CN114458732B - 一种应用于转子系统扭振抑制的间隙型非线性能量阱 - Google Patents

一种应用于转子系统扭振抑制的间隙型非线性能量阱 Download PDF

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Abstract

本发明的一种应用于转子系统扭振抑制的间隙型非线性能量阱,包括:惯性套筒、中心套筒、多根连接梁和质量盖板;惯性套筒一端面上设有多个均匀分布的间隙槽,质量盖板固定在该端面上;中心套筒与惯性套筒同轴心;连接梁包括线性刚度梁和分段线性刚度梁,多根连接梁沿惯性套筒半径方向均匀设置;线性刚度梁一端连接中心套筒,另一端固定在间隙槽内;分段线性刚度梁一端连接中心套筒,另一端位于间隙槽内,形成间隙配合;中心套筒套设在转子系统的转轴上且与转轴固定连接;质量盖板通过盖板轴承与转轴转动连接。本发明能够有效抑制转子系统的稳态扭振共振。整体结构紧凑,附加质量小,可靠性高,使用方便,不需外部提供能源。

Description

一种应用于转子系统扭振抑制的间隙型非线性能量阱
技术领域
本发明属于振动噪声控制技术领域,涉及一种应用于转子系统扭振抑制的间隙型非线性能量阱。
背景技术
振动是旋转机械安全运行的典型危害,振动过度会造成旋转机械严重破坏。旋转机械在国家工业领域中常作为核心设备,常常由于不平衡等原因产生振动,特别是对于多跨转子,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,此时会发生强烈的共振,严重影响机组的稳定运行。随着联轴器和油膜轴承技术的发展,齿轮-轴系的弯曲振动基本可以得到缓解,并限制在单个转子上。相反,不同转子之间的扭转振动耦合强烈,振动问题更加突出。齿轮-轴系具有许多扭振固有频率,在起动和停止过程中经常跨越多阶固有频率。此外,现代旋转机械的工作条件复杂多变。为了保证旋转机械的稳定运行,必须在较宽的频率范围内抑制扭转振动。因此,一种简单可靠的振动控制机构已成为研究的重点。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明的目的是提供一种应用于转子系统扭振抑制的间隙型非线性能量阱,对转子系统的宽频带振动具有很好的抑制性能。关键是对分段线性刚度梁拟合非线性立方刚度方法的利用。
本发明提供一种应用于转子系统扭振抑制的间隙型非线性能量阱,包括:惯性套筒、中心套筒、多根连接梁和质量盖板;
所述惯性套筒为圆筒状,其一端环形端面上设有多个均匀分布的间隙槽,所述质量盖板固定在该端环形端面上;所述中心套筒设置于惯性套筒内且与惯性套筒同轴心设置;多根连接梁包括线性刚度梁和分段线性刚度梁,多根连接梁沿惯性套筒的半径方向均匀设置在惯性套筒内;所述线性刚度梁一端连接中心套筒,另一端固定在对应的间隙槽内;所述分段线性刚度梁一端连接中心套筒,另一端位于对应的间隙槽内,形成间隙配合;所述中心套筒套设在转子系统的转轴上且与转轴固定连接;所述质量盖板中心位置设有盖板轴承,所述质量盖板通过盖板轴承与转轴转动连接;多根分段线性刚度梁具有不同的厚度,分段线性刚度梁和间隙槽侧壁的间隙随着分段线性刚度梁厚度的增加而增加;随着主轴扭转角的增大,分段线性刚度梁按照厚度从小到大的顺序依次与相应的间隙槽的侧壁接触。
在本发明的应用于转子系统扭振抑制的间隙型非线性能量阱中,分段线性刚度梁的数量大于线性刚度梁的数量。
在本发明的应用于转子系统扭振抑制的间隙型非线性能量阱中,包括一根线性刚度梁,线性刚度梁的厚度小于分段线性刚度梁的厚度。
在本发明的应用于转子系统扭振抑制的间隙型非线性能量阱中,包括多根线性刚度梁,多根线性刚度梁的厚度相同,线性刚度梁的厚度小于分段线性刚度梁的厚度。
在本发明的应用于转子系统扭振抑制的间隙型非线性能量阱中,所述惯性套筒一端环形端面上设有多个均匀分布的连接孔,所述质量盖板为圆盘状,质量盖板通过螺栓与连接孔配合固定在惯性套筒一端。
在本发明的应用于转子系统扭振抑制的间隙型非线性能量阱中,多根不同厚度的分段线性刚度梁与惯性套筒间隙配合,随着振幅的增大分段线性刚度梁逐一与惯性套筒接触,其刚度分段线性变化,弹性回复力呈现分段非线性特性。
在本发明的应用于转子系统扭振抑制的间隙型非线性能量阱中,所述齿轮轴系转子系统包括:电机、电机座、多个刚性转子、主动齿轮、主动转轴、从动齿轮和从动转轴;所述电机安装在电机座上,电机输出轴通过联轴器连接主动转轴,主动齿轮安装在主动转轴末端,所述从动齿轮与主动齿轮啮合后安装在从动转轴上;所述主动转轴和从动转轴上固定设置有多个刚性转子,刚性转子两侧都设有轴承支座,所述轴承支座通过内置的轴承与相应的主动转轴或从动转轴转接。
本发明的种应用于转子系统扭振抑制的间隙型非线性能量阱,至少具有以下有益效果:
1、本发明的间隙型非线性能量阱中的惯性套筒与质量盖板的固定连接避免了连接梁与惯性套筒连接后的轴向窜动,质量盖板通过轴承与轴的连接增强了支撑惯性套筒的刚度,规定了本发明的间隙型非线性能量阱的工作状态。
2、本发明的间隙型非线性能量阱中的惯性套筒上的间隙槽与连接梁的配合连接,通过调节连接梁的厚度和惯性套筒的间隙槽的宽度,使惯性套筒和分段线性刚度梁的间隙配合可调,进而调节非线性能量阱拟合出的非线性立方刚度。根据需要设计不同的间隙型非线性能量阱,能够抑制转子系统在不同的工作情况下的扭振。
3、本发明的间隙型非线性能量阱中的线性刚度梁和分段线性刚度梁的厚度不同,长度相同,通过更换不同组(分段线性的拟合规律不同,但都是立方规律变化)的分段线性刚度梁,使分段线性刚度梁和惯性套筒的间隙配合可调,进而调节间隙型非线性能量阱拟合出的非线性立方刚度。
附图说明
图1是本发明的应用于转子系统扭振抑制的间隙型非线性能量阱的结构示意图;
图2是本发明的应用于转子系统扭振抑制的间隙型非线性能量阱的另一角度的结构示意图;
图3是连接梁的结构示意图;
图4是惯性套筒的结构示意图;
图5是中心套筒的结构示意图;
图6是本发明的间隙型非线性能量阱应用于齿轮轴系转子系统的结构示意图;
图7为本案例的一种分段线性刚度与非线性立方刚度的机理拟合曲线图;
图8为本案例的齿轮轴系转子系统安装本发明的间隙型非线性能量阱前后的瞬态扭转冲击的时间衰减曲线对比图;
图9为本案例的齿轮轴系转子系统安装本发明的间隙型非线性能量阱前后的稳态扭振频率响应曲线对比图;
其中:1-电机,2-电机座,3-从动齿轮,4-轴承支座,5-轴承,6-主动转轴,7-柔性联轴器,8-刚性转子,9-刚性联轴器,10-间隙型非线性能量阱,11-主动齿轮,12-从动转轴,13-惯性套筒,14-质量盖板,15中心套筒,16-线性刚度梁,17-盖板轴承,18-螺栓,19-分段线性刚度梁,20-连接座,21-间隙槽,22-螺纹通孔,23-螺纹盲孔。
具体实施方式
如图1至6所示,本发明的一种应用于转子系统扭振抑制的间隙型非线性能量阱,包括:惯性套筒13、中心套筒15、多根连接梁和质量盖板14。
所述惯性套筒13为圆筒状,其一端环形端面上设有多个均匀分布的间隙槽21,所述质量盖14板固定在该端环形端面上。所述中心套筒15设置于惯性套筒13内且与惯性套筒13同轴心设置。多根连接梁包括线性刚度梁16和分段线性刚度梁19,多根连接梁沿惯性套筒13的半径方向均匀设置在惯性套筒13内。所述线性刚度梁16一端连接中心套筒15,另一端固定在对应的间隙槽21内。所述分段线性刚度梁19一端连接中心套筒15,另一端位于对应的间隙槽21内,形成间隙配合。所述中心套筒15套设在转子系统的转轴上且与转轴固定连接。所述质量盖板14中心位置设有盖板轴承17,所述质量盖板12通过盖板轴承17与转轴转动连接。多根分段线性刚度梁19具有不同的厚度,分段线性刚度梁19和间隙槽21侧壁的间隙随着分段线性刚度梁19厚度的增加而增加;随着振幅的增大,分段线性刚度梁19按照厚度从小到大的顺序依次与相应的间隙槽21的侧壁接触。其刚度分段线性变化,其弹性回复力呈现分段非线性特性,进而拟合非线性立方刚度。
如图3所示,连接梁由连接座20和梁体组成,梁体一端与连接座20固定连接。连接座20上设有螺孔用于与中心套筒15以及中心套筒15内的从动转轴12固定连接。
具体实施时,分段线性刚度梁19的数量大于线性刚度梁16的数量。
具体实施时,包括一根线性刚度梁16,线性刚度梁16的厚度小于分段线性刚度梁19的厚度。
具体实施时,也可以设置多根线性刚度梁16,多根线性刚度梁16的厚度相同,线性刚度梁16的厚度小于分段线性刚度梁19的厚度。
如图5所示,根据连接梁的数量不同,中心套筒15可采用不同的形状。本实施例中采用4根连接梁,其中3根据段线性刚度梁和1根线性刚度梁,相应的中心套筒15采用立方体结构。中心套筒15上设有多个螺纹通孔22,以实现将中心套筒15固定在从动转轴12上。中心套筒15上设有多个螺纹盲孔23用于与连接梁固定连接。
如图4所示,所述惯性套筒13一端环形端面上设有多个均匀分布的连接孔,所述质量盖板14为圆盘状,质量盖板14通过螺栓与连接孔配合固定在惯性套筒一端。具体实施时,也可以通过铆接或焊接的方式将质量盖板14固定在惯性套筒一端。
如图6所示,本实施例的转子系统采用齿轮轴系转子系统,具体包括:电机1、电机座2、多个刚性转子8、主动齿轮11、主动转轴6、从动齿轮3和从动转轴12。所述电机1安装在电机座2上,电机输出轴通过联轴器连接主动转轴6,主动齿轮11安装在主动转轴6末端,所述从动齿轮3与主动齿轮11啮合后安装在从动转轴12上。所述主动转轴6和从动转轴12上固定设置有多个刚性转子8,刚性转子8两侧都设有轴承支座4,所述轴承支座4通过内置的轴承5与相应的主动转轴6或从动转轴12转接。具体实施时,联轴器包括柔性连轴器7和刚性连轴器9,通过多个联轴器连接多段转轴,每段转轴上固定设置相应的刚性转子。
当本发明的间隙型非线性能量阱工作时,转子系统振动后将振动力传递给中心套筒15,进一步地,中心套筒15与线性刚度梁16振动带动惯性套筒13振动,进一步地使得惯性套筒13与3根分段线性刚度梁19依次接触碰撞,实现动态抑制扭转振动。本发明采用分段线性刚度梁19与惯性套筒13地这种间隙配合形成分段线性刚度拟合非线性立方刚度。利用了非线性能量阱机制,抑振效果良好。
本发明的间隙型非线性能量阱应用到具体的齿轮轴系转子系统抑制扭转振动的实验过程如下:
当转子系统转动时振动过小情况下,振动由中心套筒15传递给线性刚度梁16,线性刚度梁16的振动幅值小于分段线性刚度梁19与惯性套筒13间隙槽的相对间隙,此时分段线性刚度梁19与惯性套筒13不接触,只有线性刚度梁16与惯性套筒13相固定配合连接。此时该种间隙型非线性能量阱相当于一个线性能量阱,抑振效果不是很明显;
当振动过大时,厚度较小即刚度较小的分段线性刚度梁19与惯性套筒13中小宽度的间隙槽21的侧壁相接触碰撞。随着第二根,第三根分段线性刚度梁19与惯性套筒13中相应的间隙槽21接触碰撞,进而将转子系统的振动力传递给惯性套筒13,实现了动态抑制扭转振动。
随着振幅的增大,分段线性刚度梁19依次与惯性套筒13接触。通过这种方式,本发明的间隙型非线性能量阱的扭转刚度以分段线性的方式变化,可以拟合立方刚度,如图7所示,图中e1、e2、e3分别为3根分段线性刚度梁19与间隙槽21侧壁的间隙。
如图8所示,在最初的0-0.6s内,间隙型非线性能量阱对齿轮轴系转子系统的扭转冲击进行了调制。但在0.6s后,扭转振幅在一个范围内稳定,如图8中的粗黑线所示。间隙型非线性能量阱在0.6s前能及时的控制齿轮轴系转子系统的瞬态扭振,但当初始能量降至一定值时即0.6s后,间隙型非线性能量阱的影响很小或消失。
如图9所示,在17Hz时,不安装间隙型非线性能量阱的情况下,共振峰值和约为3.16度。然而,在添加间隙型非线性能量阱后,图9中的最大扭转振幅分别为0.81度。间隙型非线性能量阱的抑制率可分别达到74.3%,这也证明了安装在轴上而不是励磁源转子上的间隙型非线性能量阱可以抑制齿轮轴系转子系统的稳态共振。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明的思想,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种应用于转子系统扭振抑制的间隙型非线性能量阱,其特征在于,包括:惯性套筒、中心套筒、多根连接梁和质量盖板;
所述惯性套筒为圆筒状,其一端环形端面上设有多个均匀分布的间隙槽,所述质量盖板固定在该端环形端面上;所述中心套筒设置于惯性套筒内且与惯性套筒同轴心设置;多根连接梁包括线性刚度梁和分段线性刚度梁,多根连接梁沿惯性套筒的半径方向均匀设置在惯性套筒内;所述线性刚度梁一端连接中心套筒,另一端固定在对应的间隙槽内;所述分段线性刚度梁一端连接中心套筒,另一端位于对应的间隙槽内,形成间隙配合;所述中心套筒套设在转子系统的转轴上且与转轴固定连接;所述质量盖板中心位置设有盖板轴承,所述质量盖板通过盖板轴承与转轴转动连接;多根分段线性刚度梁具有不同的厚度,分段线性刚度梁和间隙槽侧壁的间隙随着分段线性刚度梁厚度的增加而增加;随着主轴扭转角的增大,分段线性刚度梁按照厚度从小到大的顺序依次与相应的间隙槽的侧壁接触;
多根不同厚度的分段线性刚度梁与惯性套筒间隙配合,随着振幅的增大分段线性刚度梁逐一与惯性套筒接触,其刚度分段线性变化,弹性回复力呈现分段非线性特性。
2.如权利要求1所述的应用于转子系统扭振抑制的间隙型非线性能量阱,其特征在于,分段线性刚度梁的数量大于线性刚度梁的数量。
3.如权利要求1所述的应用于转子系统扭振抑制的间隙型非线性能量阱,其特征在于,包括一根线性刚度梁,线性刚度梁的厚度小于分段线性刚度梁的厚度。
4.如权利要求1所述的应用于转子系统扭振抑制的间隙型非线性能量阱,其特征在于,包括多根线性刚度梁,多根线性刚度梁的厚度相同,线性刚度梁的厚度小于分段线性刚度梁的厚度。
5.如权利要求1所述的应用于转子系统扭振抑制的间隙型非线性能量阱,其特征在于,所述惯性套筒一端环形端面上设有多个均匀分布的连接孔,所述质量盖板为圆盘状,质量盖板通过螺栓与连接孔配合固定在惯性套筒一端。
6.如权利要求1所述的应用于转子系统扭振抑制的间隙型非线性能量阱,其特征在于,所述转子系统包括:电机、电机座、多个刚性转子、主动齿轮、主动转轴、从动齿轮和从动转轴;所述电机安装在电机座上,电机输出轴通过联轴器连接主动转轴,主动齿轮安装在主动转轴末端,所述从动齿轮与主动齿轮啮合后安装在从动转轴上;所述主动转轴和从动转轴上固定设置有多个刚性转子,刚性转子两侧都设有轴承支座,所述轴承支座通过内置的轴承与相应的主动转轴或从动转轴转接。
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