使用組合式減振策略的超臨界轉(zhuǎn)子減振裝置及減振方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種使用組合式減振策略的超臨界轉(zhuǎn)子減振裝置及減振方法，屬于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)減振技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]傳動軸系廣泛應(yīng)用于航空、車輛、船舶、大型發(fā)動機(jī)和汽輪機(jī)機(jī)組中，振動會導(dǎo)致關(guān)鍵零部件的疲勞、系統(tǒng)噪聲和實效，對其振動的控制問題一直以來都是國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員關(guān)注的焦點(diǎn)。
[0003]航空設(shè)備由于要減重、減少支承數(shù)量，汽輪機(jī)組要提高工作效率，它們的發(fā)展方向和趨勢都是將傳動軸系采用超臨界設(shè)計。采用超臨界方案設(shè)計，傳動軸系在加速通過第一階臨界轉(zhuǎn)速時會產(chǎn)生激烈的橫向振動，振幅急劇增大，作用于軸承之上的交變動載荷也隨之上升，如果不進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼駝涌刂?，容易造成振動過載，使得傳動軸系與其他部件發(fā)生碰撞，這樣會導(dǎo)致軸系失穩(wěn)，加速機(jī)械系統(tǒng)零部件的損壞，降低使用壽命，嚴(yán)重時將導(dǎo)致整機(jī)毀壞的事故。因此，必須設(shè)法減小傳動軸系通過一階臨界轉(zhuǎn)速時的振動響應(yīng)，以消除安全隱串
■/Q1、O
[0004]對傳動軸系進(jìn)行振動控制的主要方法有:彈性支承、擠壓油膜阻尼器、粘彈性阻尼材料減振器、干摩擦阻尼器等。彈性支承可以使傳動軸系的剛度大為減小，從而降低系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，傳動軸系得以運(yùn)轉(zhuǎn)于超臨界轉(zhuǎn)速狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的運(yùn)動穩(wěn)定性，另外可以利用彈性支承的變形減小激勵，降低振動響應(yīng)水平。不過彈性支承帶來了一些問題，系統(tǒng)通過臨界轉(zhuǎn)速時，彈性支承會產(chǎn)生較大的形變，影響到系統(tǒng)的剛度和穩(wěn)定性。另外，設(shè)計彈性支承時，必須合理匹配其結(jié)構(gòu)參數(shù)才能達(dá)到預(yù)計的減振效果，且設(shè)計參數(shù)一旦確定，其適應(yīng)的范圍也有限，若要改變工作轉(zhuǎn)速范圍，只能重新設(shè)計彈性支承。目前常用的阻尼減振器主要是擠壓油膜阻尼器、金屬橡膠阻尼器、摩擦阻尼器。擠壓油膜阻尼器只能在一定的不平衡度下有效，油膜剛度的高度非線性特性可能導(dǎo)致鎖死、雙穩(wěn)態(tài)和非協(xié)調(diào)的進(jìn)動現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)過大的振動甚至產(chǎn)生疲勞和碰撞，可能出現(xiàn)比不使用還要差的效果，使得擠壓油膜軸承的使用范圍受到了很大的限制。粘彈性阻尼材料不僅具有彈性固體材料貯存能量的特性，還兼具粘性液體消耗運(yùn)動能量的特性。當(dāng)粘彈性阻尼材料受拉伸時，曲折的分子鏈不僅會產(chǎn)生伸長和扭曲變形，分子鏈間還會產(chǎn)生相對滑移和扭轉(zhuǎn)。當(dāng)材料所受外力去除后，已經(jīng)變形的分子鏈不能完全恢復(fù)，出現(xiàn)了永久性的變形而消耗能量。同時部分不能返還的功以熱能的形式損耗。高分子阻尼材料目前發(fā)展迅速，已經(jīng)廣泛用于汽車、采礦、建筑、船舶、航空、航天等工業(yè)領(lǐng)域和體育、家電器材中。然而，粘彈性阻尼材料的剛度、強(qiáng)度和抗蠕變性差，不能作為結(jié)構(gòu)材料使用，高分子材料的阻尼性能只有在狹窄的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)才明顯，長期使用在減振過程中剛度和阻尼性能都較容易衰減，工作穩(wěn)定性變差。摩擦阻尼器在傳動軸系的工作過程中，將振動能量(機(jī)械能)轉(zhuǎn)化為熱能，由周圍的介質(zhì)帶走熱量，從而達(dá)到減振的目的。摩擦阻尼器因其結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計成本較低，但是摩擦阻尼器的耗能機(jī)理會產(chǎn)生溫升，高速情況下，動靜摩擦片在散熱不及時的情況下會發(fā)生粘結(jié)；長期使用，摩擦損耗會導(dǎo)致阻尼器工作性能的衰退。
[0005]以上敘述的各種減振裝置，按照是否需要振動系統(tǒng)以外的設(shè)備提供能量以支持其工作來劃分，可以分為被動減振裝置和主動減振裝置。彈性支承、擠壓油膜阻尼器、金屬橡膠、粘彈特性橡膠、橡膠硅油阻尼器等屬于被動減振裝置；壓電陶瓷作動器、電磁鐵作動器、液壓進(jìn)動機(jī)構(gòu)等屬于主動減振裝置。西北工業(yè)大學(xué)的廖明夫老師有一篇專利“一種抑制帶彈性支承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動的方法及裝置”(發(fā)明專利申請?zhí)枮?00410073346.0)，提出了:通過干摩擦阻尼器產(chǎn)生摩擦力，在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中引入外阻尼來降低轉(zhuǎn)子振動的方法。他們的裝置完全依靠摩擦阻尼減振，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中使用的彈性支承是為了獲得足夠的摩擦相對運(yùn)動，并沒有提出組合式減振裝置組合在一起靈活避開臨界轉(zhuǎn)速的策略。事實上，他們提出的只是單一的摩擦阻尼式主動減振方法。
[0006]綜合以上分析，使用單一的減振手段雖然可行，不過每種方法都存在一些缺陷，都會帶來一些新的問題。所以，為了設(shè)計出更加安全、可靠、耐用的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)減振器，有必要將以上那些單一的減振手段結(jié)合起來運(yùn)用，彌補(bǔ)各自的不足，發(fā)揮相互的優(yōu)勢，取長補(bǔ)短，改善傳動軸系的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)動力學(xué)性能。本發(fā)明既使用被動減振方式又使用主動減振方式，初始狀態(tài)下只有被動減振裝置起作用。被動減振裝置設(shè)計的再精妙，超臨界轉(zhuǎn)子依然需要經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速，以致不得不被動地面對臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域激烈的橫向振動帶來的問題，被動地去吸收和消耗劇烈振動的能量。為了進(jìn)一步控制和改善通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域的振動問題，本發(fā)明采用主動減振裝置對超臨界轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)，改變系統(tǒng)瞬時的剛度值、提高瞬時的臨界轉(zhuǎn)速，避免了轉(zhuǎn)子劇烈震動。這種靈活結(jié)合兩種減振原理，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)剛度、阻尼，巧妙避開超臨界轉(zhuǎn)子升降速過程中的共振區(qū)，達(dá)到減振目的的方法，目前還沒有人提出過。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決現(xiàn)有各種單一減振方法帶來的種種缺陷，設(shè)計出更加安全、可靠、耐用的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)減振裝置，有必要將以上那些單一的減振手段組合起來運(yùn)用，彌補(bǔ)各自的不足，發(fā)揮相互的優(yōu)勢，取長補(bǔ)短，改善傳動軸系的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)動力學(xué)性能。
[0008]本發(fā)明提出了一種使用組合式減振策略的超臨界轉(zhuǎn)子減震裝置，該裝置由三大部分組成:一是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)部分、二是被動減振部分、三是主動減振部分；
轉(zhuǎn)子系統(tǒng)部分包括安裝于第一支座的第一軸承、安裝于第二支座的第二軸承，還包括安裝于第一軸承和第二軸承的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸上安裝轉(zhuǎn)子；
被動減振部分包括上述第二軸承和第二支座之間由內(nèi)而外依次安裝的套筒和被動減振結(jié)構(gòu)；該套筒伸出所述第二軸承外側(cè)；且套筒伸出端的端面安裝有振摩擦環(huán)；
主動減振部分包括作動器、安裝于作動器的作動端的定摩擦環(huán)；
所述振摩擦環(huán)和定摩擦環(huán)外側(cè)端面位置相對；
組合式減振策略是指由被動減振方式與主動減振方式組合在一起，避開超臨界轉(zhuǎn)子在升降速過程中的劇烈共振區(qū)，解決轉(zhuǎn)子通過臨界轉(zhuǎn)速時激烈振動問題的策略；
被動減振結(jié)構(gòu)可以是:彈性支承、擠壓油膜阻尼器、金屬橡膠、粘彈特性橡膠、橡膠硅油阻尼器等；
主動減振結(jié)構(gòu)可以是:壓電陶瓷作動器、電磁鐵作動器、液壓進(jìn)動機(jī)構(gòu)等。
[0009]本發(fā)明屬于一種新型可自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)剛度和阻尼的超臨界轉(zhuǎn)子裝置。提出了一種將被動減振方式與主動減振方式組合使用的減振策略，使用該減振策略的傳動軸系能夠自適應(yīng)尋優(yōu)控制、以不同的剛度和阻尼的組合形式，巧妙避開超臨界轉(zhuǎn)子在升降速過程中的劇烈共振區(qū)，抑制傳動軸系的橫向振動幅值，提高了軸系工作轉(zhuǎn)速區(qū)的安全裕度，減小了轉(zhuǎn)子軸系在通過臨界轉(zhuǎn)速時的振動。
[0010]本發(fā)明的工作方式為:初始狀態(tài)下，作動器不工作，其驅(qū)動的定摩擦環(huán)與振摩擦環(huán)