CN113074216A - 一种超临界轴系振动抑制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超临界轴系振动抑制装置，涉及振动抑制技术领域，包括基座和外框架，外框架与基座固定连接，外框架垂直于轴系的方向为敞口结构，外框架内部的每个壁面上均固定连接有压紧机构；压紧机构上连接有板簧，板簧平行于压紧机构与外框架的连接面，板簧的第一端与压紧机构固定连接；板簧围合的区域内悬置有导向套，导向套与每一个板簧的第二端接触；导向套内连接有阻尼环，轴系设置在阻尼环内。本发明采用层叠式板簧、浮动式的阻尼环设计，使减振装置具有非线性刚度特性，实现良好的振动抑制，并避免了轴系与减振装置的剧烈碰摩。

Description

一种超临界轴系振动抑制装置

技术领域

本发明涉及振动抑制技术领域，具体地，涉及一种超临界轴系振动抑制装置。

背景技术

采用超临界设计的轴系可以满足旋转机械高速、高功重比和低能耗等设计要求，在航空传动系统、大型汽轮机组和舰船燃气轮机等旋转机械中具有广泛应用。然而，在旋转机械振动/加速或者减速/停车过程中，轴系要越过临界转速。临界转速下，转子系统发生共振，轴心轨迹幅值急剧增大，容易引起轴系与静止部件发生碰摩，可能导致部件损坏。此外，高速旋转机械存在油膜力、连接界面内摩擦等强非线性激励源，在转子系统一定的运行条件下，当转速达到一定值，可能导致轴系运动失稳，振动幅值突然增大，严重时将危及设备安全，甚至导致轴系损害而引发严重事故。因此，需要寻求有效的超临界轴系振动抑制方法，以保证超临界轴系的服役性能和可靠性。

针对以上需求，国内外对于超临界轴系进行振动抑制的主要措施有：优化转子临界转速设计、提高转子动平衡精度、改善转子加工和装配精度、或者采用一些振动抑制装置。目前超临界轴系应用的主要抑振装置为阻尼环限幅结构等被动装置和电磁轴承等主动装置。阻尼环限幅结构与转子之间通常留有较大径向间隙以限制轴系振幅增长。然而，实际应用中，转子振幅达到阻尼环间隙时，轴系往往已经出现失稳故障甚至部件失效，这意味着阻尼环对轴系失稳控制效果不明显。主动式减振装置可根据轴系振动情况实时调控，且抑振带宽大、控制精度高，但设计成本和技术难度相对较高，且机构复杂，并且需要稳定能源供给，使其实际应用性降低。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种超临界轴系振动抑制装置，对轴系振动进行抑振，并避免轴系与减振装置的剧烈碰摩。

根据本发明提供的一种超临界轴系振动抑制装置，包括基座和外框架，所述外框架与所述基座固定连接，其特征在于，所述外框架垂直于轴系的方向为敞口结构，所述外框架内部的每个壁面上均固定连接有压紧机构；所述压紧机构上连接有板簧，所述板簧平行于所述压紧机构与所述外框架的连接面，所述板簧的第一端与所述压紧机构固定连接；所述板簧围合的区域内悬置有导向套，所述导向套与每一个所述板簧的第二端接触；所述导向套内连接有阻尼环，轴系设置在所述阻尼环内。

进一步地，所述外框架沿垂向中心线剖分成上下两部分，所述外框架的上下两部分间通过贯穿螺钉连接。

进一步地，所述导向套沿径向中心线剖分成对称的半环体，所述半环体的外半圆周面上设置有槽孔，所述半环体的对接面处分别设置有与槽孔相同的螺纹孔，所述半环体通过贯穿螺钉连接。

进一步地，所述导向套的内表面沿轴向方向设有T型环槽，每组所述T型环槽内安装有所述阻尼环。

进一步地，所述阻尼环包括柔性刷丝束、前耐磨阻尼板、后耐磨阻尼板；所述前耐磨阻尼板和所述后耐磨阻尼板的高度相同，所述柔性刷丝束压紧夹持于所述前耐磨阻尼板和所述后耐磨阻尼板之间，所述前耐磨阻尼板、所述柔性刷丝束和所述后耐磨阻尼板焊接形成所述阻尼环。

进一步地，所述柔性刷丝束为钴基合金细刷丝，所述柔性刷丝束采用叉排管束排列方式，所述柔性刷丝束在周向平面内与所述导向套的径向呈40°-50°倾角。

进一步地，所述板簧为层叠式结构，所述板簧的材料为聚氨酯基复合板。

进一步地，所述板簧的各层伸出长度由所述导向套侧向所述压紧机构侧逐渐变短。

进一步地，所述压紧机构包括板簧连接块，所述板簧通过螺钉与所述板簧连接块连接，所述板簧连接块与所述外框架平行于所述板簧的壁面通过螺钉连接，所述外框架在连接处设置有凹槽，所述凹槽上的开孔为槽孔。

进一步地，所述压紧机构还包括端盖和凸台长螺钉，所述端盖设置在所述外框架垂直于所述板簧的壁面的外侧，所述端盖通过螺钉与所述外框架连接；所述凸台长螺钉的凸台的两端分别抵住所述端盖和所述外框架，所述凸台长螺钉穿过所述外框架的壁面与所述板簧连接块连接。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明采用层叠式聚氨酯基复合材料板簧、浮动式的刷式阻尼环设计方式，使减振装置具有非线性刚度特性，实现良好的振动抑制，并避免了轴系与减振装置的剧烈碰摩。

2、本发明采用钴基合金细刷丝束，利用其低摩阻、耐磨和耐高温特性，使本发明具有很好的高转速环境适应性。

3、本发明各组成部分之间结构简单紧凑、质量轻，采用整体剖分式结构型式，便于拆装，容易满足装配工艺需求，且成本较低。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的超临界轴系振动抑制装置的整体装配图；

图2所示本发明提供的超临界轴系振动抑制装置的爆炸图；

图3为本发明提供的超临界轴系振动抑制装置的导向套剖分结构图；

图4为本发明提供的超临界轴系振动抑制装置的减振结构示意图；

图5为本发明提供的超临界轴系振动抑制装置的柔性刷丝束示意图；

图6为本发明提供的超临界轴系振动抑制装置的压紧机构示意图。

图中：

1-基座；

2-外框架；

3-压紧机构；

31-板簧连接块；

32-端盖；

33-凸台长螺钉；

4-板簧；

5-导向套；

6-阻尼环；

61-柔性刷丝束；

62-前耐磨阻尼板；

63-后耐磨阻尼板；

7-转子。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1和图2所示，本发明的超临界轴系振动抑制装置，包括基座1，基座1通过螺栓与台架或者基础连接。基座1上设置有外框架2，外框架2底部通过螺钉与基座1连接。外框架2以其垂向中心线剖分成上下框架，上下框架间通过贯穿螺钉连接，以便于对部件安装、拆卸、检查等操作。外框架2垂直于轴系的方向为敞口结构，本实施例中，外框架2垂直于轴系的截面为正四边形，外框架2内部的四个壁面上均设置有压紧机构3，压紧机构3设置在靠近外框架2的壁面夹角的位置。每一个压紧机构3上均设置有板簧4，板簧4平行于压紧机构3与外框架2的连接面。板簧4的一端与压紧机构3连接，板簧4的另一端伸向外框架2的内部区域，四个板簧4的端部围合成一个区域，板簧4的端部围合成的区域内悬置有导向套5，导向套5的表面连接有阻尼环6，轴系置于阻尼环6内部。

如图3所示，导向套5以其径向中心线分成对称的半环体，在半环体的外半圆周面上设有槽孔，在两个半环体对接面处分别设有与外半圆槽孔相通的螺纹孔，两个半环体通过贯穿螺钉连接形成一轴孔，实现两个半环体的连接。导向套5的半环体在内半圆面沿轴向方向设有一组或多组T型环槽，每组环槽内安装阻尼环6。

如图4所示，阻尼环6包括柔性刷丝束61、前耐磨阻尼板62和后耐磨阻尼板63，柔性刷丝束61压紧夹持于前耐磨阻尼板62和后耐磨阻尼板63之间，前耐磨阻尼板62、柔性刷丝束61和后耐磨阻尼板63通过电子束焊等焊接工艺连接形成阻尼环6整体。前耐磨阻尼板62和后耐磨阻尼板63具有相同高度，柔性刷丝束61外径与前耐磨阻尼板62和后耐磨阻尼板63的外径相同。前耐磨阻尼板62和后耐磨阻尼板63均设有与导向套5的T型环槽配合的凸台，阻尼环6外径与导向套5的T型环槽内径相同，阻尼环6置于导向套5的T型环槽内。

根据轴系振动响应控制的实际需求，前耐磨阻尼板62、后耐磨阻尼版63与转子7之间预设间隙，且前耐磨阻尼板62、后耐磨阻尼板63与转子7的间隙大小相同。柔性刷丝束61自由端突出于前耐磨阻尼板62和后耐磨阻尼板63，柔性刷丝束61的内周与转子7周向贴合接触。

柔性刷丝束61包括紧密排列的钴基合金细刷丝，柔性刷丝束61采用叉排管束排列方式，如图5所示，柔性刷丝束61在周向平面内与转子7径向方向呈40°-50°倾角排列。

阻尼环6采用整体式或分段式结构，整体式结构包括两组半环，两组半环通过V形接口压紧连接；分段式结构包括多组环段，各环段之间通过V形接口压紧连接。

前耐磨阻尼板62和后耐磨阻尼板63优选聚四氟乙烯基复合材料。在柔性刷丝束61对应的转子7表面进行石墨涂层沉积，使柔性刷丝束61与转子7表面的石墨烯涂层形成低摩擦界面。

如图1和图2所示，板簧4为层叠式结构，由多片具有不同伸出长度的等截面聚氨酯复合材料板组合而成。板簧4采用复合材料，使结构轻量化，并具有更高的疲劳寿命和粘弹性阻尼。每个板簧4的最内层复合材料置于导向套5的外圆表面槽，通过调整板簧4的预紧载荷调整导向套5的位置。如图1中所示的位置，左上方和右下方的板簧4限制导向套5的垂向位移，左下方和右上方的板簧4限制导向套5的水平位移。板簧4各层伸出长度由导向套5一侧向外框架2一侧逐渐变短，通过层叠设计，使板簧4能够实现非线性刚度特性，并具有良好的变形协调能力。板簧4各层伸出长度根据装备载荷状态、质量要求和刚度要求进行优化获得。

如图1和图2所示，压紧机构3包括板簧连接块31、端盖32和凸台长螺钉33，板簧4通过螺钉与板簧连接块31连接，板簧连接块31与外框架2平行于板簧4的壁面通过螺钉连接，外框架2在连接处设置凹槽，凹槽上开有槽孔，在使用中，由槽孔处螺钉和压紧机构3配合可改变板簧连接块31的位置，进而改变板簧4的伸出长度，用于调整板簧4的支承刚度。如图6所示，凸台长螺钉33的凸台上端抵住端盖32内侧定位面，凸台长螺钉33的凸台下端抵住外框架2的壁面，板簧连接块31中央平行于板簧4设有贯穿螺纹孔，凸台长螺钉33穿过外框架2和板簧连接块31连接；端盖32上设有四个螺纹孔，通过螺钉使端盖32与外框架2连接，进一步提高整体结构强度。通过在板簧连接块31与板簧4之间添加不同厚度垫片可以改变板簧4的预紧载荷。

本发明提供的超临界轴系振动抑制装置，当转子7振动幅度小于阻尼环6间隙时，柔性刷丝束61沿转子7表面滑动，一方面，柔性刷丝束61具有较小柔性，可动态适应转子7瞬间径向变形及偏心运行，并能迅速恢复原状；另一方面，柔性刷丝束61仅起到小弹簧作用，具有较小刚度，柔性刷丝束61与转子7的石墨烯涂层之间的摩擦作用可起到一定的阻尼抑振作用，不改变轴系超临界状态。当转子7跨临界共振或者出现失稳情形，轴系振动幅度逐渐增大，柔性刷丝束61被逐渐压紧，柔性刷丝束61间的摩擦增大并出现压力钢化。随着振动幅度达到前耐磨阻尼板62、后耐磨阻尼板63的间隙，板簧4发挥作用，减振装置刚度发生切换，转子7的状态从超临界状态转化至亚临界状态，转子7的振动落入非共振或非失稳区域。另外，板簧4通过叠片之间的摩擦以及自身粘弹性阻尼进一步耗散转轴能量，转子7的振动得以抑制。在振动衰减至小于前耐磨阻尼板62和后耐磨阻尼板63的间隙后，柔性刷丝束61迅速恢复原状。

本发明的超临界轴系振动抑制装置，采用层叠式聚氨酯基复合材料板簧、浮动式的刷式阻尼环设计方式，使减振装置具有非线性刚度特性，实现良好的振动抑制，并避免了轴系与减振装置的剧烈碰摩，具有良好的技术效果。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种超临界轴系振动抑制装置，包括基座和外框架，所述外框架与所述基座固定连接，其特征在于，所述外框架垂直于轴系的方向为敞口结构，所述外框架内部的每个壁面上均固定连接有压紧机构；所述压紧机构上连接有板簧，所述板簧平行于所述压紧机构与所述外框架的连接面，所述板簧的第一端与所述压紧机构固定连接；所述板簧围合的区域内悬置有导向套，所述导向套与每一个所述板簧的第二端接触；所述导向套内连接有阻尼环，轴系设置在所述阻尼环内。

2.根据权利要求1所述的超临界轴系振动抑制装置，其特征在于，所述外框架沿垂向中心线剖分成上下两部分，所述外框架的上下两部分间通过贯穿螺钉连接。

3.根据权利要求1所述的超临界轴系振动抑制装置，其特征在于，所述导向套沿径向中心线剖分成对称的半环体，所述半环体的外半圆周面上设置有槽孔，所述半环体的对接面处分别设置有与槽孔相同的螺纹孔，所述半环体通过贯穿螺钉连接。

4.根据权利要求1所述的超临界轴系振动抑制装置，其特征在于，所述导向套的内表面沿轴向方向设有T型环槽，每组所述T型环槽内安装有所述阻尼环。

5.根据权利要求4所述的超临界轴系振动抑制装置，其特征在于，所述阻尼环包括柔性刷丝束、前耐磨阻尼板、后耐磨阻尼板；所述前耐磨阻尼板和所述后耐磨阻尼板的高度相同，所述柔性刷丝束压紧夹持于所述前耐磨阻尼板和所述后耐磨阻尼板之间，所述前耐磨阻尼板、所述柔性刷丝束和所述后耐磨阻尼板焊接形成所述阻尼环。

6.根据权利要求5所述的超临界轴系振动抑制装置，其特征在于，所述柔性刷丝束为钴基合金细刷丝，所述柔性刷丝束采用叉排管束排列方式，所述柔性刷丝束在周向平面内与所述导向套的径向呈40°-50°倾角。

7.根据权利要求1所述的超临界轴系振动抑制装置，其特征在于，所述板簧为层叠式结构，所述板簧的材料为聚氨酯基复合板。

8.根据权利要求7所述的超临界轴系振动抑制装置，其特征在于，所述板簧的各层伸出长度由所述导向套侧向所述压紧机构侧逐渐变短。

9.根据权利要求1所述的超临界轴系振动抑制装置，其特征在于，所述压紧机构包括板簧连接块，所述板簧通过螺钉与所述板簧连接块连接，所述板簧连接块与所述外框架平行于所述板簧的壁面通过螺钉连接，所述外框架在连接处设置有凹槽，所述凹槽上的开孔为槽孔。

10.根据权利要求9所述的超临界轴系振动抑制装置，其特征在于，所述压紧机构还包括端盖和凸台长螺钉，所述端盖设置在所述外框架垂直于所述板簧的壁面的外侧，所述端盖通过螺钉与所述外框架连接；所述凸台长螺钉的凸台的两端分别抵住所述端盖和所述外框架，所述凸台长螺钉穿过所述外框架的壁面与所述板簧连接块连接。

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