应用在非对称转子系统中的多重动力吸振器及其设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种应用在非对称转子系统中的多重动力吸振器及其设计方法，非对称转子系统的转轴具有非轴对称特性或支承结构具有非各向同性特性，且在过临界转速与1/2临界转速时存在振动过大和不稳定问题；多重动力吸振器由环形底座和多个悬臂梁振子构成，并通过滚动轴承安装在转轴上，多重动力吸振器不随非对称转子系统转动而转动；悬臂梁振子沿周向等距安装在环形底座上，其固有频率的平均值与非对称转子系统失稳区频带的中心频率相近；在非对称转子系统运行过程中，悬臂梁振子吸收系统的部分振动能量，通过优选多重动力吸振器的结构参数，大幅提升系统的阻尼水平，降低系统通过临界转速处的共振振幅，抑制系统的不稳定现象。象。象。

【技术实现步骤摘要】
应用在非对称转子系统中的多重动力吸振器及其设计方法


[0001]本专利技术涉及结构振动控制领域，更具体地说是涉及一种应用在非对称转子系统中的多重动力吸振器及其设计方法。

技术介绍

[0002]旋转机械是衡量国家装备制造业发展水平的标志性设备之一，在国民生活、工业生产和国防建设中发挥着无可替代作用。作为旋转机械的核心部件，转子系统通常需要在复杂恶劣的工况中保持较高的运行转速，一旦出现故障就将造成重大的经济损失甚至是机毁人亡的事故，因而转子系统决定着旋转机械运行的可靠性和安全性。非对称转子系统是旋转机械中广泛存在的具有非轴对称转子结构或非各向同性支承结构的转子系统，如两极发电机转子、风力发电机转子、曲轴、裂纹转子以及非各向同性滑动轴承和滚动轴承支承的转子系统等。然而，非对称转子系统在自身重力和不平衡力载荷作用下，在过1/2临界转速时将出现明显谐振峰，过临界转速时将出现谐振峰数量增多、幅值增大、振动频带变宽和不稳定的现象。这些复杂的振动特征和出现的不稳定现象大大提高了非对称转子系统发生故障的几率，同时也制约了非对称转子系统旋转机械设备的进一步发展。因此，非对称转子系统的安全稳定运行至关重要，亟待开发能有效降低非对称转子系统振动幅值，抑制非对称转子系统不稳定现象，在复杂恶劣工况中长期稳定运行的减振装置。

技术实现思路

[0003]本专利技术是为避免现有技术所存在的不足，提供一种应用在非对称转子系统中的多重动力吸振器及其设计方法，通过设置多重动力吸振器多个悬臂梁振子的固有频率与非对称转子系统的振动特性相匹配，降低非对称转子系统通过相应频带的振动幅值，消除相应频带内出现的不稳定现象，提升非对称转子系统长期运行的安全稳定性。
[0004]本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：
[0005]本专利技术应用在非对称转子系统中的多重动力吸振器，所述非对称转子系统包括转动构件和支承构件，所述转动构件包括转轴和固定设置在转轴上的轮盘，所述支承构件是通过滚动轴承或滑动轴承支承转轴的支撑结构；所述非对称转子系统是指所述转轴具有非轴对称特性，或所述支撑结构的阻尼和刚度参数具有非各向同性的特性；所述非对称转子系统在过临界转速与1/2临界转速时存在振动和不稳定问题；本专利技术的特点是：设置所述多重动力吸振器的结构形式为：
[0006]所述多重动力吸振器是由环形底座和多个悬臂梁振子构成，所述环形底座通过滚动轴承安装在所述转轴上，各悬臂梁振子在环形底座上沿周向设置，每一个悬臂梁振子即为一个动力吸振器；
[0007]所述滚动轴承的内圈随转轴转动，所述环形底座固定安装在滚动轴承的外圈上，使环形底座并不随非对称转子系统转动；
[0008]所述悬臂梁振子由弹性梁和质量块构成，所述弹性梁为等截面梁或非等截面梁，
所述等截面梁为矩形等截面梁；多个悬臂梁振子周向等距布置在环形底座上，且所述弹性梁根部与环形底座固定连接，弹性梁前端固定连接质量块，弹性梁本体沿转轴的轴线方向悬伸；
[0009]所述多个悬臂梁振子的固有频率各不相同，且在设定的振子频带内等间隔分布或非等间隔分布，所有振子频率的平均值与非对称转子系统失稳区频带的中心频率相近，使得在所述非对称转子系统通过临界转速与1/2临界转速时，各悬臂梁振子吸收系统的部分振动能量，并通过悬臂梁振子自身阻尼进行耗散，以提升整个系统的阻尼水平，降低非对称转子系统通过临界转速与1/2临界转速处的共振振幅，并消除非对称因素导致的失稳现象；
[0010]所述非对称转子系统的失稳区为系统复特征值实部为正数时对应的转速范围，所述的失稳区频带的中心频率为失稳区的最大转速与最小转速的平均值对应的转频；
[0011]本专利技术应用在非对称转子系统中的多重动力吸振器的特点也在于：所述环形底座为整圆环结构，或是由螺栓连接两个半圆环构成的对半式圆环结构，且环形底座与滚动轴承外圈为过盈配合。
[0012]本专利技术应用在非对称转子系统中的多重动力吸振器的特点也在于：所述弹性梁根部与环形底座的固定连接为焊接或螺钉连接或榫卯连接；所述焊接是指将弹性梁根部与环形底座焊接在一起；所述螺钉连接是指在弹性梁根部加工光孔，在环形底座加工螺纹孔，并通过螺钉将弹性梁根部与环形底座安装在一起；所述榫卯连接是指在环形底座上加工与弹性梁根部匹配的榫槽，以弹性梁根部为榫头进行安装。
[0013]本专利技术应用在非对称转子系统中的多重动力吸振器的特点也在于：所述多重动力吸振器中悬臂梁振子的数量不少于3，且不大于30；所述多重动力吸振器的总质量为非对称转子系统质量的1％
‑
15％；各悬臂梁振子固有频率的加工误差不大于5％，所有振子频率的平均值与失稳区频带中心频率的偏差不大于10％。
[0014]本专利技术应用在非对称转子系统中的多重动力吸振器的设计方法的特点是：
[0015]针对应用在非对称转子系统中的多重动力吸振器，按如下步骤设计多重动力吸振器的振子频带：
[0016]步骤1：求解获得非对称转子系统失稳区频带W
r
[0017]基于有限元法建立非对称转子系统的动力学模型，求解非对称转子系统的振动响应R
r
和复特征值F
r
，绘制复特征值F
r
实部最大值随频率的变化曲线K
r
，取所述曲线K
r
上各正数对应的最小频率f
rmin
和最大频率f
rmax
围成的频带为失稳区频带W
r
；
[0018]步骤2：求解获得失稳区频带W
r
的中心频率f
r
和频带宽度A
[0019]由所述步骤1中失稳区频带W
r
的最小频率f
rmin
和最大频率f
rmax
，按式(1)计算获得失稳区频带W
r
的中心频率f
r
；
[0020]f
r
＝(f
rmin
+f
rmax
)/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0021]按式(2)计算获得失稳区频带W
r
的频带宽度A；
[0022]A＝f
rmax
‑
f
rmin
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0023]步骤3：求解获得振子频带的最优中心频率f
vopt
和最优频带宽度B
opt
[0024]振子频带的中心频率f
v
为所有悬臂梁振子固有频率的平均值如式(3)
[0025][0026]式(3)中：
[0027]f
k
为第k个振子的固有频率，k＝1,2,
…
,n，且f
k
＜f
k+1
；n为悬臂梁振子的数量；
[0028]振子的频带宽度B为悬臂梁振子固有频率最大值f
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用在非对称转子系统中的多重动力吸振器，所述非对称转子系统(1)包括转动构件和支承构件，所述转动构件包括转轴(1a)和固定设置在转轴(1a)上的轮盘(1b)，所述支承构件是通过滚动轴承或滑动轴承支承转轴(1a)的支撑结构(1c)；所述非对称转子系统(1)是指所述转轴(1a)具有非轴对称特性，或所述支撑结构(1c)的阻尼和刚度参数具有非各向同性的特性；所述非对称转子系统(1)在过临界转速与1/2临界转速时存在振动和不稳定问题；其特征是：设置所述多重动力吸振器(3)的结构形式：所述多重动力吸振器(3)是由环形底座(3a)和多个悬臂梁振子(3b)构成，所述环形底座(3a)通过滚动轴承(2)安装在所述转轴(1a)上，各悬臂梁振子(3b)在环形底座(3a)上沿周向设置，每一个悬臂梁振子(3b)即为一个动力吸振器；所述滚动轴承(2)的内圈随转轴(1a)转动，所述环形底座(3a)固定安装在滚动轴承(2)的外圈上，使环形底座(3a)并不随非对称转子系统转动；所述悬臂梁振子(3b)由弹性梁和质量块构成，所述弹性梁为等截面梁或非等截面梁，所述等截面梁为矩形等截面梁；多个悬臂梁振子(3b)周向等距布置在环形底座(3a)上，且所述弹性梁根部与环形底座(3a)固定连接，弹性梁前端固定连接质量块，弹性梁本体沿转轴(1a)的轴线方向悬伸；所述多个悬臂梁振子的固有频率各不相同，且在设定的振子频带内等间隔分布或非等间隔分布，所有振子频率的平均值与非对称转子系统(1)失稳区频带的中心频率相近，使得在所述非对称转子系统(1)通过临界转速与1/2临界转速时，各悬臂梁振子(3b)吸收系统的部分振动能量，并通过悬臂梁振子自身阻尼进行耗散，以提升整个系统的阻尼水平，降低非对称转子系统(1)通过临界转速与1/2临界转速处的共振振幅，并消除非对称因素导致的失稳现象；所述非对称转子系统的失稳区为系统复特征值实部为正数时对应的转速范围，所述的失稳区频带的中心频率为失稳区的最大转速与最小转速的平均值对应的转频。2.根据权利要求1所述的应用在非对称转子系统中的多重动力吸振器，其特征是：所述环形底座(3a)为整圆环结构，或是由螺栓连接两个半圆环构成的对半式圆环结构，且环形底座(3a)与滚动轴承(2)外圈为过盈配合。3.根据权利要求1所述的应用在非对称转子系统中的多重动力吸振器，其特征是：所述弹性梁根部与环形底座(3a)的固定连接为焊接或螺钉连接或榫卯连接；所述焊接是指将弹性梁根部与环形底座(3a)焊接在一起；所述螺钉连接是指在弹性梁根部加工光孔，在环形底座(3a)加工螺纹孔，并通过螺钉将弹性梁根部与环形底座(3a)安装在一起；所述榫卯连接是指在环形底座(3a)上加工与弹性梁根部匹配的榫槽，以弹性梁根部为榫头进行安装。4.根据权利要求1所述的应用在非对称转子系统中的多重动力吸振器，其特征是：所述多重动力吸振器中悬臂梁振子(3b)的数量不少于3，且不大于30；所述多重动力吸振器(3)的总质量为非对称转子系统(1)质量的1％
‑
15％；各悬臂梁振子固有频率的加工误差不大于5％，所有振子频率的平均值与失稳区频带中心频率的偏差不大于10％。5.一种应用在非对称转子系统中的多重动力吸振器的设计方法，其特征是：针对权利要求1所述的应用在非对称转子系统中的多重动力吸振器，按如下步骤设计多重动力吸振器的振子频带：
步骤1：求解获得非对称转子系统失稳区频带W
r
基于有限元法建立非对称转子系统(1)的动力学模型，求解非对称转子系统(1)的振动响应R
r
和复特征值F
r
，绘制复特征值F
r
实部最大值随频率的变化曲线K
r
，取所述曲线K
r
上各正数对应的最小频率f
rmin
和最大频率f
rmax
围成的频带为失稳区频带W
r
；步骤2：求解获得失稳区频带W
r
的中心频率f

【专利技术属性】
技术研发人员：王帅，李佳航，黄一鸣，孙磊，汪方潮，郑昌军，毕传兴，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：