CN2769611Y - 带金属橡胶外环的自适应挤压油膜阻尼器 - Google Patents

带金属橡胶外环的自适应挤压油膜阻尼器 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种带金属橡胶外环的自适应挤压油膜阻尼器，该阻尼器作为旋转机械转子系统的弹性支承，具有良好的减振效果。在本实用新型挤压油膜阻尼器包括金属橡胶组件，其安装在油膜轴颈与轴承座之间的轴承端。金属橡胶组件由内环、内环端盖、金属橡胶套环、外环、外环端盖、内环垫环和外环垫环组成，金属橡胶套环被夹装在内环和外环之间，形成过盈配合。内环端盖和内环垫环安装在内环的端面上，外环端盖和外环垫环安装在外环的端面上，内环与油膜轴颈之间形成间隙，润滑油由轴承座上的油孔引入，沿圆周充满此间隙，并沿轴向向两端流出，形成循环流动。

Description

带金属橡胶外环的自适应挤压油膜阻尼器
技术领域
本实用新型涉及一种适用于高速旋转机械转子系统的减振装置，具体地说，是指一种带金属橡胶外环的自适应挤压油膜阻尼器。
背景技术
高性能、高可靠性的航空发动机等高速旋转机械的研制要求转子系统具有优良的阻尼减振器，以确保转子系统接近临界转速和通过多阶临界转速的振动得到有效的控制。挤压油膜阻尼器(squeeze film damper，SFD)因结构简单、体积小、重量轻、成本低廉、减振效果显著等优点，已广泛应用于航空发动机等高速旋转机械中。但SFD是非线性阻尼器，在高转速和较大不平衡量时，其油膜刚度随轴颈偏心率的增大而呈高度非线性增长，很容易产生“双稳态跳跃”和“锁死”等严重的有害现象，进而使转子系统产生振动过大甚至碰摩、疲劳故障。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种带金属橡胶外环的自适应挤压油膜阻尼器。即在原来SFD的油膜轴颈和轴承座之间串联具有弹性的金属橡胶组件。这样在轴颈偏心率增大，油膜力增大时，油膜环在油膜力作用下移动，挤压金属橡胶组件变形，从而使油膜厚度相对增大，油膜力减小，这样油膜刚度不会随轴颈偏心率的增大而呈高度非线性增长。
本实用新型的一种带金属橡胶外环的自适应挤压油膜阻尼器，该阻尼器作为旋转机械转子系统的弹性支承，其弹性支承包括轴、轴承、鼠笼弹支、轴承座，轴和轴承轴动连接，鼠笼弹支安装在轴承座的非轴承端，鼠笼弹支与轴承配合端的外表面即油膜轴颈，其挤压油膜阻尼器包括有金属橡胶组件，金属橡胶组件安装在油膜轴颈与轴承座之间的轴承端；金属橡胶组件由内环、内环端盖、金属橡胶套环、外环、外环端盖、内环垫环和外环垫环组成，金属橡胶套环被夹装在内环和外环之间，形成过盈配合，内环端盖和内环垫环安装在内环的端面上，外环端盖和外环垫环安装在外环的端面上，内环与油膜轴颈之间形成间隙，润滑油由轴承座上的油孔引入，沿圆周充满此间隙，并沿轴向向两端流出，形成循环流动。
所述的带金属橡胶外环的自适应挤压油膜阻尼器，其金属橡胶套环为分瓣式结构，与之对应的内环外表面和外环内表面上设有凸台。
所述的带金属橡胶外环的自适应挤压油膜阻尼器，其金属橡胶套环被夹装在内环和外环之间的相对过盈量比值为1％～5％。
所述的带金属橡胶外环的自适应挤压油膜阻尼器，其加工金属橡胶套环所需材料可以是不锈钢丝、铜丝、形状记忆合金、GH4169。
本实用新型的优点：
1.改善了挤压油膜阻尼器油膜刚度的非线性特性，使整个系统的等效支承刚度由SFD时高度非线性变为线性或拟线性，能适合更高的转速和更大的不平衡量范围。
2.金属橡胶具有良好的阻尼特性，它的加入增加了转子系统的阻尼，对转子系统的减振更有效。
3.通过调整金属橡胶的刚度，可以调整转子系统临界转速，满足转子系统的性能要求。
4.带金属橡胶外环的自适应挤压油膜阻尼器集挤压油膜阻尼器和金属橡胶的优点于一身，结构简单、体积小、重量轻、减振效果显著。
附图说明
图1是带本实用新型阻尼器的转子系统支承端的结构剖视图。
图2是图1的A-A向视图。
图3(a)是本实用新型金属橡胶组件的实体分解示意图。
图3(b)是本实用新型金属橡胶组件的实体组装外观图。
图4是现有带鼠笼弹支的挤压油膜阻尼器的结构剖视图。
图5(a)为刚性转子SFD系统轴颈水平方向稳态位移响应曲线。
图5(b)为刚性转子ASFD/MRR系统轴颈水平方向稳态位移响应曲线。
图5(c)为刚性转子ASFD/MRR系统外环水平方向稳态位移响应曲线。
图中：      1.轴          2.轴承         3.鼠笼弹支     301.油膜轴颈4.金属橡胶组件  401.内        402.内环端盖   403.金属橡胶套环404.外环        405.外环端盖  406.内环垫环   407.外环垫环   408.内环凸台409.外环凸台    5.轴承座      6.油膜环       7.油孔
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型作进一步的说明。
在旋转机械转子系统中的一种典型弹性支承结构(如图4所示)，主要包括轴1、轴承2、鼠笼弹支3、油膜环6和轴承座5。轴1和轴承2轴动连接，鼠笼弹支3安装在轴承座5的非轴承端，鼠笼弹支3的外表面即油膜轴颈301与轴承2配装；油膜环6安装在轴承座5的轴承端，油膜环6与油膜轴颈301之间形成间隙，润滑油由轴承座5上的油孔7引入，沿圆周充满此间隙，并沿轴向向两端流出，形成循环流动。此结构的油膜轴颈301与油膜环6形成挤压油膜阻尼器(Squeeze FilmDamper，SFD)，其油膜环6为刚性油膜环。
在本实用新型中，一种带金属橡胶外环的自适应挤压油膜阻尼器(AdaptiveSqueeze Film Damper with Metal Rubber outer-Ring，ASFD/MRR)，采用金属橡胶组件4代替SFD的刚性油膜环6，即在原来SFD的油膜轴颈301和轴承座5之间串联具有弹性的金属橡胶组件4，如图1、图2所示，这样在轴颈偏心率增大，油膜力增大时，内环401在油膜力作用下移动，挤压金属橡胶套环403变形，从而使油膜厚度相对增大，油膜力减小，直至达到一个平衡状态。这时油膜厚度取决于油膜轴颈301和内环401的位移之差，在适当的选择金属橡胶刚度等结构参数情况下，油膜刚度不会随轴颈偏心率变化产生高度非线性。
请参见图1、图2和图3所示，在本实用新型中，金属橡胶组件4由内环401、内环端盖402、分瓣式金属橡胶套环403、外环404、外环端盖405、内环垫环406和外环垫环407组成，如图3(a)所示。用金属橡胶组件4代替SFD的油膜环4安装在轴承座5的轴承端，内环401与油膜轴颈之间形成间隙，润滑油由轴承座5上的油孔引入，沿圆周充满此间隙形成挤压油膜，并沿轴向向两端流出，形成循环流动。
在本实用新型中，制作分瓣式金属橡胶套环403的金属丝材料要根据转子系统的载荷特点、性能要求、工作环境等进行选择，如不锈钢丝、铜丝、形状记忆合金、GH4169等。
金属橡胶组件4的装配关系为：分瓣式金属橡胶套环403被夹装在内环401和外环404之间，形成过盈配合，即有一定的径向预载，进而控制金属橡胶的性能并防止其周向滑动。过盈量s根据转子系统的性能要求而定，一般相对过盈量s/R为1％～5％(R为油膜轴颈半径)。内环端盖402和内环垫环406安装在内环401的端面上，外环端盖405和外环垫环407安装在外环404的端面上，内环401沿轴向方向上设有内环凸台408，外环404沿轴向方向上设有外环凸台409，凸台的个数要根据转子系统的性能要求而定。内环401、外环404另一端与端盖配合，起到对金属橡胶套环403轴向定位的作用，通过调整端盖处垫环的厚度，可以改变金属橡胶套环403的轴向预载力，进而改变金属橡胶套环403的刚度阻尼特性。本项目的金属橡胶套环403为分瓣式结构，将连接好的金属橡胶组件4(如图3(b))一起塞入轴承端的轴承座S中并用螺栓固定。为获得更大的外阻尼，试验时要给金属橡胶充油，使金属橡胶套环403变形时挤压滑油而消耗更多的能量。
ASFD/MRR的特点是集SFD和金属橡胶(Metal Rubber，简计为MR)的优点于一身，即改善了SFD油膜刚度的高度非线性特性，又增大了转子支承系统的阻尼，能适合更高的转速和更大的不平衡量范围，并且还具有调整转子系统临界转速的功能。
在ASFD/MRR减振有效性的实验中，刚性转子一端采用刚性支承，另一端采用带定心弹支的SFD或ASFD/MRR支承系统。实验时，控制实验台转速缓慢地从30r/min均匀升速至10000r/min，供油压力为环境压力，供油温度为室温，两端不封油，滑油动粘度μ＝1.884E-02Pa·s。用四个电涡流位移传感器，同时测量轴颈和外环x、y方向的四路振动信号，实验的记录分析仪器为DASP数据采集和信号分析系统。
阻尼器参数为：阻尼器半径R＝40mm，半径间隙C＝0.08mm，间隙比C/R＝0.2％，长度L＝27mm。
环形金属橡胶主要参数为：外径Dw＝100mm，内径Dn＝86mm，宽L＝21mm，金属丝径ds＝0.13mm，质量M＝96g。经测试金属橡胶基本工作在线性段，实测静刚度为8.01E+06N/m。鼠笼弹支3实测刚度为2.43E+06N/m。
图5(a)为刚性转子SFD系统轴颈水平方向稳态位移响应曲线，图5(b)、(c)为在相同的工况下，刚性转子ASFD/MRR系统轴颈、外环水平方向稳态位移响应曲线。(因为水平方向和垂直方向位移响应曲线的规律是一致的，只是幅值大小略有差异，篇幅所限本文只列出水平位移。)由图5(a)可知，当Q＝27g·cm、51g·cm时SFD转子系统都能以较小的振幅A越过一阶临界转速，但临界区转速范围较宽。随着不平衡量Q的增大，振幅A增大较快，振幅峰值点向高速区移动，当Q＝76g·cm时，振动随转速n的增加持续增大，转子无法通过临界转速。对比图5(a)、图5(b)可知，Q＝182g·cm时ASFD/MRR系统仍然能顺利的通过临界转速，ASFD/MRR系统的临界转速区较窄，过临界后振幅很快降了下来，因而ASFD/MRR能比SFD承受更大的不平衡量范围。由图5(c)可以看出外环的振动响应特性与轴颈的响应特性相似，当转速n较低时，由于油膜轴颈301振幅较小，油膜力较小，外环404基本不动；随着n的继续升高，外环404的振幅也逐渐增大，并与油膜轴颈301振幅同时达到响应峰值点。过了临界转速区后，油膜轴颈301振幅迅速降了下来，外环404又保持基本不动。ASFD/MRR系统在整个实验转速范围内外环404振幅始终小于油膜轴颈301振幅。由图5(b、c)还可以看出，当Q较大时，弹性外环404进动，其油膜轴颈301和外环404振动的一阶临界峰值相对SFD较大，但由于ASFD/MRR系统的阻尼也较大，因而其绝对值很小。

Claims (4)

1、一种带金属橡胶外环的自适应挤压油膜阻尼器，该阻尼器作为旋转机械转子系统的弹性支承，其弹性支承包括轴(1)、轴承(2)、鼠笼弹支(3)、轴承座(5)，轴(1)和轴承(2)轴动连接，鼠笼弹支(3)安装在轴承座(5)的非轴承端，鼠笼弹支(3)与轴承(2)配合端的外表面即油膜轴颈(301)，其特征在于：挤压油膜阻尼器包括有金属橡胶组件(4)，金属橡胶组件(4)安装在油膜轴颈(301)与轴承座(5)之间的轴承端；金属橡胶组件(4)由内环(401)、内环端盖(402)、金属橡胶套环(403)、外环(404)、外环端盖(405)、内环垫环(406)和外环垫环(407)组成，金属橡胶套环(403)被夹装在内环(401)和外环(404)之间，形成过盈配合，内环端盖(402)和内环垫环(406)安装在内环(401)的端面上，外环端盖(405)和外环垫环(407)安装在外环(404)的端面上，内环(401)与油膜轴颈(301)之间形成间隙，润滑油由轴承座(5)上的油孔(7)引入，沿圆周充满此间隙，并沿轴向向两端流出，形成循环流动。
2、根据权利要求1所述的带金属橡胶外环的自适应挤压油膜阻尼器，其特征在于：金属橡胶套环(403)为分瓣式结构，与之对应的内环(401)外表面和外环(404)内表面上设有凸台。
3、根据权利要求1所述的带金属橡胶外环的自适应挤压油膜阻尼器，其特征在于：金属橡胶套环(403)被夹装在内环(401)和外环(404)之间的相对过盈量比值为1％～5％。
4、根据权利要求1所述的带金属橡胶外环的自适应挤压油膜阻尼器，其特征在于：加工金属橡胶套环(403)所需材料可以是不锈钢丝、铜丝、形状记忆合金、GH4169。
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