一种利用超声振动抑制小型旋转机械转子系统振动的方法

摘要

一种利用超声振动抑制小型旋转机械转子系统振动的方法：①当振动转子与静子未接触时，将超声振子部件(1)固定在检测到的振动最大位置处，使超声振子部件(1)表面与转子(5)表面保持不小于转子(5)振幅的间隙；②当转子(5)与静子因振动接触时，将超声振子部件(1)固定在转子(5)与静子接触面的径向端面上；③当转子系统产生振幅大于转子(5)直径十分之一的较大振动时，开启超声振子系统，超声振子系统振动产生的挤压膜径向力和摩擦力推动转子(5)向其轴线即平衡位置靠近，使转子(5)振幅和摩擦系数减小。本发明设备故障率低，系统运行稳定性好。其可以应用于抑制小型旋转机械转子系统的振动。

说明书

技术领域

本发明涉及科学，特别提供了一种利用超声振动抑制小型旋转机械转 子系统振动的方法。

背景技术

现有技术中，各类小型高速旋转机械在国民经济中广泛应用，随着转 静子间隙越来越小，其振动所导致设备故障问题越来越突出，由于转速很 高，这些故障会造成严重的危害，不仅影响设备的稳定运行，有些甚至造 成灾难性的后果。

目前抑制振动的方法主要采用动平衡技术，但是动平衡技术有时会失 效，并且动平衡必须在停机的时候进行，无法做到在线的抑制振动；控制 振动的方法主要包括电磁方法、阻尼法、各种调节器等，但是在很多情况 下控制振动技术还不完善，如电磁方法不用应用于非铁质材料中、磁流变 液受温度影响较大，阻尼器常常会失效，在转子的超临界区产生严重的不 稳定问题等。

因此，人们期望获得一种技术效果优良的能利用超声振动抑制小型旋 转机械转子振动的方法。

发明内容

本发明的目的是为了抑制小型旋转机械转子系统的振动，以减少设备 故障，提高系统运行稳定性，弥补目前抑制振动技术的不足，本发明提出 了一种利用超声振动引起的悬浮和减摩效应，产生较大的径向力和适当的 摩擦力作用在振动转静子的径向表面来实现抑制振动的方法。

本发明提供了一种利用超声振动抑制小型旋转机械转子系统振动的方 法，其特征在于：首先确定转子5振动的最大位置处；使用超声振子部件5 固定在所述转子系统上；针对不同情况或者振动的不同阶段分别使用下述 方法具体处理：

①当振动的转子5与静子未接触时，将超声振子部件1固定在检测到 的振动最大位置处，通过微调机构2使超声振子部件1表面与转子5表面 保持不小于转子5振幅的间隙；②当转子5与静子由于振动接触时，将可 移动的超声振子部件1固定在转子1与静子接触面处的径向端面上；③当 转子系统产生振幅大于转子5直径十分之一的较大振动时，开启超声振子 系统，超声振子系统振动产生的挤压膜径向力和摩擦力推动转子5向其轴 线即平衡位置靠近，从而使得转子的振幅和摩擦系数减小，达到抑制振动 的目的。

所述利用超声振动抑制小型旋转机械转子系统振动的方法，其特征在 于：当转子系统的振动较大时，同时采用至少2个超声振子系统来抑制振 动，即将至少2个超声振子系统沿圆周方向均布安装在转子最大振动位置 所在径向截面的圆周上并将其径向和周向固定，至少2个超声振子系统所 产生的径向力或摩擦力同时作用在转子5径向表面，能够抑制较大的振动。

当振动转子5与静子未接触时，对于未接触的转静子系统，还替换使 用下述方法抑制小型旋转机械转子系统振动：

利用微调机构调整超声振子与转子5表面的间隙大小，如式1所示， 间隙h₀越小，挤压膜承载力W越大，抑制转子5振动的效果越好；

$\left(\begin{array}{c}W=\frac{1}{2\pi }{\int }_0^{2\pi }{\int }_{-1/2}^{1/2}(P-1)\mathrm{dXdT}={\int }_{-1/2}^{1/2}{ϵ}^2{\Pi }_5\left(X\right)\mathrm{dX}\\ =\frac{{5ϵ}^2}{4\beta }\left(\frac{\beta \cos \beta +\beta \cosh \beta -\sinh \beta -\sin \beta }{\cos \beta +\cosh \beta }\right)\\ \beta =\sqrt{\sigma /2}\\ \sigma =12\frac{{\mu }_0{\omega }_0{R}^2}{p_0{h}_0^2}\end{array}\right)---\left(1\right).$

所述利用超声振动抑制小型旋转机械转子系统振动的方法所使用的安 装在转子5上的超声振动抑制振动装置构成如下：超声振子部件1、微调机 构2、密封壳体3、偏心块4；其中：微调机构2和超声振子部件1布置在 转子5上且能够沿其轴向位置可调；微调机构2布置在转子5和超声振子 部件1之间；偏心块4布置在转子5上且其重心偏离转子5的旋转轴线， 超声振子部件1、微调机构2、偏心块4都布置在密封壳体3内。

图8中：密封壳体3是如图1中所述的“将转子系统与超声振子部件1 系统密封”封装在内的一个箱体；偏心块4是如图1中所述的在转子5上 设置的一个偏心配重结构件，其作用原理是作为辅助的反向配重形成反向 振源以便消弱振动；系统振动时转子的振幅h1和h2由传感器测量。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

首先建立转子系统的模型，利用信号处理技术和模型计算方法得到系 统的动力学特性，分析得到转子5振动的最大位置处；当振动转子5与静 子未接触时，将可移动的超声振子部件1固定在转子5振动最大位置处， 通过微调机构2使得超声振子部件1表面与转子5表面保持一定的间隙， 间隙既不能大于转子5振幅，又不会使超声振子部件1表面碰到振动着的 转子5表面，最后将转子系统与超声振子部件1系统密封，用来调整环境 压强；当转子5与静子由于振动接触时，将可移动的超声振子部件1固定 在转子5与静子接触面附近的径向端面上并将系统密封。

当转子系统开始工作时，产生较大的振动，此时开启超声振子系统； 当振动转子与静子未接触时，利用悬浮效应，超声振子部件1振动引起小 间隙内的挤压气膜，超声挤压气膜产生的径向力作用在振动的转子5径向 表面，推动转子5向其轴线即平衡位置靠近，从而使得转子5的振幅减小， 达到抑制振动的目的；当转子5与静子接触时，利用减摩效应，超声振子 部件1的振动在接触点四周引起挤压气膜并作用在振动的转子5径向表面， 对于轻微的接触，挤压气膜产生的径向力会使转静子接触面分开，即推动 转子5向其轴线即平衡位置靠近，转子5振动减小，对于严重的接触，即 便径向力无法使接触面分开，减摩效应也使转静子之间的摩擦系数减小， 使严重的接触转变为轻微的接触，抑制转子系统的振动。

当转子系统的振动较大时，可以同时采用多个超声振子部件1来抑制 振动，即将多个超声振子部件1均布安装在转子5最大振动位置所在截面 的圆周上并将其径向和周向固定，这样多个超声振子部件1所产生的径向 力或摩擦力同时作用在转子5径向表面，能够抑制较大的振动；对于未接 触的转静子系统，还可以利用微调机构2调整超声振子部件1与转子5表 面的间隙大小，根据挤压膜理论，间隙越小，挤压膜承载力越大，抑制转 子5振动的效果越好。

本方法能够解决抑制转子系统多处振动较大的问题，即在想要抑制振 动的多处位置安装一个或多个超声振子部件1，利用超声振子部件1产生的 悬浮和减摩效应同时抑制转子5多处的振动。

优点及效果：本方法可以在不停机的条件下进行转子系统振动的抑制， 是一种完全在线抑制振动的方法，大大降低了停机的损失；并同时能够抑 制转子5的多处振动，有较高的使用效率；并且由于超声振动的可控制性， 使得本方法的抑制精度非常高，抑制振动效果显著，弥补了目前振动抑制 领域的不足。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为本发明超声振动抑制振动的原理示意图之结构原理图；

图2为本发明超声振动抑制振动的原理示意图之非接触局部放大图；

图3为本发明超声振动抑制振动的原理示意图之轻微接触局部放大图；

图4为本发明超声振动抑制振动的原理示意图之严重接触局部放大图；

图5为本发明超声振动抑制振动的原理示意图之非接触挤压膜示意图；

图6为本发明超声振动抑制振动的原理示意图之接触挤压膜示意图；

图7为多超声振子作用原理示意图(图中为3个超声振子部件1)；

图8为本发明抑制转子多处振动原理示意图(图中为3处)。

具体实施方式

附图标记含义说明：超声振子部件1、微调机构3、密封壳体3、偏心 块4、转子5、支承件6；系统振动时转子5的振幅h1、转子5受到挤压膜 径向力作用后的振幅h2、微调机构2与转子5表面的初始间隙h3、由超声 振子产生并作用在转子表面的挤压膜径向力F1和摩擦力F2、挤压膜7。

一种利用超声振动抑制小型旋转机械转子系统振动的方法，参见附图 1-8，本实施例是为了抑制小型旋转机械转子系统的振动以减少设备故障， 提高系统运行稳定性，弥补目前抑制振动技术的不足而提出的一种利用超 声振动引起的悬浮和减摩效应，产生较大的径向力和适当的摩擦力作用在 振动转静子的径向表面来实现抑制振动的方法。

一种利用超声振动抑制小型旋转机械转子系统振动的方法：首先确定 转子5振动的最大位置处；使用超声振子部件5固定在所述转子系统上； 针对不同情况或者振动的不同阶段分别使用下述方法具体处理：

①当振动的转子5与静子未接触时，将超声振子部件1固定在检测到 的振动最大位置处，通过微调机构2使超声振子部件1表面与转子5表面 保持不小于转子5振幅的间隙；②当转子5与静子由于振动接触时，将可 移动的超声振子部件1固定在转子1与静子接触面处的径向端面上；③当 转子系统产生振幅大于转子5直径十分之一的较大振动时，开启超声振子 系统，超声振子系统振动产生的挤压膜径向力和摩擦力推动转子5向其轴 线即平衡位置靠近，从而使得转子的振幅和摩擦系数减小，达到抑制振动 的目的。

所述利用超声振动抑制小型旋转机械转子系统振动的方法，当转子系 统的振动较大时，同时采用至少2个超声振子系统来抑制振动，即将至少2 个超声振子系统沿圆周方向均布安装在转子最大振动位置所在径向截面的 圆周上并将其径向和周向固定，至少2个超声振子系统所产生的径向力或 摩擦力同时作用在转子5径向表面，能够抑制较大的振动。

当振动转子5与静子未接触时，对于未接触的转静子系统，还替换使 用下述方法抑制小型旋转机械转子系统振动：

利用微调机构调整超声振子与转子5表面的间隙大小，如式1所示， 间隙h₀越小，挤压膜承载力W越大，抑制转子5振动的效果越好；

$\left(\begin{array}{c}W=\frac{1}{2\pi }{\int }_0^{2\pi }{\int }_{-1/2}^{1/2}(P-1)\mathrm{dXdT}={\int }_{-1/2}^{1/2}{ϵ}^2{\Pi }_5\left(X\right)\mathrm{dX}\\ =\frac{{5ϵ}^2}{4\beta }\left(\frac{\beta \cos \beta +\beta \cosh \beta -\sinh \beta -\sin \beta }{\cos \beta +\cosh \beta }\right)\\ \beta =\sqrt{\sigma /2}\\ \sigma =12\frac{{\mu }_0{\omega }_0{R}^2}{p_0{h}_0^2}\end{array}\right)---\left(1\right).$

所述利用超声振动抑制小型旋转机械转子系统振动的方法所使用的安 装在转子5上的超声振动抑制振动装置构成如下：超声振子部件1、微调机 构2、密封壳体3、偏心块4；其中：微调机构2和超声振子部件1布置在 转子5上且能够沿其轴向位置可调；微调机构2布置在转子5和超声振子 部件1之间；偏心块4布置在转子5上且其重心偏离转子5的旋转轴线， 超声振子部件1、微调机构2、偏心块4都布置在密封壳体3内。

图8中：密封壳体3是如图1中所述的“将转子系统与超声振子部件1 系统密封”封装在内的一个箱体；偏心块4是如图1中所述的在转子5上 设置的一个偏心配重结构件，其作用原理是作为辅助的反向配重形成反向 振源以便消弱振动；系统振动时转子的振幅h1和h2由传感器测量。

在图1中，带有偏心块4的转子5系统由电机驱动，建立系统的模型， 利用信号处理技术和模型计算方法得到系统的动力学特性，分析可知转子5 振动的最大位置处；将超声振子部件1和微调机构2安装在此位置处，如 图1所示的超声振子部件1所在的转子5截面处，开启开关，当转子5与 静子未接触时，利用悬浮效应，超声振子部件1振动引起小间隙内的挤压 气膜7所产生的径向力F1作用在振动转子5径向表面，受到径向作用力的 转子5表面最大位移由h1变到h2，故此处的振动由于超声振动产生的挤压 膜径向力F1的影响而受到抑制；当转子5与静子接触时，利用减摩效应， 超声振子1的振动在接触点四周引起挤压气膜7并作用在振动转子5径向 表面，对于轻微的接触，挤压气膜7产生的径向力F1会使转静子接触面分 开，即推动转子5向其轴线即平衡位置靠近，转子5振动减小，对于严重 的接触，即便径向力F1无法使接触面分开，减摩效应产生的摩擦力F2也 使转静子之间的摩擦系数减小，使严重的接触转变为轻微的接触，抑制转 子5的振动。

在图2中，若单个超声振子部件抑制振动的效果没有满足要求，可以 同时使用多个超声振子部件1，并且均布在转子5截面圆周上，同时开启使 振动降低，如图7所示，3个超声振子部件1均匀分布在圆周上抑制转子5 振动。

在图8中，若转子5中有多处位置需要抑制振动，本实施例亦能够解 决此问题，即在需要抑制振动的每个位置均放置超声振子部件1，同时开启 降低振动，如图8所示，在转子上放置了3组超声振子系统(由超声振子 部件1和微调机构2构成)，并且每组系统可以不止放置1个超声振子部件 1或微调机构2，能够很好的解决抑制振动问题。

本实施例是通过以下技术方案来实现的：

首先建立转子系统的模型，利用信号处理技术和模型计算方法得到系 统的动力学特性，分析得到转子5振动的最大位置处；当振动转子5与静 子未接触时，将可移动的超声振子部件1固定在转子5振动最大位置处， 通过微调机构2使得超声振子部件1表面与转子5表面保持一定的间隙， 间隙既不能大于转子5振幅，又不会使超声振子部件1表面碰到振动着的 转子5表面，最后将转子系统与超声振子部件1系统密封，用来调整环境 压强；当转子5与静子由于振动接触时，将可移动的超声振子部件1固定 在转子5与静子接触面附近的径向端面上并将系统密封。

当转子系统开始工作时，产生较大的振动，此时开启超声振子系统； 当振动转子与静子未接触时，利用悬浮效应，超声振子部件1振动引起小 间隙内的挤压气膜，超声挤压气膜产生的径向力作用在振动的转子5径向 表面，推动转子5向其轴线即平衡位置靠近，从而使得转子5的振幅减小， 达到抑制振动的目的；当转子5与静子接触时，利用减摩效应，超声振子 部件1的振动在接触点四周引起挤压气膜并作用在振动的转子5径向表面， 对于轻微的接触，挤压气膜产生的径向力会使转静子接触面分开，即推动 转子5向其轴线即平衡位置靠近，转子5振动减小，对于严重的接触，即 便径向力无法使接触面分开，减摩效应也使转静子之间的摩擦系数减小， 使严重的接触转变为轻微的接触，抑制转子系统的振动。

当转子系统的振动较大时，可以同时采用多个超声振子部件1来抑制 振动，即将多个超声振子部件1均布安装在转子5最大振动位置所在截面 的圆周上并将其径向和周向固定，这样多个超声振子部件1所产生的径向 力或摩擦力同时作用在转子5径向表面，能够抑制较大的振动；对于未接 触的转静子系统，还可以利用微调机构2调整超声振子部件1与转子5表 面的间隙大小，根据挤压膜理论，间隙越小，挤压膜承载力越大，抑制转 子5振动的效果越好。

本方法能够解决抑制转子系统多处振动较大的问题，即在想要抑制振 动的多处位置安装一个或多个超声振子部件1，利用超声振子部件1产生的 悬浮和减摩效应同时抑制转子5多处的振动。

优点及效果：本方法可以在不停机的条件下进行转子系统振动的抑制， 是一种完全在线抑制振动的方法，大大降低了停机的损失；并同时能够抑 制转子5的多处振动，有较高的使用效率；并且由于超声振动的可控制性， 使得本方法的抑制精度非常高，抑制振动效果显著，弥补了目前振动抑制 领域的不足。