CN107763131A - 一种用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，包括传振片、C型导磁装置、磁流变弹性体和壳体，其中传振片通过滚动轴承与旋转轴配合，C型导磁装置中设置有线圈，传振片和C型导磁装置通过一组相互配合的斜面将磁流变弹性体夹持其中组成振动抑制单元，用于在旋转轴旋转时通过调整振动抑制单元的刚度和阻尼抑制其振动。本实施例中磁流变弹性体倾斜设置在C型导磁装置所形成的磁场中并在旋转轴振动时同时受到挤压和剪切作用，使其工作模式为剪切‑压缩混合模式，同时多个振动抑制单元按受力均布设置，全方位抑制转子的横向振动；此外，磁流变弹性体集磁流变材料和弹性体的优点于一身，克服了磁流变液的颗粒沉降、需要密封等缺点。
Description
技术领域
本发明属于振动控制技术领域，涉及阻尼减振装置，尤其涉及一种用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器。
背景技术
近年来，压缩机、汽轮机、燃气轮机等旋转机械向着高转速、高负荷、高效率方向发展，随之带来的振动问题成为一个非常突出和棘手的问题。旋转机械转子由于存在质量分布不平衡或受到外激励作用，转子的中心线偏离回转中心线，特别是当转子高速旋转时，在横向上容易产生较大的离心力使轴系产生较大的横向振动幅值，振动严重时可造成支承轴承磨损、轴承座松动甚至断裂等危害。基于上述原因，如何减小转子系统的振动，提高转子寿命，保证机械设备安全可靠运行成为旋转机械的研究中丞待解决的重要环节。
在用于抑制转子振动的执行机构中，近年来出现了一类磁流变材料的阻尼器，这类阻尼器的原理都是利用材料的刚度和阻尼能够在外加变化磁场作用下发生显著变化，实现转子振动控制，而且这种变化的时间是毫秒级的，当外加磁场撤除时，这种变化又会立即消失。用通入滞留电流的线圈来产生可变磁场，用导磁体将磁场引入磁流变材料工作区域，磁流变材料将产生磁致效应，刚度和阻尼发生改变，变化的程度与施加的磁场强度有关，而磁场强度与通入线圈的电流大小有关，改变电流大小即可改变该作动器的刚度、阻尼，进而达到抑制振动的作用。
目前技术较为成熟、应用较为广泛的阻尼器包括磁流变液式阻尼器，这种阻尼器所用的磁流变液式分布在载液中的磁性颗粒(羟基铁粉)和载液(硅油)组成。汪建晓、孟光在等人发明了用于转子振动控制的剪切式磁流变液阻尼器【参见《磁流变液阻尼器用于转子振动控制的实验研究》，华中科技大学学报(自然科学版)；2001年07期】、纯挤压式磁流变弹性体阻尼器(参见《挤压式磁流变弹性体阻尼器-转子系统的振动特性试验》，航空学报；第29卷第1期2008年1月)以及纯剪切式磁流变弹性体阻尼器(《转子振动控制用磁流变弹性体阻尼器》，专利号为200620154712.X)。卢坤等人设计了一种剪切刚度可调的半主动式吸振器，在1∶4的船舶轴系缩比模型上进行试验的结果进一步验证了利用磁流变弹性体设计推进轴系半主动式吸振器的可行性(《基于磁流变弹性体的推进轴系半主动式吸振器研究》，振动与冲击,2017.36(15))。
但是，由于磁流变弹性体在压缩模式下其零场模量大大高于剪切模式下模量，有学者试验测得大约为3.8倍左右关系，而在同样磁场强度下两种工作模式下模量的相对变化量差异不大，而磁流变效应是指有场下的模量与零场下模量的比值，故在同样磁场强度下采用剪切模式的相对磁流变效应更高。因此在早期设计的磁流变减振器件中弹性体主要采用剪切模式，但是在剪切模式下，线圈产生磁场经过一个长长的路径才能到磁流变弹性体所在位置，而铁芯材料的磁导率与空气磁导率之间的比值在1，存在磁场泄漏，泄漏比例随路径的增长而增加；且单纯采用剪切模式，隔振器在安装被隔振器件后，由于被隔振器件重力作用弹性体材料会发生相应的静应变，由于这个应变存在会导致隔振结构可工作范围减小。而压缩模式下磁流变弹性体紧挨铁芯放置，故磁场的泄漏较小，磁流变减振器件仍然具有一定的减振效果，同时压缩模式下磁流变弹性体材料储能模量为剪切模式下3-5倍，采用压缩模式可大大减小结构静应变，但单纯采用压缩模式较仅采用剪切模式隔振器在相同磁感应强度下的可变刚度范围小。
因此，上述技术还存在着以下缺点：
①目前普遍采用的磁流变液式阻尼器由于磁性颗粒的密度大于载液，所以存在颗粒沉降而影响振动控制效果，再者为防止磁流变液流失还需增设密封装置，成本增大，且磁流变液泄露也较难清洗；
②目前磁流变弹性体阻尼器采用纯挤压和纯剪切式,但单纯使用挤压工作模式的转子振动控制用磁流变弹性体式阻尼器移频效果较差，振动抑制效果不佳；单纯使用转子振动控制用剪切模式的磁流变弹性体阻尼器变形较大；
③目前设计的磁流变弹性体阻尼器只能单纯控制转子在单一方向横向振动，不能全方位抑制横向振动。
因此，针对以上不足，本发明急需提供一种用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，以解决现有技术中纯剪切模式下由转子振动引起的结构变形较大、纯压缩模式下移频效果较差，且无法全方位抑制转子横向振动的问题。
本发明提供了下述方案：
一种用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，包括：传振片，所述传振片包括套筒连接部，所述套筒连接部通过轴承与旋转轴配合连接；在所述套筒连接部的外壁上均布设有多个梯形凸台；多个C型导磁装置，所述C型导磁装置包括C型构架和线圈，所述线圈缠绕在所述C型构架上，所述C型构架设有向外张开的一组斜面；所述C型导磁装置通过一组斜面与所述梯形凸台的一组斜面配合安装；多个磁流变弹性体，多个所述磁流变弹性体分别安装在所述C型构架与所述梯形凸台的配合面上；壳体，所述壳体设置在所述C型导磁装置外侧，用于将所述传振片、所述C型导磁装置和所述磁流变弹性体径向固定。
如上所述的用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，进一步优选为，所述梯形凸台的数量为四个，四个所述梯形凸台等间距设置在所述传振片外壁上。
如上所述的用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，进一步优选为，所述C型构架包括一体设置的横梁和两个构件，两个所述构件连接在所述横梁两端，所述线圈缠绕在所述横梁上。
如上所述的用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，进一步优选为，还包括卡簧，所述卡簧套设在所述滚动轴承外圈，用于稳固所述传振片与所述滚动轴承的连接，阻止所述滚动轴承与所述传振片的轴向移动。
如上所述的用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，进一步优选为，还包括箱盖，所述箱盖设置在所述壳体两侧，并通过螺栓与所述壳体连接。
如上所述的用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，进一步优选为，在所述壳体上还设置有多个导线孔，多个所述导线孔分别对应多个所述C型导磁装置上的所述线圈的位置设置，用于穿过导线。
如上所述的用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，进一步优选为，所述C型构架为纯铁制成，所述传振片和所述壳体选用铝材制成。
如上所述的用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，进一步优选为，所述套筒连接部和所述梯形凸台为一体设置。
如上所述的用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，进一步优选为，还包括调节电路，所述调节电路与所述导线连接，用于调节所述导线中电流强度。
如上所述的用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，进一步优选为，还包括振动检测传感器和控制器，所述振动检测传感器设置在所述旋转轴上用于检测实时振动幅值、相位和频率参数，所述控制器与所述振动检测传感器和所述调节电路连接，用于获取振动幅值、相位和参数并发布控制信号以调整调节电路的电流强度。
本发明与现有技术相比具有以下的优点：
本发明所公开的一种用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，包括多个由传振片、C型导磁装置和磁流变弹性体组成的振动抑制单元，其中磁流变弹性体倾斜设置在C型导磁装置所形成的磁场中并在旋转轴振动时同时受到剪切和挤压作用，使其工作模式为剪切-压缩混合模式，相较于的剪切模式能有效减小由转子振动引起的结构变形较大的问题，也能改变纯压模式下移频效果较差的问题，同时多个振动抑制单元均布设置，能均分转轴横向振动产生的力，全方位抑制转子的横向振动；此外，磁流变弹性体集磁流变材料和弹性体的优点于一身，克服了磁流变液的颗粒沉降、需要密封等缺点。
附图说明
图1为本发明的一种用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器的主剖视图；
图2为本发明的一种用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器的侧剖视图。
附图标记说明：
1-构件，2-线圈，3-磁流变弹性体，4-套筒连接部，5-滚动轴承，6-旋转轴，7-卡簧，8-壳体，9-导线孔，10-螺栓，11-箱盖，12-横梁，13-梯形凸台，14-过渡连接板。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，本实施例公开了一种用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，包括传振片、C型导磁装置、磁流变弹性体3和壳体8。其中传振片包括套筒连接部4以及多个梯形凸台13组成，其中套筒连接部4为套筒结构，并通过滚动轴承5与受控对象旋转轴6配合安装，套筒连接部4与滚动轴承5的外层连接，形成过盈配合，旋转轴6与滚动轴承5的内层连接；多个梯形凸台在套筒连接部的外周均布设置，各梯形凸台的规格相同，且沿套筒的轴线方向由内向外排布。C型导磁装置包括C型构架和线圈，C型构架为呈C型设置的铁芯，线圈缠绕其上，用于形成磁场，其中C型构架的内部呈扩口设置，由内向外张开一组斜面。磁流变弹性体3是具有分散或预定在低密度矩阵中的大密度磁性颗粒的一种新型磁流变材料，是将铁磁性颗粒散布于固态状或者凝胶状的高分子聚合物机体中固化制备而成，其基本组分主要包括极化磁性颗粒、弹性体/橡胶基体和添加剂，其显著的特点是力学、电学性能可以由外加磁场来控制，兼有磁流变材料和弹性体响应快、可逆性好、可控能力强的优点，又克服了磁流变液易沉降、稳定性差、密封性等缺点。本实施例中磁流变弹性体3为具有一定厚度的片状结构，其大小可参照梯形凸台13斜面大小制备。安装时，多个C型导磁装置分别通过C型构架上向外张开的一组斜面与多个梯形凸台13的一组斜面一一对应配合安装，磁流变弹性体3设置在配合面上，形成压紧配合，构成多个包括梯形凸台13、C型导磁装置以及两个磁流变弹性体3的振动抑制单元。为了径向固定每个振动抑制单元，还设置有壳体8，壳体内部与安装完成的多个振动抑制单元形状吻合，将传振片、C型导磁装置和磁流变弹性体扣合在内部，从而将上述的多个振动抑制单元径向固定。当转子振动时，振动会通过轴承-传振片传递到磁流变弹性体3上，此时磁流变弹性体3会在通电线圈2所产生的磁场下同时受到振动挤压剪切作用，通过改变通电线圈2中通入电流的大小来改变作动器的刚度、阻尼，进而达到抑制转子振动的作用。
采用上述实施例中的用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，具有如下有益效果：磁流变弹性体3的工作模式为剪切-压缩混合模式，相对于剪切模式，能够有效减小由转子振动引起的结构变形较大的问题，相对于纯压模式，能解决移频效果较差的问题；同时多个振动抑制单元均布设置，能均分转轴横向振动产生的力，全方位抑制转子的横向振动；此外，磁流变弹性体3集磁流变材料和弹性体的优点于一身，克服了磁流变液的颗粒沉降、需要密封等缺点。
如图1所示，本实施例公开的一种用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器中，梯形凸台13的数量为四个，四个梯形凸台13等间距设置在套筒连接部4的外壁上。从上述结构可知，梯形凸台13、C型导磁装置与磁流变弹性体3形成一个振动抑制单元，四个梯形凸台13均布设置在套筒连接件外壁上，则四个振动抑制单元均布在套筒连接件外壁上呈对角线分布在壳体8内部，使得每个减振单元都能够有效的分担横向振动产生的外力，也即能够全方位的抑制横向振动。
如图1所示，本实施例公开的一种用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器中，C型构架包括一体设置的横梁12和两个构件1，两个构件1分别连接在横梁12两端，其中整个C型构架(即铁芯)为纯铁即铁质材料制成，横梁上缠绕有线圈2，构成导磁回路，用于在通电的情况下形成磁场；在两构件1的内侧还设置有一组向外张开的斜面，通过调节横梁12的长度或者构件1的结构使得一组斜面可与传振片中梯形凸台13的一组斜面完全配合。
如图1所示，本实施例公开的一种用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器中还包括卡簧7，卡簧7套设在滚动轴承5外圈，使传振片与滚动轴承5的配合更加紧固，能有效避免传振片与滚动轴承5发生轴向移动。
如图1所示，本实施例公开的一种用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器中还包括箱盖11，所述箱盖11呈中心开孔的圆形设置，分别对应安装在作动器两侧，并通过螺栓10配合连接，其中螺孔穿过壳体，实现多重固定。本实施例中，壳体8固定在振动抑制单元的外侧，只实现了振动抑制单元的径向固定，但是在旋转轴6转动时，振动抑制单元内部会受到挤压作用，传振片和C型导磁装置容易发生轴向振动。而通过螺栓10固定在作动器两侧的箱盖11则通过螺栓10的紧固作用实现了振动抑制单元的轴向固定，从而阻止了传振片和C型导磁装置沿旋转轴6轴向运动，同时，固定螺栓还穿过壳体，进一步强化壳体的紧固强度。
如图1所示，本实施例公开的一种用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器中，在壳体8上还设置有多个导线孔9，多个导线孔9分别对应C型导磁装置上的线圈2位置设置，用于穿过导线。导线孔9的设置便于及时将作动器内部的导线导出到外部，而多个导线孔9的设置的则避免本实施例中不同振动抑制单元中导线相互堆积，造成线路缠绕或者短路的问题。
如图1所示，本实施例公开的一种用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器中，除C型导磁装置所需的工业纯铁外，为降低磁场损耗，其他材料均选用便于加工且隔磁的铝材制成，即C型构架(即铁芯)为纯铁制成，传振片、箱盖11和壳体8为铝材制成，此时，整个作动器中，磁路的磁阻主要为磁导率很低的磁流变弹性体3的磁阻。
如图1所示，本实施例公开的一种用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器中，传振片还包括竖向设置在套筒连接部4外侧的多个过渡连接板14，多个过渡连接板14呈规则排布，梯形凸台13通过过渡连接板14与套筒连接部4连接，即过渡连接板14的一侧连接套筒连接部4，另一侧连接梯形凸台13的底部。相较于梯形凸台13，过渡连接板14的体积和质量均较小，因此，相较于直接传递到梯形凸台13中，过渡连接板14的设置能够凸显梯形凸台13的振动效果，从而对振动抑制单元中磁流变弹性体3的挤压作用更大，配合相同磁场强度，使得整个振动抑制单元的阻尼和刚度变化更大，对转子振动的主动抑制作用也更强。
如图1所示，本实施例公开的一种用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器中，套筒连接部4、过渡连接板14和梯形凸台13为一体设置。梯形凸台13通过斜面配合与磁流变弹性体3和C型导磁装置连接，为实现利用的最大化，则斜面完全配合，即C型导磁装置和梯形凸台13的高度相同，整合壳体8的固定考量，则与套筒连接部4的高度也相同，即套筒连接部4、过渡连接板14和梯形凸台13的高度相同；此外，上述结构有采用相同的材料制成，则可设置为一体设置。
如图1所示，在本实施例公开的一种用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器中，传振片还存在另一种变形结构，即传振片的套筒连接部4可以不作为一体，可以制成类似于可倾瓦轴承一样的四片，单片结构上设置过度连接板和梯形凸台，分别对应四个振动抑制单元。
如图1所示，本实施例公开的一种用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器中，还包括调节电路，调节电路与导线连接，用于调整导线中电流强度；此外，还包括控制器和安装在旋转轴6上的振动检测传感器，控制器分别与振动检测传感器和调整电路电联接。调节电路、控制器和振动检测传感器构成一个闭环控制回路，振动检测传感器检测到的旋转轴6的实时振动幅值、相位和频率参数并传递到控制器中，通过控制器的控制计算，输出控制信号，实时改变调节电路中电流的大小来实现作动器的刚度和阻尼变化的调节，进而实现旋转轴6振动的主动抑制。
本实施例中，本实施例采用电磁线圈励磁方式。其设计思路如下：⑴根据磁流变弹性体材料的饱和磁感应强度，确定弹性体处磁路的饱和工作点；⑵根据串联磁路中磁通量一致的原则，确定磁路中各个部分的磁感应强度，并避免结构中其它部分先于磁流变弹性体达到饱和状态；⑶计算磁路中各个部分磁阻，再根据基尔霍夫定律得到磁路中的磁动势；⑷考虑可提供的电流大小、安装空间、散热等要求，选择合适的励磁线圈电流和线圈匝数。
与现有技术相比，本发明所公开的一种用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器具有以下有益效果：
1、本发明中，磁流变弹性体3安装在梯形凸台13和C型导磁装置的斜面配合处，使其工作模式为剪切-压缩混合模式，相较于剪切模式能有效减小由转子振动引起的结构变形较大的问题，也能改变纯压模式下移频效果较差的问题，同时多个振动抑制单元均布设置，能均分转轴横向振动产生的力，全方位抑制转子的横向振动；此外，磁流变弹性体3集磁流变材料和弹性体的优点于一身，克服了磁流变液的颗粒沉降、需要密封等缺点；
2、本发明中，由梯形凸台13、C型导磁装置和磁流变弹性体3组成的四个振动抑制单元两两对称分布，能均分转轴横向振动产生的力，全方位抑制转子的横向振动；
3、本发明中，通过箱盖的设置，实现了振动抑制单元的轴向固定，从而阻止了传振片和C型导磁装置轴向移动，同时，箱盖的固定螺栓还穿过壳体，加强了壳体的紧固强度；
4、本发明中，还公开了磁路设计思路，综合材料、电流、线圈、安装空间和散热等要求，获取了合适的励磁线圈电流和线圈匝数。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，其特征在于，包括：
传振片，所述传振片包括套筒连接部，所述套筒连接部通过轴承与旋转轴配合连接；在所述套筒连接部的外壁上均布设有多个梯形凸台；
多个C型导磁装置，所述C型导磁装置包括C型构架和线圈，所述线圈缠绕在所述C型构架上，所述C型构架设有向外张开的一组斜面；所述C型导磁装置通过一组斜面与所述梯形凸台的一组斜面配合安装；
多个磁流变弹性体，多个所述磁流变弹性体分别安装在所述C型构架与所述梯形凸台的配合面上；
壳体，所述壳体设置在所述C型导磁装置外侧，用于将所述传振片、所述C型导磁装置和所述磁流变弹性体径向固定。
2.根据权利要求1所述的用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，其特征在于，所述梯形凸台的数量为四个，四个所述梯形凸台等间距设置在所述传振片外壁上。
3.根据权利要求1或2所述的用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，其特征在于，所述C型构架包括一体设置的横梁和两个构件，两个所述构件连接在所述横梁的两端，所述线圈缠绕在所述横梁上。
4.根据权利要求1或2所述的用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，其特征在于，还包括卡簧，所述卡簧套设在所述滚动轴承外圈，用于稳固所述传振片与所述滚动轴承的连接，阻止所述滚动轴承与所述传振片的轴向移动。
5.根据权利要求1或2所述的用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，其特征在于，还包括箱盖，所述箱盖设置在所述壳体两侧，并通过螺栓与所述壳体连接。
6.根据权利要求1或2所述的用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，其特征在于，在所述壳体上还设置有多个导线孔，多个所述导线孔分别对应多个所述C型导磁装置上的所述线圈的位置设置，用于穿过导线。
7.根据权利要求1或2所述的用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，其特征在于，所述C型构架为纯铁制成，所述传振片和所述壳体选用铝材制成。
8.根据权利要求1或2所述的用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，其特征在于，所述套筒连接部和所述梯形凸台为一体设置。
9.根据权利要求1或2所述的用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，其特征在于，还包括调节电路，所述调节电路与所述导线连接，用于调节所述导线中电流强度。
10.根据权利要求9所述的用于旋转机械转子振动抑制的磁流变弹性体作动器，其特征在于，还包括振动检测传感器和控制器，所述振动检测传感器设置在所述旋转轴上用于检测实时振动幅值、相位及频率参数，所述控制器与所述振动检测传感器和所述调节电路连接，用于获取振动幅值、相位及频率参数并发布控制信号以调整调节电路的电流强度。
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