一種彈性支承幹摩擦阻尼器的製作方法

2023-06-08 05:02:46 1

本發明涉及振動控制領域，特別是一種彈性支承幹摩擦阻尼器。

背景技術：

在工程中由於材料內阻、不平衡質量、滑動軸承油膜力及軸系不對中等因素，會導致轉子在旋轉的過程中產生振動，振動會降低機器的使用精度及使用壽命，也會影響人們的生活及居住環境。若設計不當將引發共振，造成機器停機事故，甚至釀成災難性的後果。隨著現代工業技術的飛速發展，高速轉子系統為了減輕重量,常採用柔性轉子的設計方案,其臨界轉速較低。工作轉速往往在其一、二階臨界轉速之上,因此轉子在啟動、加速或停車、減速過程中必須通過臨界轉速,此時轉子系統就會共振,產生強烈的有害振動。因此必須採取必要措施對轉子經過臨界轉速的共振加以抑制。由於在共振頻率附近是「阻尼控制區」，所以在支撐處引入阻尼是一種可行的振動控制方法。

轉子系統振動的主動控制，是目前轉子振動控制研究的一個熱點，具有重要的理論及實用價值，國內外學者做了許多相關試驗及理論研究。例如：李運華，王佔林，陳介力等，在電液主動控制擠壓油膜阻尼器的理論分析(北京航空航天大學學報，1999，25(4))中，對電液擠壓油膜阻尼器的轉子系統進行了理論分析，提出了一種由壓電晶體電液主動控制的動靜壓混合軸承構成的電液擠壓油膜阻尼器，為實現主動控制奠定了基礎；又如：孟光，殷達章，姚國治，在電流變阻尼器用於轉子振動控制的實驗研究，(航空動力學報，1996，11(3))中，實驗研究了電流變液阻尼器在轉子振動控制中的應用，結果表明電流變液阻尼器具有控制效果明顯、瞬時可控、耗能小的特點。磁流變液擠壓油膜阻尼器，例如：汪建曉，孟光，在磁流變液阻尼器在轉子振動控制中的應用，(化學物理學報，2001,14(5))中，設計並製造了一種剪切式的磁流變液阻尼器，建立了磁流變液阻尼器分析模型，理論和實驗研究了轉子系統的不平衡響應特性。研究表明，磁流變液阻尼器可以抑制柔性轉子通過臨界轉速時的振動。

但上述轉子系統振動的阻尼器都存在執行機構過大、控制複雜等缺點,極大地限制了主動控制技術在振動控制中的實際運用。例如磁流變液阻尼器，需要龐大的驅動線圈。

由於摩擦阻尼機理比較簡單容易控制，學者們設計出了各種幹摩擦阻尼器。例如：宋明波，譚大力，廖明夫，在壓電陶瓷彈性支撐幹摩擦阻尼器減振實驗(航空動力學報，2013,28(10))中，以壓電陶瓷作為出力部件，設計製造了一種幹摩擦阻尼器，對其減振效果進行了實驗驗證，結果表明基於壓電陶瓷的幹摩擦阻尼器，可實現彈性支撐阻尼的在線調控，對系統的橫向振動有明顯的抑制作用。然而，現有的幹摩擦阻尼器只能抑制對應於剛性轉子振動，且通常要求阻尼器安裝于振動撓度最大的位置。由於實際中轉動機械中大都為柔性轉子，因此現有的幹摩擦阻尼器無法抑制柔性轉子偏轉軸向的振動。此外，現有的幹摩擦阻尼器由於存在雙摩擦片及其支撐機構，體積較大。

技術實現要素：

本發明的目的是為了提供一種同時抑制柔性轉子撓度部分振動和偏轉軸向振動，安裝位置自由，體積小的彈性支承幹摩擦阻尼器。

本發明的目的是這樣實現的，包括鼠籠頭部、鼠籠底部和連接杆；鼠籠頭部包括萬向滑動軸承、滑動組件和鼠籠頭部基體；

鼠籠頭部和鼠籠底部通過連接杆連接，鼠籠底部固定於軸承座；鼠籠頭部和鼠籠底部有圓柱體型空心；鼠籠頭部的圓柱體型空心中段為內球面並安裝有萬向滑動軸承，內球面與萬向滑動軸承外表面匹配；萬向滑動軸承有軸孔，軸孔與轉軸匹配，軸孔內鑲嵌滑動軸承襯套；轉軸與滑動軸承襯套連接且置於鼠籠底部的空心中；

鼠籠頭部基體開有矩形槽，矩形槽內安裝滑動組件；滑動組件固定於鼠籠頭部基體；滑動組件連接有摩擦部件，摩擦部件與萬向滑動軸承外表面貼合。

本發明還可以包括：

1.所述滑動組件包括滑動頭、壓電陶瓷組件、力傳感器、墊板、預壓螺栓和側面端蓋；滑動組件的滑動頭與摩擦部件連接，滑動頭的外側安裝有壓電陶瓷組件；壓電陶瓷組件上安裝力傳感器；力傳感器的外側安裝墊板；墊板通過預壓螺栓固定於側面端蓋；側面端蓋與鼠籠頭部基體固連。

2.所述滑動組件成對分布於鼠籠頭部的萬向滑動軸承兩側的對稱位置，鼠籠頭部內安裝2對或3對滑動組件。

3.所述鼠籠頭部為對稱半分式結構，鼠籠頭部加工有線路通道；滑動組件引出的導線經由線路通道與外部控制器連接。

本發明具有如下有益效果：

1.本發明通過在鼠籠頭部設置萬向滑動軸承，且將可控的幹摩擦力作用於萬向滑動軸承，實現對柔性轉子振動的綜合控制，即能夠同時阻尼振動的撓度部分和偏轉軸向振動。

2.本發明裝置能在安裝於軸系不同位置時起到良好的偏轉軸向振動控制效果。

3.本發明通過改變壓電陶瓷組件中電極板之間的加載電壓，可以實現對輸出阻尼力大小的控制，能夠實現轉子振動的主動控制。

4.本發明該裝置的摩擦部分位於鼠籠內部，體積較小。結構簡單、質量輕、響應快、控制能耗小及安裝方便。同時不改變轉子的固有特性，工作時相當於在阻尼器安裝位置引入了集中力及集中彎矩，在控制算法中對應的控制方程容易得到，算法易收斂。

附圖說明

圖1為轉子振動變形示意圖。

圖2為本發明的裝置側視圖。

圖3為本發明的鼠籠頭部結構示意圖。

圖4為本發明的滑動組件示意圖。

圖5為本發明的萬向滑動軸向工作原理圖。

圖6為本發明的鼠籠頭部裝配示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明進行更加細緻的闡述。

工作時柔性轉子呈彎曲狀態,可用如圖1所示的振幅y和轉角θ來描述柔性轉子的變形狀態。為了便於描述，將柔性轉子在y方向上的振動描述為振動的撓度部分，而將產生與軸向偏差θ的振動部分描述為偏轉軸向振動。為了對轉子振動進行抑制，通常是在y方向上加入阻尼、剛度或質量的辦法，因此現有技術無法控制柔性轉子偏轉軸向振動部分。

本發明是在偏轉方向上加入了可控的幹摩擦阻尼力，同時在y方向上引入了一個剛度，實現對柔性轉子振動的撓度部分和偏轉軸向振動同時抑制的目的。

如圖2所示，一種彈性支承幹摩擦阻尼器，包括鼠籠頭部1、鼠籠底部12和連接杆13。鼠籠頭部1包括萬向滑動軸承2、滑動組件和鼠籠頭部基體；滑動組件包括滑動頭3、壓電陶瓷組件4、力傳感器5、墊板6、預壓螺栓7和側面端蓋8；

鼠籠頭部1和鼠籠底部12通過連接杆13連接，鼠籠底部12固定於軸承座；鼠籠頭部1和鼠籠底部12有圓柱體型空心；鼠籠頭部1的圓柱體型空心中段有內球面並安裝有萬向滑動軸承2，內球面與萬向滑動軸承2外表面匹配；萬向滑動軸承2有軸孔，軸孔與轉軸匹配，軸孔內鑲嵌滑動軸承襯套；轉軸與滑動軸承襯套連接且置於鼠籠底部12的空心中；

鼠籠頭部基體開有矩形槽，矩形槽內安裝滑動組件；滑動組件由側面端蓋8固定於鼠籠頭部基體；滑動組件的滑動頭3有摩擦部件，摩擦部件與萬向滑動軸承2的外表面貼合；滑動頭3的外側安裝有壓電陶瓷組件4，壓電陶瓷組件4上安裝力傳感器5；力傳感器5的外側安裝墊板6；墊板6通過預壓螺栓7固定於側面端蓋8；

鼠籠頭部1加工有線路通道；壓電陶瓷組件4和力傳感器5引出的導線經由線路通道與外部控制器連接。

所述鼠籠頭部1和鼠籠底部12由8根等截面半徑和長度的連接杆13連接，並為阻尼器提供彈性支撐。改變8根支撐杆的半徑及長短可以改變阻尼器的支撐剛度。所述的萬向滑動軸承2有內部軸孔，內部軸孔鑲嵌滑動軸承襯套，可以使轉子在內部軸孔內自由轉動，不影響轉軸的功率傳遞。襯套同球形鋼主體之間的配合應為過盈配合。

摩擦部件的摩擦面為部分球面，與萬向滑動軸承2外表面同半徑，在壓力的作用下摩擦面與萬向滑動軸承2外表面貼合,形成摩擦副。摩擦部件表面安裝耐磨組件。

所述壓電陶瓷組件4是滑動頭3動作的力源。當在壓電陶瓷組件4極板上加上電壓後，由於逆壓電效應的作用，壓電陶瓷會產生微小伸縮變形，該微小變形推動滑動頭3壓緊球形滑動軸承外表面，形成摩擦副。壓電陶瓷組件4中極板應同軸承結構體之間進行絕緣處理；整個組件的上下表面的平行度應滿足公差要求以改善各部件的受力狀況。

力傳感器5用於檢測摩擦副的正壓力大小，作為反饋信號反饋給控制系統。選擇合適大小的力傳感器5，應在墊板6上加工可同力傳感器5配合的凹面，用於力傳感器5的定位。

墊板6改善元器件的受力狀況，避免在預緊或工作時預壓螺栓7頂壞元件。墊板6同槽孔間隙配合，同時選用適當的厚度以滿足剛度要求；加工同預壓螺栓7配合的沉孔。

預壓螺栓7為一字頭緊定螺栓，用來調節摩擦副的初始正壓力。

側面端蓋8上有4個連接所需通孔，中間有安裝預壓螺栓7所需螺紋孔。

連接螺栓9為內六角螺栓。

定位銷10是鼠籠頭部1加工及拼裝的定位部件。鎖扣11是安裝鼠籠頭部1拼裝的夾緊裝置，應滿足公差及強度要求；並開有螺栓沉頭。

如圖1，柔性轉子系統在旋轉過程中參與兩種運動，即轉子的自轉及軸彎曲平面繞未變形軸線的公轉。本發明所提供的彈支阻尼力可控的幹摩擦阻尼器的結構形式如圖2所示，整個阻尼器都是通過鼠籠彈性安裝於軸承座上，轉軸穿過萬向滑動軸承2的軸孔。由於鼠籠具有彈性，相當於在y方向引入了一個剛度，而萬向滑動軸承2的萬向性，如圖3所示，使得偏轉方向上可發生相對位移。在阻尼器的工作過程中，可以將轉子的相關振動信號和力傳感器5的力信號作為控制系統的反饋信號，經過邏輯運算後，輸出信號使得相關驅動裝置動作，改變加載在壓電陶瓷組件4極板上的電壓值大小。根據逆壓電效應電場強度的改變，將引起壓電陶瓷的微小伸縮變形，從而帶有摩擦部件的滑動頭3發生微小滑動，進而改變了滑動頭3與萬向滑動軸承2所形成摩擦副之間的正壓力，最終改變阻尼器的幹摩擦阻尼力，實現對轉子振動的抑制。

鼠籠是阻尼器的主要支撐件，如圖4所示，主要由鼠籠底部12、連接杆13及鼠籠頭部1組成。鼠籠頭部基體為對稱半分式結構，拼裝時用鎖扣11進行固定。半分式的鼠籠頭部基體上下兩部分的配合關係要求較高，應該先加工用於上下兩部分定位的銷孔，加工完成後裝入定位銷10，在夾具的夾持下進行一體加工，完成容納萬向滑動軸承2所需的球形腔體，保證球形腔的半分處平滑過渡。同樣的條件下完成與鎖扣11配合的楔面加工。鼠籠頭部1上用於容納滑動頭3、壓電陶瓷組件4及力傳感器5等所用的矩形槽，為了方便加工四周可留適當大小的倒角，去除腔內的機加工毛刺；矩形槽和滑動頭3的配合為過渡配合；在鼠籠頭部1適當位置應加工用於壓電陶瓷組件4電纜及力傳感器5信號線通過的孔，可以為兩個孔，也可以為一個孔，後者應考慮電纜對信號線的影響，需採取一定的屏蔽措施；連接杆13同鼠籠底部12、鼠籠頭部1的連接可採用焊接及螺紋的形式，最好採用螺紋的形式，這樣方便採用不同規格的連接杆13對彈支剛度進行調節。

阻尼器可安裝在軸承座上。安裝位置最好使得阻尼器的球形滑動軸承球心位置位於轉軸振動節點位置，或轉軸振動偏轉角θ最大值處，阻尼器可以更好地發揮作用。