CN110778653A - 一种旋转机械转子支承结构的主动弹性环干摩擦阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转机械转子支承结构的主动弹性环干摩擦阻尼器，包括弹性环内环、弹性环外环、静摩擦片、动摩擦片、静摩擦支架、力传感器。其中，动摩擦片安装在弹性环内环上构成动摩擦组件；静摩擦片及力传感器固定在静摩擦片支架上，构成静摩擦组件。动摩擦组件与静摩擦组件之间形成摩擦副。主动弹性环干摩擦阻尼器可通过电磁铁线圈配合C型磁铁或者带有压电执行器的左右轴向碟形分瓣弹簧驱动来改变摩擦副上的正压力，进而控制摩擦力，以实现对旋转机械转子系统振动及稳定性的主动控制。因此，在旋转机械转子系统的振动主动控制中有广阔的应用前景。

Description

一种旋转机械转子支承结构的主动弹性环干摩擦阻尼器

技术领域

本发明涉及旋转机械领域，尤其涉及一种旋转机械转子支承结构的主动弹性环干摩擦阻尼器。

背景技术

任何旋转机械都具有固有振动，且当外部激励频率与固有频率相同时，旋转转子就会产生自激振动，严重时会导致非常严重的后果，尤其是转速不断上升的高速转子系统(例如航空发动机、燃气轮机、涡轮膨胀机、涡轮增压器、高速鼓风机等)，它们的工作转速往往会跨越一阶、二阶，甚至三阶临界转速。当旋转速度接近临界转速附近或者穿过临界转速时，转子会产生很大振动，特别是在纯滚动轴承支承(有刚度，无阻尼)的转子系统中尤为突出。为解决该问题，常常会给滚动轴承支承增设阻尼环节，满足转子系统高速运行时的刚度和阻尼要求，以有效控制转子系统的振动、提高转子系统的稳定性，传动增加外部阻尼的方法，其严重的非线性特性可引发复杂的非线性响应，最终导致弹性支承抑振作用失效。

随着工业4.0的到来，现代工业技术中大多数旋转机械的转子已经朝着柔性结构的方向在发展。传统的弹性支承由于结构简单易于实现等特点使得其在柔性转子过临界振动抑制中得到了广泛应用。但是一般的弹性支承，特别是采用滚动轴承的弹性支承，支承所能够为转子系统提供的阻尼非常小，不能够满足转子系统对阻尼的要求，因此采用弹性环来调节支承刚度的弹性支承功能，使转子系统可以在高速和大不平衡量的情况下安全工作。但现有的弹性环干摩擦阻尼器大部分属于被动控制，存在着无法根据转子振动状态实现最优振动控制等问题。因此，非常有必要提出主动振动控制方法来实现弹性环干摩擦阻尼器的阻尼力实时可控。

发明内容

为克服现有技术中弹性环干摩擦阻尼器作为被动控制的阻尼机构存在着无法根据转子振动状态进行最优控制和长时间弹性环摩擦面过热的不足，本发明提出了一种旋转机械转子支承结构的主动弹性环干摩擦阻尼器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种旋转机械转子支承结构的主动弹性环干摩擦阻尼器，该干摩擦阻尼器包括转轴、轴承、左右动摩擦片、弹性环外环、弹性环内环、径向弹簧、左右静摩擦片、左右力传感器、左右静摩擦片支架、左右定位球和阻尼器外壳。动摩擦片与弹性环内环构成动摩擦组件；左右静摩擦片、左右力传感器及左右静摩擦片支架分别构成左右两个静摩擦组件。

所述弹性环内环和弹性环外环构成弹性环，所述弹性环具有若干个内外交错均布矩形凸台的环形筒套，弹性环内环上的凸台称为内凸台，弹性环外环上的凸台称为外凸台，在弹性环的圆周上，内凸台与外凸台之间为弹性体结构；弹性环的轴向长度不小于轴承的外侧尺寸；弹性环上的凸台轴向长度大于等于轴承宽度。

所述的左右动摩擦片分别固定在弹性环内环的两侧，左右动摩擦片凸出弹性环内环两侧，弹性环内环的内圆面通过轴承与转轴相连。所述静摩擦片固定在力传感器上，力传感器固定在静摩擦片支架上，静摩擦片凸出静摩擦片支架；左右静摩擦片、左右力传感器的外环与左右静摩擦片支架之间具有一定的间隙，左右两个静摩擦片支架与阻尼器外壳中的定位球配合，完成径向和周向定位。

进一步地，所述的左右动摩擦片、左右静摩擦组件均为对称结构，具有力自平衡的特点。

进一步地，所述的动摩擦片和静摩擦片可以为等厚圆环、也可以为带有基体结构的扇形或环形结构，动摩擦片和静摩擦片的材料可以为钢、铜、粉末冶金、碳-碳复合材料等组合。

进一步地，该阻尼器可由电磁铁线圈配合C型磁铁或者带有压电执行器的左右轴向碟形分瓣弹簧驱动。

本发明的有益效果：

(1)本发明可以通过电磁控制或压电控制来实现一种旋转机械转子支承结构的主动弹性环干摩擦阻尼器对转子的主动振动控制。

(2)本发明的干摩擦阻尼器通过电磁控制时，在线圈电流的作用下产生磁场，形成轴向吸力，使静摩擦组件向内移动，在摩擦副上产生随线圈电流变化的轴向正压力，通过调节电流大小，可容易调节干摩擦阻尼，实现干摩擦阻尼器对转子的主动振动控制。

(3)本发明的干摩擦阻尼器通过压电控制时，控制压电执行器上电压可以控制左右轴向碟形分瓣弹簧对静摩擦组件上的轴向力，改变两个摩擦副上的轴向正压力，控制摩擦力的大小，从而实现通过弹性支承给转子系统添加必要的阻尼，对转子系统的振动及稳定性进行的主动控制。

(4)本发明采用弹性环，刚度性能匹配度好，结构空间紧凑，具有较强的自适应性，有利于改善阻尼器的非线性和转动状态。

附图说明

图1(a)是一种旋转机械转子支承结构的主动弹性环干摩擦阻尼器采用电磁式结构的右半部分示意图；

图1(b)是一种旋转机械转子支承结构的主动弹性环干摩擦阻尼器采用电磁式结构的剖面图；

图2(a)是一种旋转机械转子支承结构的主动弹性环干摩擦阻尼器采用压电式结构的示意图及其剖面图；

图2(b)是一种旋转机械转子支承结构的主动弹性环干摩擦阻尼器采用压电式结构的剖面图；

图3是弹性环的主视图及侧视图；

图4是轴向碟形弹簧的结构图；

图中：1.转轴；2.轴承；3.弹性环内环；4.支承弹簧；5.弹性环外环；6A.右阻尼器外壳；6B.左阻尼器外壳；7A.右轴向碟形分瓣弹簧；7B.左轴向碟形分瓣弹簧；8A.右力传感器；8B.左力传感器；9A.右静摩擦片；9B.左静摩擦片；10A.右动摩擦片；10B.左动摩擦片；11A.右静摩擦片支架；11B.左静摩擦片支架；12A.右外定位球；12B.左外定位球；13.上阻尼器外壳；14.C型磁铁；15.电磁铁线圈；16.环形弹簧。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

本发明提供的一种旋转机械转子支承结构的主动弹性环干摩擦阻尼器，包括转轴1；轴承2；弹性环内环3；轴向弹簧4；弹簧环外环5；右阻尼器外壳6A；左阻尼器外壳6B；右力传感器8A；左力传感器8B；右静摩擦片9A；左静摩擦片9B；右动摩擦片10A；左动摩擦片10B；右静摩擦片支架11A；左静摩擦片支架11B；右外定位球12A；左外定位球12B。

如图3所示，所述弹性环内环3和弹性环外环5构成弹性环，所述弹性环具有若干个内外交错均布矩形凸台的环形筒套，弹性环内环3上的凸台称为内凸台，弹性环外环5上的凸台称为外凸台，在弹性环的圆周上，内凸台与外凸台之间为弹性体结构，可以选择为金属橡胶；弹性环的轴向长度不小于轴承的外侧尺寸；弹性环上的凸台轴向长度大于等于轴承宽度。

左右动摩擦片、左右静摩擦组件均为对称结构，具有力自平衡的特点。所述右动摩擦片10A和左动摩擦片10B分别固定在弹性环内环3的两侧，右动摩擦片10A和左动摩擦片10B凸出弹性环内环3两侧，弹性环内环3的内圆面通过轴承2与转轴1相连。所述右静摩擦片9A固定在右力传感器8A上，右力传感器8A固定在右静摩擦片支架11A上，所述左静摩擦片9B固定在左力传感器8B上，左力传感器8B固定在左静摩擦片支架11B上，左右静摩擦片凸出左右静摩擦片支架；左右静摩擦片、左右力传感器的外环与左右静摩擦片支架之间具有一定的间隙，左右两个静摩擦片支架与阻尼器外壳中的右外定位球12A、左外定位球12B配合，完成径向和周向定位。

动摩擦片和静摩擦片可以为等厚圆环、也可以为带有基体结构的扇形或环形结构，动摩擦片和静摩擦片的材料可以为钢、铜、粉末冶金、碳-碳复合材料等组合。

一种旋转机械转子支承结构的主动弹性环干摩擦阻尼器可由电磁铁线圈配合C型磁铁或者带有压电执行器的左右轴向碟形分瓣弹簧驱动。

实施例1

如图1(a)所示，旋转机械转子支承结构的主动弹性环干摩擦阻尼器由电磁铁线圈15配合C型磁铁14驱动，C型磁铁14上放置了周向缠绕的电磁铁线圈15，构成电磁铁组件，电磁铁组件位于静摩擦片支架和弹性环外环5中间。右静摩擦片支架11A和左静摩擦片支架11B为具有良好导磁性能的磁性材料；其它零件的材料可以为导磁材料也可以为不导磁材料。右动摩擦片固定在弹性环外环5的外侧，静摩擦片安装在动摩擦片的外侧，动摩擦片、静摩擦片均为一个圆环，动摩擦片的外径略小于静摩擦片的外径，动摩擦片的内径略大于静摩擦片的内径。

静摩擦片支架的外侧固定在右阻尼器外壳6A上，静摩擦片支架的外表面与上阻尼器外壳13中的右外定位球12A之间采用无间隙或微间隙配合，如图2(b)所示，完成径向和周向定位，但可以在轴向灵活运动。C型磁铁14的上端通过上阻尼器外壳13上的定位面定位，上阻尼器外壳13的右侧与右阻尼器外壳6A紧密连接。静摩擦片支架与右阻尼器外壳6A之间通过弹性垫片连接。位于静摩擦片支架内侧和弹性环外环5之间的环形弹簧16位于电磁铁组件的外侧；环形弹簧16固定在静摩擦片支架内侧和C型磁铁13下侧。初始状态下环形弹簧处于正常状态或者压缩状态，保证静摩擦组件之间有一个向外的轴向力。电磁铁组件外侧与弹性环外环5之间留有间隙。电磁铁组件与静摩擦片支架之间留有间隙以实现静摩擦组件的轴向运动，且该间隙小于动摩擦片与弹性环外环5之间的间隙。

图1所述的电磁铁组件中电磁铁线圈15、C型磁铁14及静摩擦片支架形成一个闭环的磁路。在线圈电流的作用下产生磁场，形成轴向吸力，使静摩擦组件向内移动，在摩擦副上产生随线圈电流变化的轴向正压力，当右动摩擦片10A随弹性环内环3径向运动时，产生了干摩擦力，实现通过弹性环给转子系统添加必要的阻尼。通过所述的右阻尼器外壳6A与静摩擦片支架之间通过螺栓连接，其间设置弹性垫片，通过调整固定螺栓上的预紧力来实现初始状态下，环形弹簧处于自由状态或者压缩状态，力传感器上的正压力输出为零或为设定值。正压力输出为零时可实现干摩擦阻尼器的无静摩擦力工作，减小静摩擦力对转子系统动力学特性的影响。

装配时：

对于旋转机械转子支承结构的主动弹性环干摩擦阻尼器由电磁铁线圈15配合C型磁铁14驱动时，首先，按照结构位置要求将电磁铁线圈15和C型磁铁14组合为电磁铁组件，并接线圈引出线。其次，按照结构位置要求将静摩擦片固定在力传感器上，再把力传感器固定在静摩擦片支架上，安装后静摩擦片要凸出静摩擦片支架，形成静摩擦组件。最后，按照结构位置要求在阻尼器外壳中安装外定位球及润滑材料，并在端部进行固定。

进一步，进行干摩擦阻尼器的组装，安装动摩擦组件。首先，将动摩擦片固定在弹性环内环的一侧，安装后动摩擦片凸出弹性环内环。其次，在弹性环外环外侧的上阻尼器外壳的内部安装电磁铁组件，将其紧固在上阻尼器外壳上。然后，再将静摩擦组件按照要求安装在右阻尼器外壳的内侧，静摩擦组件的外侧用右阻尼外壳固定，上侧与上阻尼器外壳中的外定位球紧密结合；最后，在电磁铁组件的下侧和静摩擦片支架的内侧固定环形弹簧。

进一步，对组装好的干摩擦阻尼器进行调试，通过调整右阻尼器外壳螺栓上的预紧力来实现初始状态下，环形弹簧处于自由状态或者压缩状态，静摩擦组件中的力传感器上的正压力输出为零或为设定值。最后，将上阻尼器外壳再固定在弹性环外环上，完成整个干摩擦阻尼器的装配。

当需要通过外阻尼来对转子系统的振动及稳定性进行控制时，首先根据所需要干摩擦力的大小确定需要在电磁铁组件线圈上施加的控制电流的大小，在线圈电流的作用下，对静摩擦组件轴向电磁吸力，静摩擦组件克服环形弹簧的弹力，向动摩擦片靠近，在动摩擦片与静摩擦片组成的摩擦副上产生轴向正压力，进而产生干摩擦力，为转子系统提供必要的阻尼。由于摩擦副上的干摩擦力可以通过电磁铁线圈上的电流进行实时控制，因此可以对转子系统的振动及稳定性进行主动控制。

实施例2

如图2(a)所示，旋转机械转子支承结构的主动弹性环干摩擦阻尼器由带有压电执行器的左右轴向碟形分瓣弹簧驱动。

所述右轴向碟形分瓣弹簧7A安装在右静摩擦片支架11A和右阻尼器外壳6A之间，并与右阻尼器外壳6A固定连接，与右静摩擦片支架11A滑动连接，左轴向碟形分瓣弹簧7B安装在左静摩擦片支架11B和左阻尼器外壳6B之间，并与左阻尼器外壳6B固定连接，与左静摩擦片支架11B滑动连接。右动摩擦片10A、左动摩擦片10B、右静摩擦片9A及左静摩擦片9B均为环状，动摩擦片的外径略小于静摩擦片的外径；动摩擦片的内径略大于静摩擦片的内径。右动摩擦片10A和左动摩擦片10B分别固定在弹性环内环3的两侧，左右动摩擦片10A和10B均凸出弹性环内环3。

右静摩擦片9A及左静摩擦片9B先固定在右力传感器8A及左力传感器8B上，然后右力传感器8A及左力传感器8B再分别固定在右静摩擦片支架11A及左静摩擦片支架11B上，右静摩擦片9A、左静摩擦片9B、右力传感器8A及左力传感器8B分别于右静摩擦片支架11A及左静摩擦片支架11B之间保留有间隙。右静摩擦片9A及左静摩擦片9B均高出静摩擦片支架。左右静摩擦片支架11A和11B的外表面与左右阻尼器外壳6A和6B中的左右外定位球12A和12B之间采用无间隙或微间隙配合，如图2(b)所示，完成径向和周向定位，但可在轴向灵活运动。

如图4所示，左右轴向碟形分瓣弹簧7A及7B的每一瓣上均装有压电执行器，可以在每一瓣的一面布置，也可以在两面布置，控制压电执行器上电压可以控制左右轴向碟形分瓣弹簧对静摩擦组件上的轴向力，改变两个摩擦副上的轴向正压力，控制摩擦力的大小，从而实现通过弹性支承给转子系统添加必要的阻尼，对转子系统的振动及稳定性进行的主动控制。

为了提高控制精度，在左右静摩擦片9A和9B与左右静摩擦片支架11A和11B之间设置了轴向力及剪切力传感器8A和8B，对动摩擦片10A和10B与静摩擦片9A和9B之间摩擦副上的正压力，以及所产生的干摩擦力进行准确测量。

装配时：

对于旋转机械转子支承结构的主动弹性环干摩擦阻尼器由带有压电执行器的左右轴向碟形分瓣弹簧驱动时，首先按照结构位置要求将压电执行器安装在轴向碟形分瓣弹簧的每瓣上，并接压电执行器的引出线。然后将右动摩擦片10A及左动摩擦片10B分别固定在弹性环内环3的两侧，并保持两个动摩擦片外表面平行，安装后动摩擦片10A和10B凸出弹性环内环3。

按照结构位置要求将左右静摩擦片9A和9B分别固定在左右力传感器8A和8B上，再把力传感器分别固定在静摩擦片支架11A和11B上，安装后静摩擦片9A和9B凸出静摩擦片支架11A和11B，形成左右静动摩擦组件。按照结构位置要求在左右阻尼器外壳6A和6B中安装左右外定位球12A和12B及润滑材料，并在端部进行简单的固定。然后，按照结构位置要求在左右阻尼器外壳6A和6B中安装左右侧的轴向碟形分瓣弹簧7A和7B，并固定引线。

按照结构位置要求进行干摩擦阻尼器的组装，可以先将左静摩擦组件按照要求通过左轴向碟形分瓣弹簧7B安装在左阻尼器外壳6B的内侧；然后安装动摩擦组件；最后安装右静摩擦组件及带有右侧轴向碟形分瓣弹簧7A的右阻尼器外壳6A，并将其固定在右阻尼器外壳6A的右侧。

对组装好的干摩擦阻尼器进行调试，通过调整左右轴向预压碟形分瓣弹簧7A和7B上的电压，使左右轴向预压碟形分瓣弹簧7A和7B处于预压状态，并实现在摩擦副上的零压力接触状态或需要的正压力接触状态。最后，将整个干摩擦阻尼器外壳固定在弹性环外环5上，完成整个干摩擦阻尼器的装配。

当需要通过外阻尼来对转子系统的振动及稳定性进行控制时，首先根据所需要干摩擦力的大小确定需要在轴向碟形分瓣弹簧上压电执行器上电压的大小，来对动摩擦片10A和10B与静摩擦片9A和9B摩擦副上产生的正压力进行调节，以实现对干摩擦力的控制，为转子系统提供必要的阻尼。由于动摩擦片与静摩擦片之间的干摩擦力可以通过压电执行器上的控制电压进行实时控制，因此能够对转子系统的振动及稳定性进行主动控制。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种旋转机械转子支承结构的主动弹性环干摩擦阻尼器，其特征在于，该干摩擦阻尼器包括转轴、轴承、左右动摩擦片、弹性环外环、弹性环内环、径向弹簧、左右静摩擦片、左右力传感器、左右静摩擦片支架、左右定位球和阻尼器外壳。动摩擦片与弹性环内环构成动摩擦组件；左右静摩擦片、左右力传感器及左右静摩擦片支架分别构成左右两个静摩擦组件。

所述弹性环内环和弹性环外环构成弹性环，所述弹性环具有若干个内外交错均布矩形凸台的环形筒套，弹性环内环上的凸台称为内凸台，弹性环外环上的凸台称为外凸台，在弹性环的圆周上，内凸台与外凸台之间为弹性体结构；弹性环的轴向长度不小于轴承的外侧尺寸；弹性环上的凸台轴向长度大于等于轴承宽度。

所述的左右动摩擦片分别固定在弹性环内环的两侧，左右动摩擦片凸出弹性环内环两侧，弹性环内环的内圆面通过轴承与转轴相连。所述静摩擦片固定在力传感器上，力传感器固定在静摩擦片支架上，静摩擦片凸出静摩擦片支架；左右静摩擦片、左右力传感器的外环与左右静摩擦片支架之间具有一定的间隙，左右两个静摩擦片支架与阻尼器外壳中的定位球配合，完成径向和周向定位。

2.如权利要求1所述一种旋转机械转子支承结构的主动弹性环干摩擦阻尼器，其特征在于，所述的左右动摩擦片、左右静摩擦组件均为对称结构，具有力自平衡的特点。

3.如权利要求1所述一种旋转机械转子支承结构的主动弹性环干摩擦阻尼器，其特征在于，所述的动摩擦片和静摩擦片可以为等厚圆环、也可以为带有基体结构的扇形或环形结构，动摩擦片和静摩擦片的材料可以为钢、铜、粉末冶金、碳-碳复合材料等组合。

4.如权利要求1所述一种旋转机械转子支承结构的主动弹性环干摩擦阻尼器，其特征在于，该阻尼器主动控制方式可采用电磁铁线圈配合C型磁铁或者带有压电执行器的左右轴向碟形分瓣弹簧实现。

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