠笼头部1组成。鼠笼头部基体为对称半分式结构，拼装时用锁扣11进行固定。半分式的鼠笼头部基体上下两部分的配合关系要求较高，应该先加工用于上下两部分定位的销孔，加工完成后装入定位销10，在夹具的夹持下进行一体加工，完成容纳万向滑动轴承2所需的球形腔体，保证球形腔的半分处平滑过渡。同样的条件下完成与锁扣11配合的楔面加工。鼠笼头部1上用于容纳滑动头3、压电陶瓷组件4及力传感器5等所用的矩形槽，为了方便加工四周可留适当大小的倒角，去除腔内的机加工毛刺；矩形槽和滑动头3的配合为过渡配合；在鼠笼头部1适当位置应加工用于压电陶瓷组件4电缆及力传感器5信号线通过的孔，可以为两个孔，也可以为一个孔，后者应考虑电缆对信号线的影响，需采取一定的屏蔽措施；连接杆13同鼠笼底部12、鼠笼头部1的连接可采用焊接及螺纹的形式，最好采用螺纹的形式，这样方便采用不同规格的连接杆13对弹支刚度进行调节。

阻尼器可安装在轴承座上。安装位置最好使得阻尼器的球形滑动轴承球心位置位于转轴振动节点位置，或转轴振动偏转角θ最大值处，阻尼器可以更好地发挥作用。

Claims (5)

1.一种弹性支承干摩擦阻尼器，包括鼠笼头部、鼠笼底部和连接杆；其特征在于，鼠笼头部包括万向滑动轴承、滑动组件和鼠笼头部基体；

鼠笼头部和鼠笼底部通过连接杆连接，鼠笼底部固定于轴承座；鼠笼头部和鼠笼底部有圆柱体型空心；鼠笼头部的圆柱体型空心中段为内球面并安装有万向滑动轴承，内球面与万向滑动轴承外表面匹配；万向滑动轴承有轴孔，轴孔与转轴匹配，轴孔内镶嵌滑动轴承衬套；转轴与滑动轴承衬套连接且置于鼠笼底部的空心中；

鼠笼头部基体开有矩形槽，矩形槽内安装滑动组件；滑动组件固定于鼠笼头部基体；滑动组件连接有摩擦部件，摩擦部件与万向滑动轴承外表面贴合。

2.如权利要求1所述的一种弹性支承干摩擦阻尼器，其特征在于，所述滑动组件包括滑动头、压电陶瓷组件、力传感器、垫板、预压螺栓和侧面端盖；滑动组件的滑动头与摩擦部件连接，滑动头的外侧安装有压电陶瓷组件；压电陶瓷组件上安装力传感器；力传感器的外侧安装垫板；垫板通过预压螺栓固定于侧面端盖；侧面端盖与鼠笼头部基体固连。

3.如权利要求1或2所述的一种弹性支承干摩擦阻尼器，其特征在于，所述滑动组件成对分布于鼠笼头部的万向滑动轴承两侧的对称位置，鼠笼头部内安装2对或3对滑动组件。

4.如权利要求1或2所述的一种弹性支承干摩擦阻尼器，其特征在于，所述鼠笼头部为对称半分式结构，鼠笼头部加工有线路通道；滑动组件引出的导线经由线路通道与外部控制器连接。

5.如权利要求3所述的一种弹性支承干摩擦阻尼器，其特征在于，所述鼠笼头部为对称半分式结构，鼠笼头部加工有线路通道；滑动组件引出的导线经由线路通道与外部控制器连接。