CN114877019A - 一种用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明的一种用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器，包括橡胶盘、第一金属盘、驱动惯容盘、中介轮、从动惯容盘、第二金属盘、第一轴承、基体轴；橡胶盘通过盈配合安装在第一金属盘中，驱动惯容盘同轴心固定在第一金属盘上组成驱动部件，第一轴承通过盈配合安装在第二金属盘中，从动惯容盘同轴心固定在第二金属盘上组成从动部件；驱动部件、中介轮和从动部件依次套装在基体轴上，驱动部件和中介轮都与基体轴固定安装，从动部件通过第一轴承与基体轴转动连接；驱动部件与从动部件通过中介轮进行传动，基体轴与转子系统的输出轴通过联轴器连接。本发明的惯容超材料隔振器能有效抑制转子系统的稳态扭转振动，实现转子系统的低频、宽频抑振效果。

Description

一种用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器

技术领域

本发明属于振动控制技术领域，涉及一种用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器。

背景技术

旋转机械在航空制造、机械制造、交通运输等领域有着广泛的应用。然而转子系统的振动问题一直是影响旋转机械可靠性的主要因素。针对转子系统的振动抑制方法中，目前较为常用的是在转子系统上附加吸振器，但传统的被动、主动吸振器抑振方法均存在一定的不足。

声学超材料结构是人工复合的含有多种材料的新型结构，其可以在特定频率范围内阻止弹性波在介质中进行传播，这种特性在转子系统抑振领域有着很好的应用前景。但目前声学超材料结构在低频振动抑制中普遍存在结构过大的问题，这极大程度的限制了声学超材料结构在低频振动抑制的实际应用。

综上，为了满足现代旋转机械低频、宽频扭振抑制以及隔振器小型化、轻量化的要求，要设计一种结构简单、紧凑的机构来抑制转子系统的扭转振动。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器，可以克服传统的被动、主动吸振器存在的固有缺点，同时结构简单、紧凑，可以实现对不同工况的抑振效果。

本发明提供一种用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器，该惯容超材料隔振器用于与转子系统配合，实现转子系统的扭振抑制，包括：橡胶盘、第一金属盘、驱动惯容盘、中介轮、从动惯容盘、第二金属盘、第一轴承、基体轴；

所述第一金属盘和第二金属盘为圆环状，橡胶盘以过盈配合的方式安装在第一金属盘中，所述驱动惯容盘同轴心固定在第一金属盘上组成驱动部件，所述第一轴承以过盈配合的方式安装在第二金属盘中，从动惯容盘同轴心固定在第二金属盘上组成从动部件；所述驱动部件、中介轮和从动部件依次套装在基体轴上，驱动部件和中介轮都与基体轴固定安装，从动部件通过第一轴承与基体轴转动连接；所述驱动部件与从动部件通过中介轮进行传动，所述基体轴与转子系统的输出轴通过联轴器连接。

在本发明的用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器中，所述中介轮由中心套筒和从中心套筒向两侧延伸的两根柔性传动梁组成，两根柔性传动梁长度相同且位于同一直径上；所述柔性传动梁采用边缘厚中间薄的形式，以在中间形成柔性区域；驱动惯容盘与从动惯容盘通过中介轮的柔性传动梁进行传动。

在本发明的用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器中，所述驱动惯容盘上设有四个驱动惯容块且设置在同一圆周上，四个驱动惯容块两两一组相对设置，每组的两个驱动惯容块相对的一端都设有驱动惯容块凸起，所述中介轮的两根柔性传动梁的末端分别设置到两组驱动惯容块之间，驱动惯容块凸起与柔性区域接触。

在本发明的用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器中，所述从动惯容盘上设有四个从动惯容块且设置在同一圆周上，四个从动惯容块两两一组相对设置，每组的两个从动惯容块相对的一端都设有从动惯容块凸起，从动惯容块所在的圆周半径小于驱动惯容块所在的圆周半径，所述中介轮的两根柔性传动梁的中部分别设置到两组从动惯容块之间，从动惯容块凸起与柔性区域接触。

在本发明的用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器中，所述驱动部件和从动部件组成惯容机构，通过改变驱动惯容块、从动惯容块与中介轮的柔性传动梁的相对位置以改变惯容机构的传动比，从而调节惯容机构的等效质量大小。

在本发明的用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器中，所述驱动部件和从动部件组成惯容机构，通过更换不同直径的第二金属盘调节惯容机构的等效质量的大小，进而使惯容超材料隔振器实现对不同工况的抑振效果。

在本发明的用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器中，所述驱动惯容盘、中介轮和从动惯容盘都采用PLA材料通过3D打印制成。

在本发明的用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器中，所述转子系统包括：电动机、电动机底座、联轴器和多个轴承支座，所述电动机固定在电动机底座上，电动机的输出轴通过联轴器与基体轴连接，所述基体轴通过多个轴承支座支撑，基体轴与轴承支座内嵌的第二轴承转动连接；所述转子系统设置一个或多个惯容超材料隔振器，所述惯容超材料隔振器的驱动部件设置在靠近电动机的一侧。

本发明的一种用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器，至少具有以下有益效果：

1、本发明中的驱动部件、从动部件与基体轴之间的配合方式为过盈配合，保证了各部件不可沿轴向窜动；中介轮固定安装在基体轴上，保证了中介轮不可沿轴向窜动；各部件以中介轮为标准进行安装，保证各部位安装的准确性，规定了本装置的工作状态。

2、中介轮固定在基体轴上做旋转运动，使中介轮在空间上相对于转子系统的位置不发生变化，驱动惯容块和从动惯容块与中介轮的柔性传动梁的相对位置以改变惯容机构的传动比，从而调节惯容机构的等效质量的大小。

3、通过更换不同直径的第二金属盘可以调节惯容机构的等效质量的大小，进而使惯容超材料隔振器可以实现对不同工况的抑振效果。

4、本发明利用惯容技术与声学超材料结构结合，通过驱动部件与从动部件结合的方式，可以较大幅度的调节惯容机构的等效质量的大小。整套装置的设计合理，结构简单紧凑，应用性强，克服了现有超材料结构减振应用质量过大的短板。振动抑制效果显著，弥补了目前扭振抑制领域的不足。

5、本发明能够有效抑制转子系统的稳态扭转振动，实现转子系统的低频、宽频抑振效果。应用了惯容技术有效的解决了现有声学超材料技术应用于低频抑振中散射体质量过大的问题，可靠性高，使用方便，不需外部提供能源。

附图说明

图1是本发明的一种用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器的示意图；

图2为第一金属盘和橡胶盘的安装示意图；

图3为驱动惯容盘的结构示意图；

图4为中介轮的结构示意图；

图5为第二金属盘和第一轴承的安装示意图；

图6为从动惯容盘的结构示意图；

图7为多个惯容超材料隔振器安装在转子系统的结构示意图；

图8为不加装惯容超材料隔振器的转子系统的振动传输损失曲线；

图9为按间距80mm加装惯容超材料隔振器的转子系统的振动传输损失曲线；

图10为按间距100mm加装惯容超材料隔振器的转子系统的振动传输损失曲线；

图11为按间距120mm加装惯容超材料隔振器的转子系统的振动传输损失曲线；

其中，1-电动机，2-电动机底座，3-联轴器，4-基体轴，5-第二轴承，6-轴承支座，7-橡胶盘，8-第一金属盘，9-驱动惯容盘，10-驱动惯容块，11-惯容驱动块凸起，12-柔性传动梁，13-中介轮，14-从动惯容盘，15-从动惯容块，16-从动惯容块凸起，17-第二金属盘，18-第一轴承。

具体实施方式

如图1至图6所示，本发明的一种用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器，用于与转子系统配合，实现转子系统的扭振抑制。具体包括：橡胶盘7、第一金属盘8、驱动惯容盘9、中介轮13、从动惯容盘14、第二金属盘17、第一轴承18、基体轴4。

所述第一金属盘8和第二金属盘17都为圆环状，橡胶盘7以过盈配合的方式安装在第一金属盘8中，所述驱动惯容盘9同轴心固定在第一金属盘8上组成驱动部件。所述第一轴承18以过盈配合的方式安装在第二金属盘17中，第一轴承18的外圈与第二金属盘17内壁固定连接，从动惯容盘14同轴心固定在第二金属盘17上组成从动部件。所述驱动部件、中介轮13和从动部件依次套装在基体轴4上，驱动部件和中介轮13都与基体轴14过盈配合固定安装，从动部件通过第一轴承18与基体轴4转动连接。所述驱动部件与从动部件通过中介轮13进行传动，所述基体轴4与转子系统的输出轴通过联轴器3连接。

如图4所示，所述中介轮13由中心套筒和从中心套筒向两侧延伸的两根柔性传动梁12组成，两根柔性传动梁12长度相同且位于同一直径上。所述柔性传动梁12采用边缘厚中间薄的形式，以在中间形成柔性区域。驱动惯容盘9与从动惯容盘14通过中介轮13的柔性传动梁12进行传动。

如图3所示，所述驱动惯容盘9上设有四个驱动惯容块10且设置在同一圆周上，四个驱动惯容块10两两一组相对设置，每组的两个驱动惯容块10相对的一端都设有惯容驱动块凸起11，所述中介轮13的两根柔性传动梁12的末端分别设置到两组驱动惯容块9之间，驱动惯容块凸起11与柔性区域接触。

如图5所示，所述从动惯容盘14上设有四个从动惯容块15且设置在同一圆周上，四个从动惯容块15两两一组相对设置，每组的两个从动惯容块15相对的一端都设有从动惯容块凸起16，从动惯容块15所在的圆周半径小于驱动惯容块10所在的圆周半径。所述中介轮13的两根柔性传动梁12的中部分别设置到两组从动惯容块15之间，从动惯容块凸起16与柔性区域接触。

所述驱动部件和从动部件组成惯容机构，通过改变驱动惯容块10和从动惯容块15与柔性传动梁12的相对位置以改变惯容机构的传动比，从而调节惯容机构的等效质量大小。通过更换不同直径的第二金属盘17调节惯容机构的等效质量的大小，进而使惯容超材料隔振器实现对不同工况的抑振效果。

具体实施时，所述驱动惯容盘9、中介轮13和从动惯容盘14都采用PLA材料通过3D打印制成。

本发明的抑振原理：本发明的驱动部件和基体轴构成一种超材料结构，其采用橡胶盘和密度较大的第一金属盘组成，因为超材料结构具备带隙特性，即弹性波在带隙范围内不能传播的特性，能够实现转子系统的抑振效果，但是转子系统的抑振频率与第一金属盘的尺寸关系密切，想要获得低频的抑振效果需要把第一金属盘的尺寸设计的很大，这不仅会增加基体轴的受力，影响其寿命，还会占据较大的工作空间，不利于实际应用，所以本申请中提出利用惯容技术，采用驱动部件与从动部件通过中介轮传动的方式，第二金属盘可以转化为等效质量加到第一金属盘上，这样可以获得较大的等效金属盘尺寸，弥补了传统超材料结构抑振尺寸、质量过大的缺点，可以实现以较小的隔振器尺寸抑制转子系统低频振动。

具体实施时，本发明的多个惯容超材料隔振器可以同时设置在转子系统中。具体的，转子系统包括：电动机1、电动机底座2、联轴器3和多个轴承支座6，所述电动机1固定在电动机底座2上，电动机1的输出轴通过联轴器3与基体轴4连接，所述基体轴4通过多个轴承支座6支撑。基体轴4与轴承支座6内嵌的第二轴承5转动连接。所述转子系统可以设置一个或多个惯容超材料隔振器，所述惯容超材料隔振器的驱动部件设置在靠近电动机的一侧，从动部件设置在远离电动机的一侧。

转子系统工作时，基体轴4带动驱动部件做扭转运动；中介轮13相对于转子系统在空间上的位置是不变的；在转子系统工作时，驱动部件会通过固定在轴上的中介轮13中的柔性传动梁12将转动惯量传递给从动部件。由于在组建转子系统时，转子系统中惯容超材料隔振器的个数、第二金属盘17的直径以及中介轮13上柔性传动梁12的传动比都是可以调节的，所以所设计惯容超材料隔振器可以抑制不同工种情况下的振动。

如图7所示，将本发明的多个惯容超材料隔振器应用到简单转子系统中时，从电动机1开始通过联轴器3连接的400mm基体轴4上均匀分布五个惯容超材料隔振器，通过第二轴承5和轴承支座6共同限制整个转子系统的弯曲振动。分别对不加装惯容超材料隔振器的基体轴4，间距80mm加装惯容超材料隔振器、间距100mm加装惯容超材料隔振器、间距120mm加装惯容超材料隔振器四种工况下转子系统的振动传输损失曲线进行绘制。

在上述条件下进行了扫频仿真计算。图8-11给出了四种工况下转子系统振动传输损失曲线，图8为只存在基体轴的振动曲线，其对转子系统的扭转振动并没有抑制效果。图9为加装惯容超材料隔振器，加装隔振器的间距80mm，其对转子系统的最大抑振效果出现在165Hz，为94dB。图10为加装惯容超材料隔振器，加装隔振器的间距100mm，其对转子系统的最大抑振效果出现在131Hz，为87dB。图11为加装惯容超材料隔振器，加装隔振器的间距120mm，其对转子系统的最大抑振效果出现在32Hz，为82dB。随着惯容超材料隔振器间距的增大，其抑振效果略有降低，但最大隔振效果出现的频率范围大幅衰减，有助于转子系统的低频抑振。

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 (8)

1.一种用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器，其特征在于，该惯容超材料隔振器用于与转子系统配合，实现转子系统的扭振抑制，包括：橡胶盘、第一金属盘、驱动惯容盘、中介轮、从动惯容盘、第二金属盘、第一轴承、基体轴；

所述第一金属盘和第二金属盘为圆环状，橡胶盘以过盈配合的方式安装在第一金属盘中，所述驱动惯容盘同轴心固定在第一金属盘上组成驱动部件，所述第一轴承以过盈配合的方式安装在第二金属盘中，从动惯容盘同轴心固定在第二金属盘上组成从动部件；所述驱动部件、中介轮和从动部件依次套装在基体轴上，驱动部件和中介轮都与基体轴固定安装，从动部件通过第一轴承与基体轴转动连接；所述驱动部件与从动部件通过中介轮进行传动，所述基体轴与转子系统的输出轴通过联轴器连接。

2.如权利要求1所述的用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器，其特征在于，所述中介轮由中心套筒和从中心套筒向两侧延伸的两根柔性传动梁组成，两根柔性传动梁长度相同且位于同一直径上；所述柔性传动梁采用边缘厚中间薄的形式，以在中间形成柔性区域；驱动惯容盘与从动惯容盘通过中介轮的柔性传动梁进行传动。

3.如权利要求2所述的用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器，其特征在于，所述驱动惯容盘上设有四个驱动惯容块且设置在同一圆周上，四个驱动惯容块两两一组相对设置，每组的两个驱动惯容块相对的一端都设有驱动惯容块凸起，所述中介轮的两根柔性传动梁的末端分别设置到两组驱动惯容块之间，驱动惯容块凸起与柔性区域接触。

4.如权利要求3所述的用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器，其特征在于，所述从动惯容盘上设有四个从动惯容块且设置在同一圆周上，四个从动惯容块两两一组相对设置，每组的两个从动惯容块相对的一端都设有从动惯容块凸起，从动惯容块所在的圆周半径小于驱动惯容块所在的圆周半径，所述中介轮的两根柔性传动梁的中部分别设置到两组从动惯容块之间，从动惯容块凸起与柔性区域接触。

5.如权利要求4所述的用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器，其特征在于，所述驱动部件和从动部件组成惯容机构，通过改变驱动惯容块、从动惯容块与中介轮的柔性传动梁的相对位置以改变惯容机构的传动比，从而调节惯容机构的等效质量大小。

6.如权利要求4所述的用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器，其特征在于，所述驱动部件和从动部件组成惯容机构，通过更换不同直径的第二金属盘调节惯容机构的等效质量的大小，进而使惯容超材料隔振器实现对不同工况的抑振效果。

7.如权利要求1所述的用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器，其特征在于，所述驱动惯容盘、中介轮和从动惯容盘都采用PLA材料通过3D打印制成。

8.如权利要求4所述的用于转子系统扭振抑制的惯容超材料隔振器，其特征在于，所述转子系统包括：电动机、电动机底座、联轴器和多个轴承支座，所述电动机固定在电动机底座上，电动机的输出轴通过联轴器与基体轴连接，所述基体轴通过多个轴承支座支撑，基体轴与轴承支座内嵌的第二轴承转动连接；所述转子系统设置一个或多个惯容超材料隔振器，所述惯容超材料隔振器的驱动部件设置在靠近电动机的一侧。

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