CN108547913B - 一种带变刚度杆的转子系统动力吸振器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于振动噪声控制技术领域，具体涉及一种带变刚度杆的转子系统动力吸振器。本发明的技术方案如下：一种带变刚度杆的转子系统动力吸振器，包括吸振机构、变刚度机构和固定装置，所述吸振机构包括吸振质量块、线性弹簧、轴承一、轴承二和轴承支撑，所述变刚度机构包括变刚度杆、弹性联轴器和微型步进电机，所述固定装置包括几字形固定架、轴承三、电机支架和连接杆。本发明提供的带变刚度杆的转子系统动力吸振器属于一种半主动控制吸振器，使用方便，工作频率调整范围大，能耗小，可靠性高，效果显著。

Description

一种带变刚度杆的转子系统动力吸振器
技术领域
本发明属于振动噪声控制技术领域，具体涉及一种带变刚度杆的转子系统动力吸振器。
背景技术
在航空、石油化工、能源、电力等关乎国民经济安全的重要领域，旋转机械作为动力或传动部件起着不可或缺的作用。转子系统作为旋转机械的核心部件对整机的稳定运行起着重要的作用。随着各行业对旋转机械的要求越来越高，高转速、大功率、高质量成为旋转机械发展的新趋势。旋转机械的转子系统往往存在着各种故障，如转子不平衡、不对中、弯曲、碰摩等。这些故障导致转子系统不可避免的存在着振动。振动过大往往会威胁旋转机械的稳定运行，严重时可导致停机甚至机毁人亡的重大事故。因此，采取策略对转子系统的振动进行有效地控制是保证设备安全、稳定运行的关键。
目前，变刚度是一种常用的振动控制方法。如采用磁流变弹性体(Magnetorheological elastomers,MERs)制成的减振机构可以通过控制输入电流的大小来控制系统振动。采用形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)设计的变刚度减振机构可以通过控制记忆合金的温度来改变转子系统的刚度，从而合理的避开临界转速区。然而这些方法也存在诸多缺陷，如磁路结构和加热系统复杂，人力物力消耗大等。
发明内容
本发明提供一种带变刚度杆的转子系统动力吸振器，属于一种半主动控制吸振器，使用方便，工作频率调整范围大，能耗小，可靠性高，效果显著。
本发明的技术方案如下：
一种带变刚度杆的转子系统动力吸振器，包括吸振机构、变刚度机构和固定装置，所述吸振机构包括吸振质量块、线性弹簧、轴承一、轴承二和轴承支撑，所述变刚度机构包括变刚度杆、弹性联轴器和微型步进电机，所述固定装置包括几字形固定架、轴承三、电机支架和连接杆；所述吸振质量块呈回字形，所述轴承支撑为正方形，所述轴承支撑通过四根所述线性弹簧与所述吸振质量块连接在一起，轴承一安装在所述轴承支撑的中心，所述吸振质量块两侧对称设有正方块，两个轴承二分别安装在所述正方块的中心；所述变刚度杆通过所述弹性联轴器与所述微型步进电机连接在一起；所述几字形固定架的两根立杆上对称设有圆孔，两个轴承三分别安装在所述圆孔内，两个所述电机支架固定安装在所述几字形固定架上且分别与所述圆孔位置对应；所述吸振质量块通过所述连接杆与所述几字形固定架连接在一起，两个所述微型步进电机分别安装在两个所述电机支架中，每根所述变刚度杆的两端分别安装在轴承二及轴承三中。
所述的带变刚度杆的转子系统动力吸振器，其中所述变刚度杆的两端为圆柱杆，中段为长方体杆，所述长方体杆的长、宽、高通过调整大小来满足不同频域范围的吸振需求。
所述的带变刚度杆的转子系统动力吸振器，其优选方案为，两个所述变刚度杆并联连接，且轴向平行，同一水平面放置。
所述的带变刚度杆的转子系统动力吸振器，其优选方案为，通过所述微型步进电机旋转带动所述变刚度杆转动，改变所述变刚度杆在竖直方向及水平方向的刚度，以实现吸振器竖直方向及水平方向的刚度改变。
所述的带变刚度杆的转子系统动力吸振器，其优选方案为，轴承一、轴承二和轴承三为深沟球轴承。
所述的带变刚度杆的转子系统动力吸振器，其优选方案为，所述吸振质量块内表面中心设有四个半圆形挂环一，所述轴承支撑外表面中心设有四个半圆形挂环二，所述线性弹簧的两端分别与半圆形挂环一及半圆形挂环二连接。
所述的带变刚度杆的转子系统动力吸振器，其优选方案为，通过PID控制算法对所述微型步进电机进行调控。
所述的带变刚度杆的转子系统动力吸振器，其优选方案为，转子安装在轴承一中并通过挡圈一予以定位。
所述的带变刚度杆的转子系统动力吸振器，其优选方案为，所述变刚度杆与轴承二之间通过挡圈二定位。
本发明的有益效果为：
1、本装置使用方便，结构较为简单，且对转子系统无任何附加要求，只需改变对应尺寸以及变刚度杆的刚度范围即可安装于对应的转子系统中。
2、本装置工作频率范围大，与传统吸振器相比，带变刚度杆转子系统动力吸振器其可已通过电机改变工作频率，具有工作频域宽的特点。
3、本装置可靠性高，相对于复杂的主动控制，带有变刚度杆的吸振器无过多的外界能量影响，可长时间高效可靠地工作。
4、本装置吸振效果显著，与传统吸振器相比，带变刚度杆转子系统动力吸振器通过改变刚度使转子频率时时与反共振频率相等，因而具有显著的吸振效果。
5、通过PID控制算法控制微型步进电机带动变刚度杆工作角度的变化，改变吸振器水平与竖直方向的刚度，实现吸振器工作频率的变化。
附图说明
图1为带变刚度杆的转子系统动力吸振器结构示意图；
图2为吸振机构结构示意图；
图3为变刚度机构结构示意图；
图4为变刚度杆具体结构示意图；
图5为固定装置结构示意图；
图6为带变刚度杆的转子系统动力吸振器的动力学模型示意图；
图7为吸振质量块与机架间竖直方向刚度变化图；
图8为吸振质量块与机架间水平方向刚度变化图；
图9为PID控制流程示意图；
图中：1-吸振质量块，2-轴承支撑，3-轴承二，4-线性弹簧，5-轴承一，6-变刚度杆，7-弹性联轴器，8-微型步进电机，9-几字形固定架，10-电机支架，11-转子，12-挡圈一，13-挡圈二，14-轴承座，15-圆盘，17-主联轴器，18-主电机，19-连接杆。
具体实施方式
如图1-5所示，一种带变刚度杆的转子系统动力吸振器，包括吸振机构、变刚度机构和固定装置，所述吸振机构包括吸振质量块1、线性弹簧4、轴承一5、轴承二3和轴承支撑2，所述变刚度机构包括变刚度杆6、弹性联轴器7和微型步进电机8，所述固定装置包括几字形固定架9、轴承三、电机支架10和连接杆19；轴承一5、轴承二3和轴承三为深沟球轴承；所述吸振质量块1呈回字形，所述轴承支撑2为正方形，所述吸振质量块1内表面中心设有四个半圆形挂环一，所述轴承支撑2外表面中心设有四个半圆形挂环二，所述线性弹簧的两端分别与半圆形挂环一及半圆形挂环二连接，所述轴承支撑2通过四根所述线性弹簧4与所述吸振质量块1连接在一起，轴承一5安装在所述轴承支撑2的中心，所述吸振质量块1两侧对称设有正方块，两个轴承二3分别安装在所述正方块的中心；所述变刚度杆6通过所述弹性联轴器7与所述微型步进电机8连接在一起；所述几字形固定架9的两根立杆上对称设有圆孔，两个轴承三分别安装在所述圆孔内，两个所述电机支架10固定安装在所述几字形固定架9上且分别与所述圆孔位置对应；所述吸振质量块1通过所述连接杆19与所述几字形固定架9连接在一起，两个所述微型步进电机8分别安装在两个所述电机支架10中；所述变刚度杆6的两端为圆柱杆，中段为长方体杆，所述长方体杆的长、宽、高通过调整大小来满足不同频域范围的吸振需求；每根所述变刚度杆6的两端分别安装在轴承二3及轴承三中，所述变刚度杆6与轴承二3之间通过挡圈二13定位；两根所述变刚度杆6并联连接，且轴向平行，同一水平面放置。
转子11安装在轴承一5中并通过挡圈一12予以定位。转子11由轴承座14固定，转子11上设有圆盘15。转子11轴向连接主联轴器17，主联轴器17另一端与主电机18相连。通过改变主电机18转速，改变圆盘15的质量，可以改变转子系统产生振动的频率。
通过PID控制算法对所述微型步进电机8进行调控；通过所述微型步进电机8旋转带动所述变刚度杆6转动，改变所述变刚度杆6在竖直方向及水平方向的刚度，以实现吸振器竖直方向及水平方向的刚度改变。
对于转子振动抑制机理如下：当转子系统工作频率发生改变时，需要吸振器质量或者刚度进行改变，从而达到工作频率接近于振动频率的反共振频率的目的。根据材料力学可知，变刚度杆6在不同的角度下所呈现的刚度不同。当长方体面积较大面处于水平状态时，变刚度杆6在竖直方向上的刚度最小、水平方向上的刚度最大；当长方体面积较大面处于竖直状态时，变刚度杆6在竖直方向上的刚度最大、水平方向上的刚度最小。因此，通过PID控制算法对微型步进电机8进行调控，改变转动变刚度杆6的工作角度，进而扩大工作频率范围。
如图6所示，其动力学微分方程可表示为：
其中x为振动振幅，m1表示转子系统质量，m2表示吸振质量块1的质量，c1是主系统阻尼，c2是吸振器阻尼，c3是吸振器与固定装置间阻尼，k1是转子系统刚度，k2是线性弹簧4的刚度，k3为可调支撑刚度，F是激振力。这样吸振器可以根据激励的不同来调整自身的固有频率，从而达到在较宽的频带吸振的效果。同时，额外的阻尼c3和支撑k3使系统具有更好的稳定性。
当h＝3.5，b＝1.5时，单个变刚度杆6的刚度k与转角β间具有如下关系：
其中，E是变刚度杆6的弹性模量，J是截面惯性矩，l是变刚度杆6起变刚度作用的长度，β为变刚度杆6与水平面之间的夹角。
如图7所示，k3在竖直方向上的刚度与转角β之间的关系。
如图8所示，k3在水平方向上的刚度与转角β之间的关系。
其中h＝3.5mm,b＝1.5mm,l＝50mm,E＝2.06×1011。
如图9所示，利用PID控制算法进行控制由三部分构成，包括升/降速判别模块、电机方向判别模块、启动/锁定模块。
升/降速判别模块主要用于判断转子系统的状态，为微型步进电机切换转向提供参考。具体方法是：首先提取转子振动的单频信号作为转动频率，并将其存入移位寄存器中，记做r(n-1)；待下一次循环获得转子的转频，将其记做r(n)。比较前后两次转频的变化，如果r(n)≥r(n-1)成立，则系统处于加速阶段，否则系统处于减速阶段。
电机转向判别模块主要用于决定步进电机的转向。首先，根据升/降速判别模块的判别结果得到转子的运行状态；然后，根据运行状态判别电机的转动方向。当处于升速阶段时，将方向控制设置为真，电机正转；当处于降速阶段时，将方向控制设置为假，电机反转。
启动/锁定模块主要用于决定电机的启动/锁定。假设转子匀加速/匀减速运行，r(a)为电机启动最低转频，r(b)为电机锁定的最高转频。当转子转速达到r(a)时即启动电机，这样电机的运行条件即为：r(a)≤r(n)≤r(b)。此时，将启动设置为真，其他情况下则将启动设置为假。
以上所述，仅为本发明的较佳的实施例，但并非对本发明有任何限制，凡是根据本发明技术是指对上述实施例所做的任何简单修改、变更，均仍属于本发明技术的保护范围内。

Claims (8)

1.一种带变刚度杆的转子系统动力吸振器，其特征在于，包括吸振机构、变刚度机构和固定装置，所述吸振机构包括吸振质量块、线性弹簧、轴承一、轴承二和轴承支撑，所述变刚度机构包括变刚度杆、弹性联轴器和微型步进电机，所述固定装置包括几字形固定架、轴承三、电机支架和连接杆；所述吸振质量块呈回字形，所述轴承支撑为正方形，所述轴承支撑通过四根所述线性弹簧与所述吸振质量块连接在一起，轴承一安装在所述轴承支撑的中心，所述吸振质量块两侧对称设有正方块，两个轴承二分别安装在所述正方块的中心；所述变刚度杆通过所述弹性联轴器与所述微型步进电机连接在一起；所述几字形固定架的两根立杆上对称设有圆孔，两个轴承三分别安装在所述圆孔内，两个所述电机支架固定安装在所述几字形固定架上且分别与所述圆孔位置对应；所述吸振质量块通过所述连接杆与所述几字形固定架连接在一起，两个所述微型步进电机分别安装在两个所述电机支架中，每根所述变刚度杆的两端分别安装在轴承二及轴承三中；所述变刚度杆的两端为圆柱杆，中段为长方体杆，所述长方体杆的长、宽、高通过调整大小来满足不同频域范围的吸振需求。
2.根据权利要求1所述的带变刚度杆的转子系统动力吸振器，其特征在于，两个所述变刚度杆并联连接，且轴向平行，同一水平面放置。
3.根据权利要求1所述的带变刚度杆的转子系统动力吸振器，其特征在于，通过所述微型步进电机旋转带动所述变刚度杆转动，改变所述变刚度杆在竖直方向及水平方向的刚度，以实现吸振器竖直方向及水平方向的刚度改变。
4.根据权利要求1所述的带变刚度杆的转子系统动力吸振器，其特征在于，轴承一、轴承二和轴承三为深沟球轴承。
5.根据权利要求1所述的带变刚度杆的转子系统动力吸振器，其特征在于，所述吸振质量块内表面中心设有四个半圆形挂环一，所述轴承支撑外表面中心设有四个半圆形挂环二，所述线性弹簧的两端分别与半圆形挂环一及半圆形挂环二连接。
6.根据权利要求1所述的带变刚度杆的转子系统动力吸振器，其特征在于，通过PID控制算法对所述微型步进电机进行调控。
7.根据权利要求1所述的带变刚度杆的转子系统动力吸振器，其特征在于，转子安装在轴承一中并通过挡圈一予以定位。
8.根据权利要求1所述的带变刚度杆的转子系统动力吸振器，其特征在于，所述变刚度杆与轴承二之间通过挡圈二定位。
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