帶金屬橡膠外環的自適應擠壓油膜阻尼器的製作方法

2023-05-30 12:51:41

專利名稱：帶金屬橡膠外環的自適應擠壓油膜阻尼器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種適用於高速旋轉機械轉子系統的減振裝置，具體地說，是指一種帶金屬橡膠外環的自適應擠壓油膜阻尼器。
背景技術：
高性能、高可靠性的航空發動機等高速旋轉機械的研製要求轉子系統具有優良的阻尼減振器，以確保轉子系統接近臨界轉速和通過多階臨界轉速的振動得到有效的控制。擠壓油膜阻尼器(squeeze film damper，SFD)因結構簡單、體積小、重量輕、成本低廉、減振效果顯著等優點，已廣泛應用於航空發動機等高速旋轉機械中。但SFD是非線性阻尼器，在高轉速和較大不平衡量時，其油膜剛度隨軸頸偏心率的增大而呈高度非線性增長，很容易產生「雙穩態跳躍」和「鎖死」等嚴重的有害現象，進而使轉子系統產生振動過大甚至碰摩、疲勞故障。

發明內容
本實用新型的目的在於提供一種帶金屬橡膠外環的自適應擠壓油膜阻尼器。即在原來SFD的油膜軸頸和軸承座之間串聯具有彈性的金屬橡膠組件。這樣在軸頸偏心率增大，油膜力增大時，油膜環在油膜力作用下移動，擠壓金屬橡膠組件變形，從而使油膜厚度相對增大，油膜力減小，這樣油膜剛度不會隨軸頸偏心率的增大而呈高度非線性增長。
本實用新型的一種帶金屬橡膠外環的自適應擠壓油膜阻尼器，該阻尼器作為旋轉機械轉子系統的彈性支承，其彈性支承包括軸、軸承、鼠籠彈支、軸承座，軸和軸承軸動連接，鼠籠彈支安裝在軸承座的非軸承端，鼠籠彈支與軸承配合端的外表面即油膜軸頸，其擠壓油膜阻尼器包括有金屬橡膠組件，金屬橡膠組件安裝在油膜軸頸與軸承座之間的軸承端；金屬橡膠組件由內環、內環端蓋、金屬橡膠套環、外環、外環端蓋、內環墊環和外環墊環組成，金屬橡膠套環被夾裝在內環和外環之間，形成過盈配合，內環端蓋和內環墊環安裝在內環的端面上，外環端蓋和外環墊環安裝在外環的端面上，內環與油膜軸頸之間形成間隙，潤滑油由軸承座上的油孔引入，沿圓周充滿此間隙，並沿軸向向兩端流出，形成循環流動。
所述的帶金屬橡膠外環的自適應擠壓油膜阻尼器，其金屬橡膠套環為分瓣式結構，與之對應的內環外表面和外環內表面上設有凸臺。
所述的帶金屬橡膠外環的自適應擠壓油膜阻尼器，其金屬橡膠套環被夾裝在內環和外環之間的相對過盈量比值為1％～5％。
所述的帶金屬橡膠外環的自適應擠壓油膜阻尼器，其加工金屬橡膠套環所需材料可以是不鏽鋼絲、銅絲、形狀記憶合金、GH4169。
本實用新型的優點1.改善了擠壓油膜阻尼器油膜剛度的非線性特性，使整個系統的等效支承剛度由SFD時高度非線性變為線性或擬線性，能適合更高的轉速和更大的不平衡量範圍。
2.金屬橡膠具有良好的阻尼特性，它的加入增加了轉子系統的阻尼，對轉子系統的減振更有效。
3.通過調整金屬橡膠的剛度，可以調整轉子系統臨界轉速，滿足轉子系統的性能要求。
4.帶金屬橡膠外環的自適應擠壓油膜阻尼器集擠壓油膜阻尼器和金屬橡膠的優點於一身，結構簡單、體積小、重量輕、減振效果顯著。


圖1是帶本實用新型阻尼器的轉子系統支承端的結構剖視圖。
圖2是圖1的A-A向視圖。
圖3(a)是本實用新型金屬橡膠組件的實體分解示意圖。
圖3(b)是本實用新型金屬橡膠組件的實體組裝外觀圖。
圖4是現有帶鼠籠彈支的擠壓油膜阻尼器的結構剖視圖。
圖5(a)為剛性轉子SFD系統軸頸水平方向穩態位移響應曲線。
圖5(b)為剛性轉子ASFD/MRR系統軸頸水平方向穩態位移響應曲線。
圖5(c)為剛性轉子ASFD/MRR系統外環水平方向穩態位移響應曲線。
圖中 1.軸 2.軸承 3.鼠籠彈支 301.油膜軸頸4.金屬橡膠組件 401.內402.內環端蓋 403.金屬橡膠套環404.外環405.外環端蓋 406.內環墊環 407.外環墊環 408.內環凸臺409.外環凸臺5.軸承座 6.油膜環 7.油孔具體實施方式
下面將結合附圖對本實用新型作進一步的說明。
在旋轉機械轉子系統中的一種典型彈性支承結構(如圖4所示)，主要包括軸1、軸承2、鼠籠彈支3、油膜環6和軸承座5。軸1和軸承2軸動連接，鼠籠彈支3安裝在軸承座5的非軸承端，鼠籠彈支3的外表面即油膜軸頸301與軸承2配裝；油膜環6安裝在軸承座5的軸承端，油膜環6與油膜軸頸301之間形成間隙，潤滑油由軸承座5上的油孔7引入，沿圓周充滿此間隙，並沿軸向向兩端流出，形成循環流動。此結構的油膜軸頸301與油膜環6形成擠壓油膜阻尼器(Squeeze FilmDamper，SFD)，其油膜環6為剛性油膜環。
在本實用新型中，一種帶金屬橡膠外環的自適應擠壓油膜阻尼器(AdaptiveSqueeze Film Damper with Metal Rubber outer-Ring，ASFD/MRR)，採用金屬橡膠組件4代替SFD的剛性油膜環6，即在原來SFD的油膜軸頸301和軸承座5之間串聯具有彈性的金屬橡膠組件4，如圖1、圖2所示，這樣在軸頸偏心率增大，油膜力增大時，內環401在油膜力作用下移動，擠壓金屬橡膠套環403變形，從而使油膜厚度相對增大，油膜力減小，直至達到一個平衡狀態。這時油膜厚度取決於油膜軸頸301和內環401的位移之差，在適當的選擇金屬橡膠剛度等結構參數情況下，油膜剛度不會隨軸頸偏心率變化產生高度非線性。
請參見圖1、圖2和圖3所示，在本實用新型中，金屬橡膠組件4由內環401、內環端蓋402、分瓣式金屬橡膠套環403、外環404、外環端蓋405、內環墊環406和外環墊環407組成，如圖3(a)所示。用金屬橡膠組件4代替SFD的油膜環4安裝在軸承座5的軸承端，內環401與油膜軸頸之間形成間隙，潤滑油由軸承座5上的油孔引入，沿圓周充滿此間隙形成擠壓油膜，並沿軸向向兩端流出，形成循環流動。
在本實用新型中，製作分瓣式金屬橡膠套環403的金屬絲材料要根據轉子系統的載荷特點、性能要求、工作環境等進行選擇，如不鏽鋼絲、銅絲、形狀記憶合金、GH4169等。
金屬橡膠組件4的裝配關係為分瓣式金屬橡膠套環403被夾裝在內環401和外環404之間，形成過盈配合，即有一定的徑向預載，進而控制金屬橡膠的性能並防止其周向滑動。過盈量s根據轉子系統的性能要求而定，一般相對過盈量s/R為1％～5％(R為油膜軸頸半徑)。內環端蓋402和內環墊環406安裝在內環401的端面上，外環端蓋405和外環墊環407安裝在外環404的端面上，內環401沿軸向方向上設有內環凸臺408，外環404沿軸向方向上設有外環凸臺409，凸臺的個數要根據轉子系統的性能要求而定。內環401、外環404另一端與端蓋配合，起到對金屬橡膠套環403軸向定位的作用，通過調整端蓋處墊環的厚度，可以改變金屬橡膠套環403的軸向預載力，進而改變金屬橡膠套環403的剛度阻尼特性。本項目的金屬橡膠套環403為分瓣式結構，將連接好的金屬橡膠組件4(如圖3(b))一起塞入軸承端的軸承座S中並用螺栓固定。為獲得更大的外阻尼，試驗時要給金屬橡膠充油，使金屬橡膠套環403變形時擠壓滑油而消耗更多的能量。
ASFD/MRR的特點是集SFD和金屬橡膠(Metal Rubber，簡計為MR)的優點於一身，即改善了SFD油膜剛度的高度非線性特性，又增大了轉子支承系統的阻尼，能適合更高的轉速和更大的不平衡量範圍，並且還具有調整轉子系統臨界轉速的功能。
在ASFD/MRR減振有效性的實驗中，剛性轉子一端採用剛性支承，另一端採用帶定心彈支的SFD或ASFD/MRR支承系統。實驗時，控制實驗臺轉速緩慢地從30r/min均勻升速至10000r/min，供油壓力為環境壓力，供油溫度為室溫，兩端不封油，滑油動粘度μ＝1.884E-02Pa·s。用四個電渦流位移傳感器，同時測量軸頸和外環x、y方向的四路振動信號，實驗的記錄分析儀器為DASP數據採集和信號分析系統。
阻尼器參數為阻尼器半徑R＝40mm，半徑間隙C＝0.08mm，間隙比C/R＝0.2％，長度L＝27mm。
環形金屬橡膠主要參數為外徑Dw＝100mm，內徑Dn＝86mm，寬L＝21mm，金屬絲徑ds＝0.13mm，質量M＝96g。經測試金屬橡膠基本工作在線性段，實測靜剛度為8.01E+06N/m。鼠籠彈支3實測剛度為2.43E+06N/m。
圖5(a)為剛性轉子SFD系統軸頸水平方向穩態位移響應曲線，圖5(b)、(c)為在相同的工況下，剛性轉子ASFD/MRR系統軸頸、外環水平方向穩態位移響應曲線。(因為水平方向和垂直方向位移響應曲線的規律是一致的，只是幅值大小略有差異，篇幅所限本文只列出水平位移。)由圖5(a)可知，當Q＝27g·cm、51g·cm時SFD轉子系統都能以較小的振幅A越過一階臨界轉速，但臨界區轉速範圍較寬。隨著不平衡量Q的增大，振幅A增大較快，振幅峰值點向高速區移動，當Q＝76g·cm時，振動隨轉速n的增加持續增大，轉子無法通過臨界轉速。對比圖5(a)、圖5(b)可知，Q＝182g·cm時ASFD/MRR系統仍然能順利的通過臨界轉速，ASFD/MRR系統的臨界轉速區較窄，過臨界後振幅很快降了下來，因而ASFD/MRR能比SFD承受更大的不平衡量範圍。由圖5(c)可以看出外環的振動響應特性與軸頸的響應特性相似，當轉速n較低時，由於油膜軸頸301振幅較小，油膜力較小，外環404基本不動；隨著n的繼續升高，外環404的振幅也逐漸增大，並與油膜軸頸301振幅同時達到響應峰值點。過了臨界轉速區後，油膜軸頸301振幅迅速降了下來，外環404又保持基本不動。ASFD/MRR系統在整個實驗轉速範圍內外環404振幅始終小於油膜軸頸301振幅。由圖5(b、c)還可以看出，當Q較大時，彈性外環404進動，其油膜軸頸301和外環404振動的一階臨界峰值相對SFD較大，但由於ASFD/MRR系統的阻尼也較大，因而其絕對值很小。
權利要求1.一種帶金屬橡膠外環的自適應擠壓油膜阻尼器，該阻尼器作為旋轉機械轉子系統的彈性支承，其彈性支承包括軸(1)、軸承(2)、鼠籠彈支(3)、軸承座(5)，軸(1)和軸承(2)軸動連接，鼠籠彈支(3)安裝在軸承座(5)的非軸承端，鼠籠彈支(3)與軸承(2)配合端的外表面即油膜軸頸(301)，其特徵在於擠壓油膜阻尼器包括有金屬橡膠組件(4)，金屬橡膠組件(4)安裝在油膜軸頸(301)與軸承座(5)之間的軸承端；金屬橡膠組件(4)由內環(401)、內環端蓋(402)、金屬橡膠套環(403)、外環(404)、外環端蓋(405)、內環墊環(406)和外環墊環(407)組成，金屬橡膠套環(403)被夾裝在內環(401)和外環(404)之間，形成過盈配合，內環端蓋(402)和內環墊環(406)安裝在內環(401)的端面上，外環端蓋(405)和外環墊環(407)安裝在外環(404)的端面上，內環(401)與油膜軸頸(301)之間形成間隙，潤滑油由軸承座(5)上的油孔(7)引入，沿圓周充滿此間隙，並沿軸向向兩端流出，形成循環流動。
2.根據權利要求1所述的帶金屬橡膠外環的自適應擠壓油膜阻尼器，其特徵在於金屬橡膠套環(403)為分瓣式結構，與之對應的內環(401)外表面和外環(404)內表面上設有凸臺。
3.根據權利要求1所述的帶金屬橡膠外環的自適應擠壓油膜阻尼器，其特徵在於金屬橡膠套環(403)被夾裝在內環(401)和外環(404)之間的相對過盈量比值為1％～5％。
4.根據權利要求1所述的帶金屬橡膠外環的自適應擠壓油膜阻尼器，其特徵在於加工金屬橡膠套環(403)所需材料可以是不鏽鋼絲、銅絲、形狀記憶合金、GH4169。
專利摘要本實用新型公開了一種帶金屬橡膠外環的自適應擠壓油膜阻尼器，該阻尼器作為旋轉機械轉子系統的彈性支承，具有良好的減振效果。在本實用新型擠壓油膜阻尼器包括金屬橡膠組件，其安裝在油膜軸頸與軸承座之間的軸承端。金屬橡膠組件由內環、內環端蓋、金屬橡膠套環、外環、外環端蓋、內環墊環和外環墊環組成，金屬橡膠套環被夾裝在內環和外環之間，形成過盈配合。內環端蓋和內環墊環安裝在內環的端面上，外環端蓋和外環墊環安裝在外環的端面上，內環與油膜軸頸之間形成間隙，潤滑油由軸承座上的油孔引入，沿圓周充滿此間隙，並沿軸向向兩端流出，形成循環流動。
文檔編號F16F15/023GK2769611SQ20042011222
公開日2006年4月5日 申請日期2004年11月4日 優先權日2004年11月4日
發明者洪傑, 朱梓根, 馬豔紅 申請人:北京航空航天大學