CN108916316B - 一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱 - Google Patents

一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱，包括非线性能量阱本体和固定装置。非线性能量阱本体包括支撑组件、一级连接组件、二级连接组件、一级吸振子质量块和二级吸振子质量块。支撑组件包括轴承、支撑和轴套；两级吸振子质量块上有连接孔和间隙孔，与两级连接组件配合；一、二级连接组件包括一、二级连接杆和一、二级分段线性杆，两级分段线性杆与两级吸振子质量块的间隙配合形成串联的分段线性刚度，拟合非线性立方刚度，构成二级非线性能量阱。固定装置包括螺栓、固定架、弹簧、连接片一和连接片二。本发明能有效抑制转子系统宽频带的振动，属振动噪声控制领域。整体结构紧凑，使用方便，可靠性高。

Description

一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱
技术领域
本发明涉及振动噪声控制技术领域，具体涉及一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱，用于旋转机械的核心部件转子系统的振动抑制。
背景技术
转子系统作为大型离心压缩机、重型燃气轮机等旋转机械的核心部件，其工作转速通常在一阶临界转速以上，在开、停车阶段必须经过临界转速，同时发生强烈的共振，严重影响机组的稳定运行。因此，对旋转机械的转子系统高效可靠的振动控制尤为重要，且是亟待解决的问题。
增加动力吸振器是一种常用的振动抑制方法。其可大幅降低转子系统的本身的振动。动力吸振器可以分为两种类型：被动吸振器和主动(半主动)吸振器。
被动式吸振器结构简单，无需能量来源，目前是旋转机械振动抑制的主要方式，但其抑振频带窄，实际应用局限性大；主动式吸振器抑振精度高，反应灵敏，但结构复杂，需外加调整部件，导致其应用性低。
如前所述，在现代旋转机械运行速度多变且工况苛刻的环境中，被、主动式吸振器的结构均有不足。必须设计新的振动抑制装置，以满足现代旋转机械高功率，振动大且抑振频带宽的要求。
发明内容
大功率的转子系统在临界转速时会产生宽频带、大振幅的振动，因此本发明提出一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱，对转子系统的宽频带、大振幅的振动实现抑制，关键是对分段线性刚度杆拟合非线性刚度方法的两次利用，形成两级分段线性刚度串联，组成二级非线性能量阱结构。实施技术方案是：
一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱，转子系统通过轴端支撑固设在外机架上，其包括圆盘和轴，该二阶非线性能量阱由非线性能量阱本体和固定装置构成，非线性能量阱本体包括支撑组件、一级连接组件、二级连接组件、一级吸振子质量块和二级吸振子质量块。
所述支撑组件包括轴承、支撑盘和轴套。支撑盘内固接轴承，该轴套的作用是防止非线性能量阱本体的轴向窜动；
所述一级吸振子质量块的内圆周上设有8个通孔，4个直径相同交叉分布的是连接孔，与两根一级连接杆配合，4个直径不同交叉分布的是间隙孔，与四根一级分段线性杆配合。外圆周上设有8个直径相等的通孔，与二级连接组件配合：
所述二级吸振子质量块的同一圆周上设有8个通孔，4个直径相同交叉分布的是连接孔，与两根二级连接杆配合，4个直径不同交叉分布的是间隙孔，与四根二级分段线性杆配合：
所述一级连接组件包括两根一级连接杆、四根一级分段线性杆，所述一级连接杆通过螺母将支撑盘和一级吸振子质量块固定连接，一级分段线性杆的一端通过螺母与支撑盘固定连接，另一端与一级吸振子质量块的间隙孔形成间隙配合；
所述二级连接组件包括两根二级连接杆、四根二级分段线性杆，所述二级连接杆通过螺母将一级吸振子质量块和二级吸振子质量块固定连接，二级分段线性杆的一端通过螺母与一级吸振子质量块固定连接，另一端与二级吸振子质量块的间隙孔形成间隙配合。
所述固定装置与二级吸振子质量块相连接，避免非线性能量阱本体随转子一起转动，包括螺栓、两个固定架、四个弹簧、连接片一和连接片二；二级吸振子质量块由连接片一、弹簧、连接片二与固定架通过螺栓相连接，固定架与外机架固定连接。
本发明的优点是：
1.固定装置避免了非线性能量阱本体随转子的转动，弹簧允许非线性能量阱的本体在周向的些许扰动，轴套避免了非线性能量阱本体在轴向的窜动。规定了整套装置的工作状态。
2.整套装置装配之后，其上的连接杆和分段线性杆长度，通过旋动螺母可微变，即可微调非线性能量阱本体的刚度，进而增加本发明二级非线性能量阱抑制转子系统振动的灵活性。
3.整套装置中的一、二级分段线性杆与一、二级吸振子质量块上相配合的间隙孔，通过更换不同的一、二级吸振子质量块可调节这些孔的直径和质量块的质量，使分段线性杆和吸振子质量块的间隙配合可调，进而调节非线性能量阱本体拟合出的非线性立方刚度，设计出不同的本发明二级非线性能量阱的本体部分，吸收转子系统在不同的工况下的振动。可以抑制转子系统大振幅，宽频带的共振区振动，最大抑制频带可达15Hz，而且参数多变，通过调节各个参数，做参数匹配研究，抑振效果还会增强。
4.整套装置中的两根一级连接杆直径相同，并联安装，两根二级连接杆直径相同，也并联安装。四根一级分段线性杆直径不等，并联交叉安装，四根二级分段线性杆直径不等，也并联交叉安装。通过更换不同组(杆的直径和长度不同，即分段线性的拟合规律不同，但都是立方非线性规律变化)的分段线性杆，使分段线性杆和吸振子质量块的间隙配合可调，进而调节非线性能量阱本体拟合出的非线性立方刚度，设计出不同的本发明非线性能量阱的本体部分，吸收转子系统在不同的工况下的振动。
5.整套装置中的固定架与外机架相配合连接，弹簧的作用是降低固定装置的刚度，通过更换弹簧，其刚度值可变，且大小要适中。左右两组弹簧互相呈直角布局，使弹簧在垂直方向上的作用力抵消。
6.本发明的非线性能量阱结构是通过关键的非线性拟合元件(分段线性杆与间隙孔)与转子系统耦合的轻量化装置，轻量化是指微小的一、二级吸振子质量块，整套装置利用两级分段线性杆与两级吸振子质量块的间隙配合形成两级分段线性刚度串联，拟合产生连续的非线性立方刚度，形成本发明的二级非线性能量阱。非线性能量阱的本体部分能够自适应地调节抑振的频带宽度，并具有极为高效的振动能量吸收能力，较线性吸振器抑振效果显著，结构简单紧凑，应用性强，为目前的振动抑制提供新方法。
附图说明
图1为本发明一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱应用于具体转子系统的结构示意图；
图2为本发明一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱的非线性能量阱本体结构示意图
图3为本发明一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱去掉轴套后支撑组件的结构示意图；
图4为本发明一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱一级连接组件的示意图；
图5为本发明一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱二级连接组件的示意图；
图6为本发明一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱的具有一组直径间隙孔的一级吸振子质量块的示意图；
图7为本发明一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱的具有一组直径间隙孔的二级吸振子质量块的示意图；
图8为本发明一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱的固定架的示意图；
图9为本发明一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱的串联的两级分段线性刚度与非线性立方刚度的拟合机理曲线图；
图10为转子系统使用本发明二级非线性能量阱后，与未使用时对比的幅频特性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图1-10，并举实例对本发明转子系统振动抑制的二级非线性能量阱做进一步详细的说明。
圆盘9和轴17组装成转子系统，轴17通过轴端支撑19固设在外机架18上；
支撑组件包括轴承8、支撑盘10和轴套11，支撑盘10内固接轴承8，该轴套11的作用是防止非线性能量阱本体的轴向窜动，支撑盘10通过一级连接组件与一级吸振子质量块15连接；
一级吸振子质量块15内圆周上的连接孔与两根一级连接杆12配合连接；间隙孔与四根一级分段线性杆13形成间隙配合；外圆周上的孔，与二级连接组件配合：
二级吸振子质量块7上的连接孔与两根二级连接杆3配合连接；间隙孔与四根二级分段线性杆15形成间隙配合；
一级连接杆2通过螺母1，将支撑盘10和一级吸振子质量块15固定连接，一级分段线性杆13的一端通过螺母1与支撑盘10固定连接，另一端与一级吸振子质量块15的间隙孔形成间隙配合，四根一级分段线性杆13的直径不等，且为阶梯轴状，刚度大的一级分段线性杆13对应一级吸振子质量块15上内圆周直径大的间隙孔；
二级连接杆3通过螺母1，将一级吸振子质量块15和二级吸振子质量块7固定连接，二级分段线性杆2的一端通过螺母1与一级吸振子质量块15固定连接，另一端与二级吸振子质量块7的间隙孔形成间隙配合，四根二级分段线性杆2的直径不等，且为阶梯轴状，刚度大的二级分段线性杆2对应二级吸振子质量块7上直径大的间隙孔；
固定装置与一级吸振子质量块15相连接，避免非线性能量阱本体随转子一起转动，一级吸振子质量块15由连接片一4、弹簧14、连接片二5与固定架16通过螺栓6相连接，固定架16与外机架18固定连接。
整套二级非线性能量阱装置装配在圆盘9一侧的轴上。
当该二级非线性能量阱工作时，转子系统振动后将振动力传递给支撑组件与一级连接组件，一级连接杆12振动带动一级吸振子质量块15振动，进一步地一级吸振子质量块15与四根一级分段线性杆13相接触碰撞，进而将振动力传递给一级吸振子质量块15，实现一级动态吸振。若振动力太大，则会带动二级连接杆3振动，进一步地二级吸振子质量块7与四根二级分段线性杆2相接触碰撞，进而将振动力传递给二级吸振子质量块7，实现二级动态吸振。
一个具有立方非线性的弹簧，其总弹性力与刚度的关系是y＝kx3。由图9的拟合机理图可看出串联的二级分段线性刚度可近似代替非线性刚度，说明分段线性刚度拟合非线性刚度的有效性，也从侧面说明本设计的合理性。
本发明的二级非线性能量阱装置应用到具体的转子系统抑制振动的过程(给定一种连接组件与吸振子质量块的间隙配合)如下：
当转子系统振动过小时，振动力由支撑组件传递给一级连接杆12，一级连接杆12的振动幅值小于一级分段线性杆13与一级吸振子质量块15间隙孔的相对间隙，此时分段一级分段线性杆13与一级吸振子质量块15不接触，只有一级连接杆12与一级吸振子质量块15相配合连接。此时该种二级非线性能量阱的本体相当于一个线性的动力吸振器，抑振效果不是很明显；
当振动明显增大时，一级分段线性杆13中刚度较小的杆与一级吸振子质量块15小直径的间隙孔相接触碰撞，随后第二根，第三根，第四根都与一级吸振子质量块15接触碰撞，进而将转子系统的振动力动态传递给一级吸振子质量块15，实现一级动态吸振；
当振动很大时，二级分段线性杆2中刚度较小的杆与二级吸振子质量块7小直径的间隙孔相接触碰撞，随后第二根，第三根，第四根都与二级吸振子质量块7接触碰撞，进而将转子系统的振动力动态传递给二级吸振子质量块7，实现二级动态吸振。
数值仿真结果如图10，对比可看出本发明一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱，对转子系统共振区的振动，有高效且可靠的抑制效果，且抑振频带宽，最宽频带可达到15Hz。
综上所述，以上阐述说明仅为本发明一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的权力保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的专利权力保护范围之内。

Claims (7)

1.一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱，转子系统包括圆盘(9)和轴(17)，轴(17)通过轴端支撑(19)固设在外机架(18)上，其特征在于：
该二级非线性能量阱包括非线性能量阱本体和固定装置，非线性能量阱本体包括支撑组件、一级连接组件、二级连接组件、一级吸振子质量块(15)和二级吸振子质量块(7)；
所述支撑组件包括轴承(8)、支撑盘(10)和轴套(11)，支撑盘(10)内固接轴承(8)；该轴套(11)的作用是防止非线性能量阱本体的轴向窜动；
所述一级吸振子质量块(15)的内圆周上设有8个通孔，在8个通孔中有4个直径相同交叉分布的是连接孔，4个连接孔中有2个分别与两根一级连接杆(12)配合连接，4个直径不同交叉分布的是间隙孔，与四根一级分段线性杆(13)配合连接；一级吸振子质量块(15)的外圆周上设有8个直径相等的通孔，与二级连接组件配合连接；
所述二级吸振子质量块(7)的同一圆周上设有8个通孔，在8个通孔中有4个直径相同交叉分布的是连接孔，4个连接孔中有2个分别与两根二级连接杆(3)配合，4个直径不同交叉分布的是间隙孔，与四根二级分段线性杆(2)配合连接；
所述一级连接组件包括两根一级连接杆(12)、四根一级分段线性杆(13)，所述一级连接杆(12)通过螺母(1)将支撑盘(10)和一级吸振子质量块(15)固定连接，一级分段线性杆(13)的一端通过螺母(1)与支撑盘(10)固定连接，一级分段线性杆(13)另一端与一级吸振子质量块(15)的间隙孔形成间隙配合连接；
所述二级连接组件包括两根二级连接杆(3)、四根二级分段线性杆(2)；所述二级连接杆(3)通过螺母(1)将一级吸振子质量块(15)和二级吸振子质量块(7)固定连接，二级分段线性杆的一端通过螺母(1)与一级吸振子质量块(15)固定连接，另一端与二级吸振子质量块(7)的间隙孔形成间隙配合；
所述固定装置与一级吸振子质量块(15)相连接，避免非线性能量阱本体随转子一起转动，包括螺栓(6)、两个固定架(16)、四个弹簧(14)、连接片一(4)和连接片二(5)；一级吸振子质量块(15)由连接片一(4)、弹簧(14)、连接片二(5)与固定架(16)通过螺栓相连接，固定架(16)与外机架(18)固定连接；
整套二级非线性能量阱装置装配在圆盘(9)一侧的轴上。
2.如权利要求1所述的一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱，其特征在于，通过旋动螺母(1)调整一级连接杆(12)和一级分段线性杆(13)在支撑盘(10)和一级吸振子质量块(15)中间的长度，通过旋动螺母(1)调整二级连接杆(3)和二级分段线性杆(2)在一级吸振子质量块(15)和二级吸振子质量块(7)中间的长度，进而微调非线性能量阱本体的刚度。
3.如权利要求1所述的一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱，其特征在于，两根
一级连接杆(12)直径相同，并联安装，两根二级连接杆(3)直径相同，并联安装；四根一级分段线性杆(13)直径不等，并联交叉安装，四根二级分段线性杆(2)直径不等，并联交叉安装；一、二级连接杆(12)、(3)呈阶梯轴状，阶梯轴状与一、二分段线性杆(13)、(2)形成两级的分段线性刚度串联，拟合产生连续的非线性立方刚度。
4.如权利要求1所述的一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱，其特征在于，当该二级非线性能量阱工作时，转子系统振动后将振动力传递给支撑组件与一级连接杆(12)，一级连接杆(12)振动带动一级吸振子质量块(15)振动，进一步地一级吸振子质量块(15)与四根一级分段线性杆(13)相接触碰撞，进而将振动力传递给一级吸振子质量块(15)，实现一级动态吸振；若振动力太大，则会带动二级连接杆(3)振动，进一步地二级吸振子质量块(7)与四根二级分段线性杆(2)相接触碰撞，进而将振动力传递给二级吸振子质量块(7)，实现二级动态吸振。
5.如权利要求1所述的一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱，其特征在于，一、二级连接杆(12)、(3)与一、二分段线性杆(13)、(2)的长度和直径、一、二级吸振子质量块(15)、(7)上的孔的直径和质量块的质量可通过适当的计算进行更换，能够吸收转子系统在不同工况下的振动。
6.如权利要求1所述的一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱，其特征在于，固定装置中弹簧(14)的刚度没有具体要求，通过更换不同的弹簧，其刚度值可变，且大小适中。
7.如权利要求1所述的一种抑制转子系统振动的二级非线性能量阱，其特征在于，固定装置中的弹簧(14)采用交叉布置，左右两组弹簧(14)互相呈直角布局，使弹簧(14)在垂直方向上的作用力抵消。
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