CN116906498B - 一种阻尼可调的压电分流-干摩擦阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种阻尼可调的压电分流‑干摩擦阻尼器，包括限幅式干摩擦减振装置和基于压电叠堆正压电效应的压电分流阻尼系统；这种阻尼可调的压电分流‑干摩擦阻尼器具有以下优点：优点1：增加阻尼调控范围；优点2：提升阻尼器性能；优点3：结构紧凑，便于集成。

Description

一种阻尼可调的压电分流-干摩擦阻尼器

技术领域

本发明属于轴系减振技术领域，具体涉及一种阻尼可调的压电分流-干摩擦阻尼器，可用于直升机尾传动轴系、航空发动机等领域超临界转子系统的减振降噪。

背景技术

轴系在直升机、船舶、汽车等传动系统中应用广泛。随着相关装备对机动性、功重比的极致追求，轴系逐步采用超临界设计，即轴系工作转速高于其一阶固有频率。轴系在过临界转速时振动尤其剧烈；此外，对于具有花键等连接结构的柔性转子系统，在跨临界转速后还可能出现由于花键齿面等摩擦引起的自激振动问题，导致轴系在超临界转速下持续较大的振动。这些动力学问题会造成较大的噪声，严重时会影响整个轴系的安全性。

轴系减振目前主要采用了附加弹性元件、附加阻尼元件、干摩擦阻尼器、基于智能材料的控制技术等方式：

1. 附加弹性元件：

优点：可以大幅度减小轴系刚度，调节轴系的临界转速。

缺点：需要与轴系的结构参数匹配，设计参数一旦确定，适应范围有限。

2. 附加阻尼元件：

优点：将振动产生的机械能转化为热能耗散。

缺点：可能引发阻尼器锁死、双稳态等现象，导致轴系振动加剧；设计难免具有局限性。

3. 干摩擦阻尼器：

优点：结构简单、减振性能良好、设计成本低。

缺点：高速运动下可能产生温升，降低阻尼器性能。

4. 基于智能材料的控制技术：

优点：具有高频响、高功率密度、高稳定性等特点。

缺点：

形状记忆合金：需要额外增加温度控制装置，降低集成性。

磁流变阻尼器：易沉降和泄漏，降低性能。

压电材料：存在控制带宽窄、多模态振动控制能力弱等问题。

申请号为201711283377.2的中国专利公开了基于压电叠堆压电分流阻尼的减振环装置

描述：该装置被安装于轴承和支承之间，用于轴系的跨临界减振。

优点：利用压电叠堆压电分流阻尼技术，可以实现轴系的减振。

缺点：

改变了轴系原有的动力学特性，可能影响整个系统的稳定性和效率。

对于超临界状态下轴系失稳的控制能力较弱，可能无法有效抑制严重的振动问题。

申请号为201911189236.3的中国专利公开了一种多支点轴系振动抑制装置

描述：涉及限振装置，主要用于轴系跨临界减振。通过切向限振组件和径向限振组件产生干摩擦阻尼。

优点：可以在轴中部的振动达到限制幅度时加大对轴的振动抑制。

缺点：

超临界状态下轴系失稳可能导致转轴振动位移持续增加，加剧限振装置的碰撞。

持续的碰撞可能加速限振装置的磨损，降低其使用寿命和效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术中存在的以下问题：阻尼不可调节：现有的阻尼器设计通常缺乏灵活性，无法根据不同的轴系结构和运行条件进行调节。可靠性不足：由于设计和材料限制，现有的阻尼器可能在高压或高温等极端条件下失效。与轴系集成性差：现有的阻尼器通常难以与轴系完美集成，这可能会影响整体系统的性能和可靠性。超临界轴系失稳抑制能力弱：现有阻尼器通常不能有效地处理超临界轴系的振动失稳问题，特别是在高速旋转时。本发明提供了一种阻尼可调的压电分流-干摩擦阻尼器来解决上述问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种阻尼可调的压电分流-干摩擦阻尼器，包括限幅式干摩擦减振装置和基于压电叠堆正压电效应的压电分流阻尼系统；

所述限幅式干摩擦减振装置包括环形的减振支座以及设置在减振支座中的限幅环、摩擦环和摩擦垫片，所述摩擦环设置在摩擦垫片的左侧，所述限幅环固定在所述摩擦环的内圈；

所述压电分流阻尼系统由多组周向均匀分布在支撑外圈上的子系统组成，所述摩擦环的外圈与减振支座之间具有用于容纳子系统的容纳腔。

作为优选，所述限幅式干摩擦减振装置还包括预紧弹簧和调节螺栓，所述预紧弹簧位于摩擦垫片的右侧，所述调节螺栓从减振支座的外部旋入减振支座中并且将预紧弹簧压紧在摩擦垫片上。

作为优选，所述子系统包括压电叠堆和保护弹簧，所述保护弹簧具有梯形的主体结构，所述主体结构的底口的边沿设有凸边，所述压电叠堆的两端分别设置一个所述保护弹簧，所述支撑外圈设置环形的容纳腔中，通过螺栓穿过支撑外圈和保护弹簧的底端使保护弹簧的底端预紧在压电叠堆的端部，所述凸边紧贴于所述容纳腔的内壁。

作为优选，所述子系统还包括外部耗能电路，所述外部耗能电路与压电叠堆电性连接。

作为优选，所述限幅环的外圈具有定位台阶，所述摩擦环的内圈嵌套在所述定位台阶中。

作为优选，所述摩擦垫片和调节螺栓的相对面上均设置有定位圈，所述预紧弹簧的两端分别嵌入所述摩擦垫片和调节螺栓的定位圈中。

作为优选，所述摩擦环的外圈具有止口，通过螺栓穿过止口后顶靠在所述凸边上。

作为优选，所述外部耗能电路为RL串联的电阻型、RL并联的电感-电阻型或RL-C的负电容-电阻型。

本发明的有益效果是，这种阻尼可调的压电分流-干摩擦阻尼器具有以下优点：

优点1：增加阻尼调控范围

调节因素：弹簧预紧力、限幅环与转轴间隙、分流电路元件。

效果：能够根据轴系结构、运行工况和偏心量等进行调节，从而修正阻尼器对轴系自激振动的抑制效果。

优点2：提升阻尼器性能

工作机制：压电分流阻尼和干摩擦阻尼同时作用。

效果：在合适的参数配置下，能达到最佳的减振效果。单一阻尼技术（如只使用压电分流或只使用干摩擦）存在的问题（如减振效果差或零部件磨损）可以得到缓解。

优点3：结构紧凑，便于集成

设计特点：在摩擦环与支座之间集成压电分流阻尼装置。

效果：充分利用了阻尼器的内部空间，设计紧凑，同时不影响两种阻尼原理的作用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的一种阻尼可调的压电分流-干摩擦阻尼器的实施例的安装示意图。

图2是本发明的一种阻尼可调的压电分流-干摩擦阻尼器的实施例的截面图。

图3是本发明的一种阻尼可调的压电分流-干摩擦阻尼器的实施例的局部立体切面图。

图4是本发明的一种阻尼可调的压电分流-干摩擦阻尼器的实施例的压电分流阻尼系统结构示意图。

图5是本发明的一种阻尼可调的压电分流-干摩擦阻尼器的实施例的子系统的示意图。

图中1、限幅环，2、摩擦环，3、摩擦垫片，4、预紧弹簧，5、调节螺栓，6、减振支座，7、定位圈，8、定位台阶，9、压电叠堆，10、保护弹簧，11、支撑外圈，12、转轴。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1~5所示，本发明提供了一种阻尼可调的压电分流-干摩擦阻尼器的实施例，包括限幅式干摩擦减振装置和基于压电叠堆正压电效应的压电分流阻尼系统；

限幅式干摩擦减振装置包括环形的减振支座6以及设置在减振支座6中的限幅环1、摩擦环2、摩擦垫片3、预紧弹簧4和调节螺栓5，预紧弹簧4位于摩擦垫片3的右侧，调节螺栓5从减振支座6的外部旋入减振支座6中并且将预紧弹簧4压紧在摩擦垫片3上，摩擦垫片3和调节螺栓5的相对面上均设置有定位圈7，预紧弹簧4的两端分别嵌入摩擦垫片3和调节螺栓5的定位圈7中，通过定位圈7确定预紧弹簧4的位置。摩擦环2设置在摩擦垫片3的左侧，限幅环1的外圈具有定位台阶8，限幅环1通过定位台阶8套设在摩擦环2。

压电分流阻尼系统由多组周向均匀分布在支撑外圈11上的子系统组成，子系统包括压电叠堆9、保护弹簧10和外部耗能电路，外部耗能电路与压电叠堆9电性连接，摩擦环2的外圈与减振支座6之间具有用于容纳子系统的容纳腔，在摩擦环2与减振支座6之间集成压电分流阻尼系统，利用阻尼器的内部空间，结构设计紧凑，同时不影响两种阻尼原理的作用。保护弹簧10具有梯形的主体结构，主体结构的底口的边沿设有凸边，压电叠堆9的两端分别设置一个保护弹簧10，支撑外圈11设置环形的容纳腔中，通过螺栓穿过支撑外圈11和保护弹簧10的底端使保护弹簧10的底端预紧在压电叠堆9的端部，凸边紧贴于容纳腔的内壁。摩擦环2的外圈具有止口，通过螺栓穿过止口后顶靠在凸边上，可对保护弹簧10进行预压缩，进而对压电叠堆9施加预紧力。

外部耗能电路为RL串联的电阻型、RL并联的电感-电阻型或RL-C的负电容-电阻型。

使用这种阻尼可调的压电分流-干摩擦阻尼器时，将阻尼器设置转轴12的中间位置，限幅环1与转轴12之间存在径向间隙，摩擦环2的外圈与减振支座6内圈存在径向间隙。当转轴12振动位移大于限幅环1与转轴12的径向间隙时，阻尼器开始工作。阻尼器开始工作时，转轴12与摩擦环2发生碰摩，摩擦环2与减振支座6内表面和摩擦垫片3直接接触，发生干摩擦，消耗转轴12振动能量，限幅式干摩擦减振装置与压电分流阻尼系统通过多个保护弹簧10与摩擦环2相互作用，保护弹簧10具有杠杆效应，不仅可以将摩擦环2的径向运动转变为轴向运动，还能将径向力放大，并直接施加到压电叠堆9表面，通过压电叠堆9正压电效应，将轴向力转化为电能，并配合外部耗能电路将能量耗散。限幅式干摩擦减振装置与基于压电叠堆9正压电效应的压电分流阻尼系统是同时工作，协调运动。

通过调节螺栓5改变预紧弹簧4压力，可改变摩擦环2受到的摩擦力，进而调节摩擦阻尼。通过改变限幅环1内径或材质，可调整限幅环1与转轴12间隙、限幅环1材料等参数，改变阻尼器的减振效果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对所述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种阻尼可调的压电分流-干摩擦阻尼器，其特征在于，包括限幅式干摩擦减振装置和基于压电叠堆正压电效应的压电分流阻尼系统；

所述限幅式干摩擦减振装置包括环形的减振支座以及设置在减振支座中的限幅环、摩擦环和摩擦垫片，所述摩擦环设置在摩擦垫片的左侧，所述限幅环固定在所述摩擦环的内圈，限幅环与转轴之间存在径向间隙，摩擦环的外圈与减振支座内圈存在径向间隙；

所述压电分流阻尼系统由多组周向均匀分布在支撑外圈上的子系统组成，所述摩擦环的外圈与减振支座之间具有用于容纳子系统的容纳腔；

所述限幅式干摩擦减振装置还包括预紧弹簧和调节螺栓，所述预紧弹簧位于摩擦垫片的右侧，所述调节螺栓从减振支座的外部旋入减振支座中并且将预紧弹簧压紧在摩擦垫片上；

所述子系统包括压电叠堆和保护弹簧，所述保护弹簧具有梯形的主体结构，所述主体结构的底口的边沿设有凸边，所述压电叠堆的两端分别设置一个所述保护弹簧，通过螺栓穿过支撑外圈和保护弹簧的底端使保护弹簧的底端预紧在压电叠堆的端部，所述凸边紧贴于所述容纳腔的内壁。

2.根据权利要求1所述的一种阻尼可调的压电分流-干摩擦阻尼器，其特征在于，所述子系统还包括外部耗能电路，所述外部耗能电路与压电叠堆电性连接。

3.根据权利要求2所述的一种阻尼可调的压电分流-干摩擦阻尼器，其特征在于，所述限幅环的外圈具有定位台阶，所述摩擦环的内圈嵌套在所述定位台阶中。

4.根据权利要求3所述的一种阻尼可调的压电分流-干摩擦阻尼器，其特征在于，所述摩擦垫片和调节螺栓的相对面上均设置有定位圈，所述预紧弹簧的两端分别嵌入所述摩擦垫片和调节螺栓的定位圈中。

5.根据权利要求4所述的一种阻尼可调的压电分流-干摩擦阻尼器，其特征在于，所述摩擦环的外圈具有止口，通过螺栓穿过止口后顶靠在所述凸边上。

6.根据权利要求5所述的一种阻尼可调的压电分流-干摩擦阻尼器，其特征在于，所述外部耗能电路为RL串联的电阻型、RL并联的电感-电阻型或RL-C的负电容-电阻型。