阅读说明：本技术 一种旋转机械转子支承结构的压电式自平衡弹性支承干摩擦阻尼器 (Piezoelectric type self-balancing elastic support dry friction damper of rotor support structure of rotary machine ) 是由 祝长生 巩磊 于 2019-10-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种旋转机械转子支承结构的压电式自平衡弹性支承干摩擦阻尼器,包括弹性支承、动摩擦片、动摩擦片支架、静摩擦片、力传感器、静摩擦片支架、固定板、轴向分瓣蝶形弹簧。动摩擦片安装在弹性支承动摩擦片支架上,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。静摩擦片支架与固定板之间设置有带压电执行器的轴向分瓣蝶形弹簧。通过对压电执行器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。由于干摩擦阻尼器上的摩擦力可以通过压电执行器实时精确控制,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。(The invention discloses a piezoelectric type self-balancing elastic support dry friction damper of a rotor supporting structure of a rotary machine, which comprises an elastic support, a dynamic friction plate bracket, a static friction plate, a force sensor, a static friction plate bracket, a fixed plate and an axial split belleville spring. The dynamic friction plate is arranged on the elastic support dynamic friction plate bracket to form a dynamic friction assembly. The static friction plate and the force sensor are fixed on the static friction plate bracket to form a static friction assembly. And a friction pair is formed between the dynamic friction component and the static friction component. An axial split belleville spring with a piezoelectric actuator is arranged between the static friction plate bracket and the fixed plate. The positive pressure on the friction pair is changed through the piezoelectric actuator, so that the friction force is controlled, and the active control on the vibration and the stability of a rotary mechanical rotor system is realized. The friction force on the dry friction damper can be accurately controlled in real time through the piezoelectric actuator, so that the dry friction damper has a wide application prospect in the vibration active control of a rotary mechanical rotor system.)

一种旋转机械转子支承结构的压电式自平衡弹性支承干摩擦 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压电式自平衡弹性支承干摩擦阻尼器。

背景技术

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。柔性转子的工作转速一般在一阶或几阶临界转速以上。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，需要在弹支支承上增加附加的阻尼器来有效地缓解单纯的弹性支承所面临的问题。挤压油膜阻尼器、金属橡胶阻尼器等都是增加外部阻尼的主要方法，但这些方法对工艺制造和结构设计的精确性和可靠性都提出了很高的要求，否则在复杂的实际工况中不但不能最大程度地抑制转子振动，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。

在专利“一种抑制带弹性支承转子系统振动的方法及装置”(ZL200410073346.0)所提到的装置结构中，由于转子静止时存在一个很大的摩擦力，导致系统出现复杂的非线性特征。而且该专利中的阻尼机构属于被动控制而非主动控制，不能实时根据转子运动状态调节摩擦力的大小。在专利“一种弹支干摩擦阻尼器电控装置”(ZL200710017593.2)所提的装置中，虽然对摩擦力可以进行调节，但单面产生的摩擦力部件不够大，阻尼器的抑振效果有限，而且在弹性支承上施加很大的轴向压力，导致弹性支承失稳；特别是摩擦副上的摩擦力不仅与正压力有关，而且还与摩擦副上的摩擦系数有关。而摩擦系数受摩擦副的工作温度和工作条件等的影响，所以仅仅通过控制摩擦副上的正压力无法对摩擦力进行准确控制。

发明内容

为克服现有技术中存在的干摩擦阻尼器结构复杂、干摩擦力的调节范围小、干摩擦力难以精确控制等的不足，本发明提出了一种旋转机械转子支承结构的压电式自平衡弹性支承干摩擦阻尼器。

本发明所采取的技术方案是在旋转机械转子弹性支承上安装一个动力特性可控的压电式自平衡干摩擦阻尼器，通过压电执行器改变摩擦阻尼器中摩擦副上的摩擦力，为转子系统引入可控的外阻尼，实现对转子系统振动及稳定性的主动控制。

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压电式自平衡弹性支承干摩擦阻尼器，包括轴承座、转轴、轴承、弹性支承、左右动摩擦片、动摩擦片支架、左右静摩擦片、左右力传感器、左右静摩擦片支架、左右轴向碟形分瓣弹簧、轴向预压弹簧、固定球和阻尼器外壳。左右动摩擦片与动摩擦片支架构成动摩擦组件，左右静摩擦片、左右力传感器和左右静摩擦片支架构成左右两个静摩擦组件。

所述的左右动摩擦片分别固定在动摩擦支架的两侧，动摩擦片支架可以是弹性支承的一部分，也可以为固定在弹性支承一端的零件，弹性支承的内圆面通过轴承与转轴相连，弹性支承的另一端通过弹性支承支架固定在轴承座上。

所述的左右静摩擦组件为对称结构，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的内侧，静摩擦片高出静摩擦片支架，静摩擦片及力传感器与静摩擦片支架之间保留有一定的间隙；静摩擦片支架与阻尼器外壳中的外定位球配合，完成径向和周向定位。

所述的轴向预压弹簧安装在两个静摩擦片支架之间、动摩擦片支架的外侧；轴向预压弹簧的两端用左右两个静摩擦片支架上的定位面固定或用轴向预压弹簧外表面与阻尼器外壳中的定位球配件完成径向和周向定位。所述轴向预压弹簧与左右两个静摩擦片支架上的定位面滑动连接。

所述的左右轴向碟形分瓣弹簧分别安装在左右静摩擦片支架和左右固定板之间，一端固定在左右固定板上，另一端与左右静摩擦片支架滑动连接。所述的轴向碟形分瓣弹簧的每一瓣上设置了压电执行器，通过控制压电执行器上的电压来改变动摩擦片与静摩擦片之间摩擦副上正压力的大小，进而控制干摩擦力，实现对旋转机械转子系统振动及稳定性的主动控制。所述的压电执行器可以在每一瓣的一面布置，也可以在两面布置。

所述的左右固定板，内部固定轴向碟形分瓣弹簧，外部与阻尼器外壳通过螺栓连接，外部与阻尼器外壳之间垫有弹性垫片，通过调整螺栓上的预压力，实现对左右固定板位置的调整。

所述的左右动摩擦片、左右静摩擦组件、左右轴向碟形分瓣弹簧、轴向预压弹簧都为对称结构，左右静摩擦组件、轴向预压弹簧都是通过摩擦阻尼很小的定位球进行的周向和径向限位，运动部件可以在轴向灵活运动，所述的干摩擦阻尼器具有自平衡功能，左右摩擦副上形成的正压力大小相等方向相反，整个干摩擦阻尼器对弹性支承不产生轴向力。

本发明的主要工作方式为：当需要通过改变弹性支承的阻尼对转子系统的振动及稳定性进行主动控制时，首先根据所需要的干摩擦力的大小确定需要在左右两侧的轴向碟形分瓣弹簧上的压电执行器上施加的电压，在控制电压的作用下，左右两侧的轴向碟形分瓣弹簧在左右静摩擦片支架上产生轴向的作用力，左右静摩擦组件向动摩擦组件靠近，在两个摩擦副上产生正压力，进而形成干摩擦力，以实现对旋转机械转子系统振动及稳定性的控制。由于摩擦副上的干摩擦力可以通过压电执行器上的电压进行实时控制，因此可以实现对转子系统的振动及稳定性进行主动控制。

所述的压电式自平衡弹性支承干摩擦阻尼器的工作方式有两种，一种是在压电执行器不工作的状态下，通过调整左右固定板的位置，使左右两侧的轴向碟形分瓣弹簧与轴向预压弹簧都处于受压状态，但摩擦副上不产生明显的正压力，然后通过左右两侧的轴向碟形分瓣弹簧上的压电执行器给摩擦副上施加正压力，产生需要的干摩擦力。另一种是在压电执行器不工作的状态下，通过调整左右固定板的位置，使左右两侧的轴向碟形分瓣弹簧与轴向预压弹簧不仅都处于受压状态，而且在摩擦副上产生一定的正压力，然后通过左右两侧的轴向碟形分瓣弹簧上的压电执行器改变摩擦副上正压力的大小，从而控制干摩擦力。

相对于现有技术，本发明的有益效果主要体现在下列几个方面:1)运动部件均采用滚动支承，结构简单，轴向运动灵活，响应速度快，能满足高速旋转机械转子系统振动及稳定性主动控制的要求；2)通过在线调整压电执行器上的电压，直接对摩擦力进行精确控制，避免了通过控制摩擦副上的正压力来实现摩擦力控制过程中，摩擦面上的温度、工作状态等的变化导致的摩擦系数变化对摩擦力控制精度的影响，提高控制精度；3)干摩擦阻尼器阻尼力的控制范围大，结构轴向尺寸小；4)具有自平衡作用，不会在弹性支承上产生附加的轴向力。

附图说明

图1是一种轴向预压弹簧采用蝶形弹簧的旋转机械转子支承结构的压电式自平衡弹性支承干摩擦阻尼器结构示意图；

图2是一种轴向预压弹簧采用蝶形弹簧的旋转机械转子支承结构的压电式自平衡弹性支承干摩擦阻尼器的剖面图；

图3是轴向碟形弹簧结构及压电执行器的分布示意图；

图中：1.转轴；2.弹性支承；3.弹性支承支架；4.轴承座；5.轴承；6.动摩擦片支架；7A.右动摩擦片；7B.左动摩擦片；8A.右静摩擦片；8B.左静摩擦片；9A.右力传感器；9B.左力传感器；10A.右轴向碟形分瓣弹簧；10B.左轴向碟形分瓣弹簧；11A.右静摩擦片支架；11B.左静摩擦片支架；12.轴向预压弹簧；13A.右固定板；13B.左固定板；14.定位球；15.阻尼器外壳。

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。

如图1所示，本发明提供的一种旋转机械转子支承结构的压电式自平衡弹性支承干摩擦阻尼器，包括转轴1；弹性支承2；弹性支承支架3；轴承座4；轴承5；动摩擦片支架6；右动摩擦片7A；左动摩擦片7B；右静摩擦片8A；左静摩擦片8B；右力传感器9A；左力传感器9B；右轴向预压碟形分瓣弹簧A10A；左轴向预压碟形分瓣弹簧10B；右静摩擦片支架11A；左静摩擦片支架11B；轴向预压弹簧12；右固定板13A；左固定板13B；右定位球14；阻尼器外壳15。其中：

所述的动摩擦片支架6，右动摩擦片7A和左动摩擦片7B组成干摩擦阻尼器的动摩擦组件；所述的右静摩擦片8A，右力传感器9A，右静摩擦片支架11A和右轴向碟形分瓣弹簧10A组成了干摩擦阻尼器右静摩擦组件；所述的左静摩擦片8B，左力传感器9B，左静摩擦片支架11B和左轴向预压碟形分瓣弹簧11B组成了干摩擦阻尼器左静摩擦组件。

所述的右动摩擦片7A、左动摩擦片7B、右静摩擦片8A及左静摩擦片8B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。

所述动摩擦片支架6固定在弹性支承2的一端，所述的右动摩擦片7A和左动摩擦片7B分别固定在动摩擦片支架6的两侧，左右动摩擦片7A和7B均高出动摩擦片支架6，弹性支承2一端的内表面通过轴承5与转轴1相连，整个弹性支承结构通过左侧的弹性支承支架3固定在轴承座4上。

所述的右静摩擦片8A及左静摩擦片8B先固定在右力传感器9A及左力传感器9B上，然后右力传感器9A及左力传感器9B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8A、左静摩擦片8B、右力传感器9A及左力传感器9B分别于右静摩擦片支架11A及左静摩擦片支架11B之间保留有一定的间隙。所述的右静摩擦片8A及左静摩擦片8B均高出静摩擦片支架。左右静摩擦片支架11A和11B的外表面与阻尼器外壳15中的定位球14之间采用无间隙或微间隙配合，完成径向和周向定位，但可以在轴向灵活运动。

所述的右动摩擦片7A、左动摩擦片7B、右静摩擦片8A及左静摩擦片8B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，所述的动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。

所述的轴向预压弹簧12为对称结构，位于左右静摩擦片支架11A和11B之间；轴向预压弹簧12可以用左右静摩擦片支架11A和11B进行定位，也可以通过轴向预压弹簧12外表面与阻尼器外壳15中的定位球14之间采用无间隙或微间隙配合，完成径向和周向定位，但可以在轴向灵活运动。所述轴向预压弹簧12与左右静摩擦片支架11A和11B滑动连接。

所述的左右轴向碟形分瓣弹簧10A及10B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轴向碟形分瓣弹簧10A及10B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。

所述的左右固定板13A和13B的内部固定轴向碟形分瓣弹簧10A及10B，左右固定板13A和13B与阻尼器外壳15通过螺栓连接，左右固定板13A和13B与阻尼器外壳15之间垫有弹性垫片，通过对左右固定板13A和13B位置的调整，来改变轴向预压弹簧12及轴向碟形分瓣弹簧10A及10B的状态及摩擦副之间接触力。

如图2所示，为了提高左右静摩擦组件在周向及径向的定位精度，以及在轴向上运动的灵活性，在左右静摩擦片支架11A和11B与干摩擦阻尼器外壳15之间，设置了多个周向均匀分布的由多个定位球14组成的滚动副，滚动副的数量至少不低于3，安装在干摩擦阻尼器外壳15的定位球14的滚道中，定位球的表面露出外壳内表面一定高度，但保证球不能脱落。

为了提高左右静摩擦组件轴向运动的运动灵活性，在所述的定位球14的滚道中，可以填充与工作条件相对应的润滑材料，低温时的润滑材料可以为普通的润滑酯，高温时润滑材料可以为石墨、固体润滑粉等。

为了提高控制精度，在左右静摩擦片8A和8B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9A和9B，对动摩擦片7A和7B与静摩擦片8A和8B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。为了减小由摩擦副的工作温度、工作条件导致的摩擦系数变化对摩擦力控制精度的影响，提高控制精度，可以以所需要的摩擦力为目标构成一个关于压电执行器上电压的闭环控制系统，从而实现对摩擦力进行准确控制。

所述的左右固定板13A和13B与阻尼器外壳15之间通过螺栓连接，左右固定板13A和13B与阻尼器外壳15之间垫有弹簧垫片。

当需要通过弹性支承上的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蝶形弹簧上压电执行器电压的大小，在控制电压的作用下，轴向碟形分瓣弹簧产生轴向力，两个静摩擦组件向对应的动摩擦片7A和7B靠近，在动摩擦片7A和7B与静摩擦片8A和8B之间的摩擦副上产生轴向的正压力，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压电执行器上的电压进行实时控制，因此能够实现对转子系统的振动及稳定性的主动控制。

装配时：

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，按照结构位置要求安装动摩擦组件，对于与弹性支承一体化的动摩擦片支架6结构，首先，将右动摩擦片7A及左动摩擦片7B分别固定在动摩擦片支架6的两侧，并保持两个动摩擦片外表面平行，安装后动摩擦片7A和7B凸出动摩擦片支架6。对于与弹性支承分体的动摩擦片支架6结构，先把动摩擦片支架6紧固在弹性支承的一端，然后将右动摩擦片7A及左动摩擦片7B分别固定在动摩擦片支架6的两侧，并保持两个动摩擦片外表面平行，安装后动摩擦片7A和7B凸出动摩擦片支架6。

进一步，按照结构位置要求将左右静摩擦片8A和8B分别固定在左右力传感器9A和9B上，再把力传感器9A和9B固定在静摩擦片支架11A和11B上，安装后静摩擦片8A和8B凸出静摩擦片支架11A和11B，形成左右静动摩擦组件。

进一步，按照结构位置要求在阻尼器外壳15中安装定位球14及润滑材料，并在端部进行简单的固定。

进一步，按照结构位置要求在左右固定板13B和13A中安装左右侧的轴向碟形分瓣弹簧10B和10A，并固定引线。

进一步，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安装在阻尼器外壳15的左侧，安装带有轴向碟形分瓣弹簧10B的固定板13B，并将其固定在阻尼器外壳15上；然后安装动摩擦组件及轴向预压弹簧12；然后安装右静摩擦组件及带有右侧轴向碟形分瓣弹簧10A的右固定板13A，并将其固定在阻尼器外壳15上。

进一步，对组装好的干摩擦阻尼器进行调试，通过调整左右固定板13A和13B与阻尼器外壳15之间螺栓的预紧力，使左右轴向预压碟形分瓣弹簧10A和10B以及轴向预压弹簧12处于压缩状态，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，将弹性支承2的左端用螺栓固定到弹性支承支架3上，弹性支承3用螺钉固定在轴承座4的左端，弹性支承2的右端内表面通过轴承5与转轴1相连，轴承的内环外侧采用螺母或其它方式进行固定。整个干摩擦阻尼器的外壳15固定在轴承座4上，完成整个干摩擦阻尼器的装配。

当需要通过弹性支承上的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7A和7B与静摩擦片8A和8B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，因此具有频率响应快、轴向力变化范围宽等优点，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。