使用组合式减振策略的超临界转子减振装置及减振方法

摘要

本发明是一种使用组合式减振策略的超临界转子减振装置及减振方法，属于转子系统减振技术领域。本发明主要由被动减振结构、套筒、振摩擦环、定摩擦环、作动器等组成。提出了一种将被动减振装置与主动减振装置组合使用的减振策略，使用该减振策略的传动轴系能够自适应调整系统的刚度和阻尼，巧妙避开超临界转子在升降速过程中的剧烈共振区，抑制传动轴系的横向振动幅值，提高了轴系工作转速区的安全裕度，减小了转子轴系在通过临界转速时的振动。本发明能同时改变系统的刚度和阻尼特性，结构简单，易于实现，抗干扰能力强，是一种应用前景广泛的减振控制方法。

说明书

技术领域

本发明是一种使用组合式减振策略的超临界转子减振装置及减振方法，属于转子系统减振技术领域。

背景技术

传动轴系广泛应用于航空、车辆、船舶、大型发动机和汽轮机机组中，振动会导致关键零部件的疲劳、系统噪声和实效，对其振动的控制问题一直以来都是国内外学者和工程技术人员关注的焦点。

航空设备由于要减重、减少支承数量，汽轮机组要提高工作效率，它们的发展方向和趋势都是将传动轴系采用超临界设计。采用超临界方案设计，传动轴系在加速通过第一阶临界转速时会产生激烈的横向振动，振幅急剧增大，作用于轴承之上的交变动载荷也随之上升，如果不进行适当的振动控制，容易造成振动过载，使得传动轴系与其他部件发生碰撞，这样会导致轴系失稳，加速机械系统零部件的损坏，降低使用寿命，严重时将导致整机毁坏的事故。因此，必须设法减小传动轴系通过一阶临界转速时的振动响应，以消除安全隐患。

对传动轴系进行振动控制的主要方法有：弹性支承、挤压油膜阻尼器、粘弹性阻尼材料减振器、干摩擦阻尼器等。弹性支承可以使传动轴系的刚度大为减小，从而降低系统的临界转速，传动轴系得以运转于超临界转速状态，提高了系统的运动稳定性，另外可以利用弹性支承的变形减小激励，降低振动响应水平。不过弹性支承带来了一些问题，系统通过临界转速时，弹性支承会产生较大的形变，影响到系统的刚度和稳定性。另外，设计弹性支承时，必须合理匹配其结构参数才能达到预计的减振效果，且设计参数一旦确定，其适应的范围也有限，若要改变工作转速范围，只能重新设计弹性支承。目前常用的阻尼减振器主要是挤压油膜阻尼器、金属橡胶阻尼器、摩擦阻尼器。挤压油膜阻尼器只能在一定的不平衡度下有效，油膜刚度的高度非线性特性可能导致锁死、双稳态和非协调的进动现象，转子系统过大的振动甚至产生疲劳和碰撞，可能出现比不使用还要差的效果，使得挤压油膜轴承的使用范围受到了很大的限制。粘弹性阻尼材料不仅具有弹性固体材料贮存能量的特性，还兼具粘性液体消耗运动能量的特性。当粘弹性阻尼材料受拉伸时，曲折的分子链不仅会产生伸长和扭曲变形，分子链间还会产生相对滑移和扭转。当材料所受外力去除后，已经变形的分子链不能完全恢复，出现了永久性的变形而消耗能量。同时部分不能返还的功以热能的形式损耗。高分子阻尼材料目前发展迅速，已经广泛用于汽车、采矿、建筑、船舶、航空、航天等工业领域和体育、家电器材中。然而，粘弹性阻尼材料的刚度、强度和抗蠕变性差，不能作为结构材料使用，高分子材料的阻尼性能只有在狭窄的玻璃态转变区才明显，长期使用在减振过程中刚度和阻尼性能都较容易衰减，工作稳定性变差。摩擦阻尼器在传动轴系的工作过程中，将振动能量（机械能）转化为热能，由周围的介质带走热量，从而达到减振的目的。摩擦阻尼器因其结构简单，设计成本较低，但是摩擦阻尼器的耗能机理会产生温升，高速情况下，动静摩擦片在散热不及时的情况下会发生粘结；长期使用，摩擦损耗会导致阻尼器工作性能的衰退。

以上叙述的各种减振装置，按照是否需要振动系统以外的设备提供能量以支持其工作来划分，可以分为被动减振装置和主动减振装置。弹性支承、挤压油膜阻尼器、金属橡胶、粘弹特性橡胶、橡胶硅油阻尼器等属于被动减振装置；压电陶瓷作动器、电磁铁作动器、液压进动机构等属于主动减振装置。西北工业大学的廖明夫老师有一篇专利“一种抑制带弹性支承转子系统振动的方法及装置”（发明专利申请号为200410073346.0），提出了：通过干摩擦阻尼器产生摩擦力，在转子系统中引入外阻尼来降低转子振动的方法。他们的装置完全依靠摩擦阻尼减振，转子系统中使用的弹性支承是为了获得足够的摩擦相对运动，并没有提出组合式减振装置组合在一起灵活避开临界转速的策略。事实上，他们提出的只是单一的摩擦阻尼式主动减振方法。

综合以上分析，使用单一的减振手段虽然可行，不过每种方法都存在一些缺陷，都会带来一些新的问题。所以，为了设计出更加安全、可靠、耐用的转子系统减振器，有必要将以上那些单一的减振手段结合起来运用，弥补各自的不足，发挥相互的优势，取长补短，改善传动轴系的稳态和瞬态动力学性能。本发明既使用被动减振方式又使用主动减振方式，初始状态下只有被动减振装置起作用。被动减振装置设计的再精妙，超临界转子依然需要经过临界转速，以致不得不被动地面对临界转速区域激烈的横向振动带来的问题，被动地去吸收和消耗剧烈振动的能量。为了进一步控制和改善通过临界转速区域的振动问题，本发明采用主动减振装置对超临界转子系统进行干预，改变系统瞬时的刚度值、提高瞬时的临界转速，避免了转子剧烈震动。这种灵活结合两种减振原理，通过调节系统刚度、阻尼，巧妙避开超临界转子升降速过程中的共振区，达到减振目的的方法，目前还没有人提出过。

发明内容

为了解决现有各种单一减振方法带来的种种缺陷，设计出更加安全、可靠、耐用的转子系统减振装置，有必要将以上那些单一的减振手段组合起来运用，弥补各自的不足，发挥相互的优势，取长补短，改善传动轴系的稳态和瞬态动力学性能。

本发明提出了一种使用组合式减振策略的超临界转子减震装置，该装置由三大部分组成：一是转子系统部分、二是被动减振部分、三是主动减振部分；

转子系统部分包括安装于第一支座的第一轴承、安装于第二支座的第二轴承，还包括安装于第一轴承和第二轴承的转轴，转轴上安装转子；

被动减振部分包括上述第二轴承和第二支座之间由内而外依次安装的套筒和被动减振结构；该套筒伸出所述第二轴承外侧；且套筒伸出端的端面安装有振摩擦环；

主动减振部分包括作动器、安装于作动器的作动端的定摩擦环；

所述振摩擦环和定摩擦环外侧端面位置相对；

组合式减振策略是指由被动减振方式与主动减振方式组合在一起，避开超临界转子在升降速过程中的剧烈共振区，解决转子通过临界转速时激烈振动问题的策略；

被动减振结构可以是：弹性支承、挤压油膜阻尼器、金属橡胶、粘弹特性橡胶、橡胶硅油阻尼器等；

主动减振结构可以是：压电陶瓷作动器、电磁铁作动器、液压进动机构等。

本发明属于一种新型可自适应调整系统刚度和阻尼的超临界转子装置。提出了一种将被动减振方式与主动减振方式组合使用的减振策略，使用该减振策略的传动轴系能够自适应寻优控制、以不同的刚度和阻尼的组合形式，巧妙避开超临界转子在升降速过程中的剧烈共振区，抑制传动轴系的横向振动幅值，提高了轴系工作转速区的安全裕度，减小了转子轴系在通过临界转速时的振动。

本发明的工作方式为：初始状态下，作动器不工作，其驱动的定摩擦环与振摩擦环不接触，定摩擦环与振摩擦环之间有一个初始微间隙d。在转速接近临界转速时，作动器执行动作，作动端带动定摩擦环压在振摩擦环上，介入的作动器相当于增加的支承，整个系统的支承刚度变大，这时系统的临界转速变高，系统远离了原来的临界转速区域，避免了剧烈振动反应。当转子系统继续加速运转，通过临界转速区域后，作动器停止动作并收缩，使得定摩擦环与振摩擦环分离，这样系统的临界转速又回到原值，转子系统得以安全平稳的通过临界转速区域。同时，由于振摩擦环随轴系振动，定摩擦环静定，那么必然产生摩擦力，这样在原有粘性阻尼之外又引入了摩擦阻尼，进一步加剧转子系统横向振动能量的耗散，抑制了振幅的增加。 

由于整个减振过程巧妙避开了共振区，被动减振器并没有承受很大的冲击载荷、造成较大的形变，这在一定程度上弥补了被动减振结构的各种弱点缺陷，比如刚度、强度和抗蠕变性差、稳定性差等等，减小了这些缺陷带来的影响。而主动减振结构，只是在转速接近临界转速时才起作用，并非从始至终进行振动能量耗损，这也一定程度上克服了主动减振装置的不足，即：主动减振装置的耗能机理会产生温升，在散热不及时以及长时间使用的情况下，主动减振装置减振性能会衰退。

本发明采取的技术方案组合使用两种减振方法，在升降速过程中避开剧烈的共振区，发挥了两种减振方法的优势而又克服了各自的不足，可以有效改善转子系统过临界转速时的激烈振动，优化传动轴系的稳态和瞬态动力学性能。

附图说明

附图1 被动与主动相结合的减振系统示意图；

附图2减振过程原理图；

图中标号名称： 1-1.第一轴承，1-2.第二轴承，2-1.第一支座，2-2.第二支座，3.转轴，4.转子，5.被动减振结构，6.套筒，7.振摩擦环，8.定摩擦环 ，9.作动器。

具体实施方式

本发明包括：轴承、支座、转轴、转子、被动减振装置、套筒、振摩擦环、定摩擦环、作动器、被动减振装置、跟随转子系统一起横向振动的套筒、固结在套筒上的振动摩擦环、用于主动振动控制的作动器、固结在作动器的作动端上，且跟随作动端一起运动的定摩擦环。

其中，被动减振装置可以是：弹性支承、挤压油膜阻尼器、金属橡胶、粘弹特性橡胶、橡胶硅油阻尼器等；主动减振装置可以是：压电陶瓷作动器、电磁铁作动器、液压进动机构等；

初始状态下，作动器是不工作的，转子系统不断升速，转速向临界转速靠近，如图2的上图。在转速接近临界转速且未达到临界转速时，作动器执行动作，使位于作动端的定摩擦环与随轴一起振动的振摩擦环接触，使得转子系统附加了支承刚度，这时系统的临界转速变高。传动系统原本是要通过临界转速区产生剧烈振动的，由于作动器的主动介入，导致瞬时临界转速升高，系统远离了原来的临界转速区域，避免了剧烈振动反应，如图2的中图。同时作动器的介入也使系统阻尼增大，抑制了振幅的增加。当转子系统继续加速运转，通过原临界转速区域，并逼近系统刚度增加后的新临界转速区后，作动器停止动作并收缩，使得定摩擦环与振摩擦环分离，这样系统的临界转速又回到原值，转子系统得以安全平稳的通过临界转速区域，如图2的下图。整个振动控制过程中，只在接近临界转速区域时给转子支承附加了支承刚度，系统实际的临界转速并没有改变。过程示意图如图2。