一种抑制旋转机械转子振动的方法[发明专利]

(10)申请公布号
(43)申请公布日 (21)申请号 201510962484.2
(22)申请日 2015.12.19
F16F 15/12(2006.01)
(71)申请人东北大学
地址110136 辽宁省沈阳市和平区文化路3
号巷11号
(72)发明人姚红良 许琦 刘子良 崔兆华
闻邦椿
(74)专利代理机构沈阳火炬专利事务所(普通
合伙) 21228
代理人
王欣
(54)发明名称
一种抑制旋转机械转子振动的方法
(57)摘要
一种抑制旋转机械转子振动的方法：首先确
定小型旋转机械转子系统中转子振动的最大位
置；然后使用磁流变弹性体动力吸振器固定在所
述转子系统上以进行抑制振动的操作；使用方法
具体如下：将磁流变弹性体动力吸振器固定在转
子振动的最大位置处，开启磁流变弹性体动力吸
振器系统能使得转子的振幅减小，抑制振动；具
体利用磁流变弹性体的刚度可控特性，调整磁流
变弹性体动力吸振器的刚度k a 值，使固有频率接
近旋转机械转子系统的振动频率。

本发明设备可
控性好，故障率低，系统运行稳定性好，其可以应
用于抑制旋转机械转子系统的振动。

(51)Int.Cl.
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书5页 附图2页CN 105508498 A 2016.04.20
C N 105508498
A
1.一种抑制旋转机械转子振动的方法，其特征在于：首先确定小型旋转机械转子系统中转子(1)振动的最大位置；然后使用磁流变弹性体动力吸振器(15)固定在所述转子系统上以进行抑制振动的操作；使用方法具体如下：将磁流变弹性体动力吸振器(15)固定在转子(1)振动的最大位置处，当转子系统产生振幅大于转子(1)直径十分之一的较大振动时，开启磁流变弹性体动力吸振器(15)；利用磁流变弹性体的特性，调整磁流变弹性体动力吸振器(15)的刚度k a 值，使其固有频率接近或等于旋转机械转子系统的振动频率，使得机械转子系统的振幅X 1减小，旋转机械转子系统的振幅X 1越小，抑制转子(1)振动的效果越好；具体参见下述原理式：
式(1)中，各符号的含义如下：X 1为旋转机械转子系统的振幅，k a 为磁流变弹性体动力吸振器的刚度值，m a 为磁流变弹性体动力吸振器质量，ω为转子转速，c a 磁流变弹性体动力吸振器阻尼，m 1为转子系统质量，c 1为转子系统阻尼，k 1为转子系统刚度，F 0为转子系统外激励。

2.按照权利要求1所述抑制旋转机械转子振动的方法，其特征在于：当转子系统产生振幅大于转子(1)直径的五分之一的较大振动时，同时采用至少2个磁流变弹性体动力吸振器
(15)来抑制振动，即将至少2个磁流变弹性体动力吸振器(15)安装在转子最大振动位置及其它振动较大的位置并固定。

3.按照权利要求1或2所述抑制旋转机械转子振动的方法，其特征在于：所述磁流变弹性体动力吸振器(15)的构成如下：轴承内圈(2)、滚珠(3)、轴承外圈(4)、连接环(5)、纵向支撑弹簧(6)、纵向吸振器外壳(7)、纵向吸振器电磁铁(8)、纵向吸振器磁流变弹性体(9)、横向吸振器外壳(10)、横向吸振器电磁铁(11)、横向吸振器磁流变弹性体(12)和横向支撑弹簧(13)；其中：轴承内圈(2)套装在转子(1)上，轴承外圈(4)布置在轴承内圈(2)外部，充作滚动体的滚珠(3)布置在轴承内圈(2)和轴承外圈(4)之间；限位用的连接环(5)布置在轴承外圈(4)外部；纵向吸振器电磁铁(8)、横向吸振器电磁铁(11)分别以轴线纵向布置、横向布置的方式布置在连接环(5)外侧面外部，且二者与连接环(5)外侧面构成接触关系；在纵向吸振器电磁铁(8)外部还设置有用于辅助固定纵向吸振器电磁铁(8)的纵向吸振器磁流变弹性体(9)且二者轴向相对固定，纵向吸振器磁流变弹性体(9)通过纵向支撑弹簧(6)连接实验台支架或者地面；横向吸振器电磁铁(11)外部还设置有用于辅助固定横向吸振器电磁铁(11)的横向吸振器磁流变弹性体(12)且二者轴向相对固定，横向吸振器磁流变弹性体
(12)通过横向支撑弹簧(13)连接着实验台支架或者地面。

4.按照权利要求1或2所述抑制旋转机械转子振动的方法，其特征在于：所述磁流变弹性体动力吸振器(15)能够沿转子(1)的轴向位置进行灵活调整。

权　利　要　求　书1/1页
CN 105508498 A
一种抑制旋转机械转子振动的方法
技术领域
[0001]本发明属于机械工程领域，具体涉及一种抑制旋转机械转子振动的方法。

背景技术
[0002]现有技术中，旋转机械在国民经济中广泛应用，为了提高转子系统的效率，转定子间隙越来越小、转速越来越高，其振动所导致设备故障问题也越来越突出，这些故障会造成严重的危害，不仅影响设备的稳定运行，有些甚至造成灾难性的后果。

[0003]目前抑制振动的方法主要分为被动控制和主动控制两类。

被动控制主要包括安装动力吸振器、附加阻尼等方法，适用的频带较窄，并由于附加质量的过度增加及其它一些原因导致原系统固有特性的改变、增加不平衡量等而影响设备性能；主动控制主要包括电磁方法、阻尼法、各种调节器等，但是在很多情况下控制振动技术结构繁琐、能耗大、不完善，如电磁方法不用应用于非铁质材料中、磁流变液受温度影响较大，阻尼器常常会失效，在转子的超临界区产生严重的不稳定问题等。

[0004]因此，人们期望获得一种技术效果优良的抑制旋转机械转子振动的方法。

发明内容
[0005]本发明目的是提供一种抑制旋转机械转子振动的方法，以减少设备由于振动问题而产生的故障，提高系统运行稳定性，弥补目前控制振动技术的不足。

本发明具体提出了一种利用磁流变弹性体在可调磁场下刚度可控的特性，结合磁流变弹性体和动力吸振器的优点设计频带较宽的磁流变弹性体动力吸振器来实现抑制振动的方法。

[0006]本发明提供了一种抑制旋转机械转子振动的方法，其特征在于：首先确定小型旋转机械转子系统中转子振动的最大位置；
[0007]然后使用磁流变弹性体动力吸振器固定在所述转子系统上以进行抑制振动的操作；使用方法具体如下：将磁流变弹性体动力吸振器固定在转子振动的最大位置处，当转子系统产生振幅大于转子直径十分之一的较大振动时，开启磁流变弹性体动力吸振器；磁流变弹性体动力吸振器的固有频率接近或等于转子系统的振动频率，其能将转子系统的振动“吸”到磁流变弹性体动力吸振器上，从而使得转子的振幅减小，达到抑制振动的目的；[0008]具体的，利用磁流变弹性体的特性，调整磁流变弹性体动力吸振器的刚度k a值，使其固有频率接近或等于旋转机械转子系统的振动频率，则旋转机械转子系统的振幅X1越小，抑制转子振动的效果越好；具体参见下述原理式：
[0009]
[0010]式(1)中，各符号的含义如下：X1为旋转机械转子系统的振幅，k a为磁流变弹性体动
力吸振器的刚度值，m a为磁流变弹性体动力吸振器质量，ω为转子转速，c a磁流变弹性体动力吸振器阻尼，m1为转子系统质量，c1为转子系统阻尼，k1为转子系统刚度，F0为转子系统外激励。

[0011]当转子系统产生振幅大于转子直径五分之一的较大振动时，同时采用至少2个磁流变弹性体动力吸振器来抑制振动，即将至少2个磁流变弹性体动力吸振器安装在转子最大振动位置及其它振动较大的位置并固定，至少2个磁流变弹性体动力吸振器所产生的“吸振”力同时作用在转子上，能够抑制较大的振动。

[0012]所述磁流变弹性体动力吸振器的构成如下：轴承内圈、滚珠、轴承外圈、连接环、纵向支撑弹簧、纵向吸振器外壳、纵向吸振器电磁铁、纵向吸振器磁流变弹性体、横向吸振器外壳、横向吸振器电磁铁、横向吸振器磁流变弹性体和横向支撑弹簧；其中：轴承内圈套装在转子上，轴承外圈布置在轴承内圈外部，充作滚动体的滚珠布置在轴承内圈和轴承外圈之间；限位用的连接环布置在轴承外圈外部；
[0013]纵向吸振器电磁铁、横向吸振器电磁铁分别以轴线纵向布置、横向布置的方式布置在连接环外侧面外部，且二者与连接环外侧面构成接触关系；在纵向吸振器电磁铁外部还设置有用于辅助固定纵向吸振器电磁铁的纵向吸振器磁流变弹性体且二者轴向相对固定，纵向吸振器磁流变弹性体通过纵向支撑弹簧连接着实验台支架或者地面；
[0014]横向吸振器电磁铁外部还设置有用于辅助固定横向吸振器电磁铁的横向吸振器磁流变弹性体且二者轴向相对固定，横向吸振器磁流变弹性体通过横向支撑弹簧连接着实验台支架或者地面；
[0015]由轴承内圈、滚珠、轴承外圈组合构成的滚动轴承以及由连接环、纵向支撑弹簧、纵向吸振器外壳、纵向吸振器电磁铁、纵向吸振器磁流变弹性体、横向吸振器外壳、横向吸振器电磁铁、横向吸振器磁流变弹性体和横向支撑弹簧构成的磁流变弹性体动力吸振器能够沿转子的轴向位置进行灵活调整。

[0016]本发明是通过以下技术方案来实现的：
[0017]首先建立转子系统的模型，利用信号处理技术和模型计算方法得到系统的动力学特性，分析得到转子振动的最大位置处；将磁流变弹性体动力吸振器安装在转子振动最大位置处并固定在定子内圈。

[0018]当转子系统开始工作时，产生较大的振动，此时开启磁流变弹性体动力吸振器系统；通过调整电流的大小，使得纵向吸振器电磁铁和横向吸振器电磁铁的线圈中产生的磁场发生变化，从而改变磁流变弹性体的动力特性即刚度，进而改变磁流变弹性体动力吸振器系统的固有频率，使其接近转子的振动频率，起到“吸振”的效果，抑制旋转机械的振动。

[0019]当转子系统的振动较大时，可以同时采用多个磁流变弹性体动力吸振器来抑制振动，即将多个磁流变弹性体动力吸振器安装在转子最大振动位置及其它振动较大的位置并固定，这样多个磁流变弹性体动力吸振器所产生“吸振”力同时作用在转子上，能够抑制较大的振动。

[0020]本方法能够解决抑制转子系统多处振动较大的问题，即在想要抑制振动的多处位置安装一个或多个磁流变弹性体动力吸振器，利用磁流变弹性体动力吸振器产生的“吸振”效应同时抑制转子多处的振动。

[0021]与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：本方法减少了设备由于振动问题而
产生的故障，提高了系统运行稳定性，可以在不停机的条件下进行转子系统振动的抑制，是一种完全在线抑制振动的方法，大大降低了停机的损失；并同时能够抑制转子的多处振动，有较高的使用效率；吸振器的连接环通过轴承连接到转子上，吸振器并不随转子转动，不产生新的不平衡；并且由于磁流变弹性体动力特性的可控制性，使得本方法的抑制精度非常高，抑制振动效果显著，弥补了目前振动抑制领域的不足。

附图说明
[0022]下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
[0023]图1为本发明磁流变弹性体动力吸振器的原理示意图之理论原理图；
[0024]图2为本发明磁流变弹性体动力吸振器的原理示意图之结构原理图1；
[0025]图3为本发明磁流变弹性体动力吸振器的原理示意图之结构原理图2；
[0026]图4为本发明抑制转子多处振动原理示意图(图中为3处)。

[0027]附图标记含义说明：转子1、轴承内圈2、滚珠3、轴承外圈4、连接环5、纵向支撑弹簧6、纵向吸振器外壳7、纵向吸振器电磁铁8、纵向吸振器磁流变弹性体9、横向吸振器外壳10、横向吸振器电磁铁11、横向吸振器磁流变弹性体12、横向支撑弹簧13、圆盘14、磁流变弹性体动力吸振器15(由2～13组成)、支撑16。

具体实施方式
[0028]实施例1
[0029]一种利用磁流变弹性体动力吸振器抑制旋转机械转子系统振动的方法，参见附图1-4，本实施例是为了抑制旋转机械转子系统的振动以减少设备故障，提高系统运行稳定性，弥补目前抑制振动技术的不足而提出的一种利用磁流变弹性体动力吸振器引起的“吸振”效应，使其固有频率接近或等于转子系统振动频率来实现抑制振动的方法。

[0030]在图3所示的系统中，转子1中有一处位置需要抑制振动，在需要抑制振动的位置放置磁流变弹性体动力吸振器，同时开启降低振动，能够很好的解决抑制振动问题。

在图4中，若转子1中有多处位置需要抑制振动，本实施例亦能够解决此问题，即在需要抑制振动的每个位置均放置磁流变弹性体动力吸振器，同时开启降低振动，如图4所示，在转子上放置了3组磁流变弹性体动力吸振器系统，能够很好的解决抑制振动问题。

[0031]一种抑制旋转机械转子振动的方法：首先确定小型旋转机械转子系统中转子1振动的最大位置；
[0032]然后使用磁流变弹性体动力吸振器15固定在所述转子系统上以进行抑制振动的操作；使用方法具体如下：将磁流变弹性体动力吸振器15固定在转子1振动的最大位置处，当转子系统产生振幅大于转子1直径十分之一的较大振动时，开启磁流变弹性体动力吸振器15；磁流变弹性体动力吸振器15的固有频率接近或等于转子系统的振动频率，其能将转子系统的振动“吸”到磁流变弹性体动力吸振器15上，从而使得转子1的振幅减小，达到抑制振动的目的；
[0033]具体的，利用磁流变弹性体的特性，调整磁流变弹性体动力吸振器15的刚度k a值，使其固有频率接近旋转机械转子系统的振动频率，则旋转机械转子系统的振幅X1越小，抑制转子1振动的效果越好；具体参见下述原理式：
[0034]
[0035]式(1)中，各符号的含义如下：X1为旋转机械转子系统的振幅，k a为磁流变弹性体动力吸振器的刚度值，m a为磁流变弹性体动力吸振器质量，ω为转子转速，c a磁流变弹性体动力吸振器阻尼，m1为转子系统质量，c1为转子系统阻尼，k1为转子系统刚度，F0为转子系统外激励。

[0036]所述抑制旋转机械转子振动的方法中，当转子系统产生振幅大于转子(1)直径五分之一的较大振动时，同时采用至少2个磁流变弹性体动力吸振器15来抑制振动，即将至少2个磁流变弹性体动力吸振器15安装在转子最大振动位置及其它振动较大的位置并固定，至少2个磁流变弹性体动力吸振器15所产生的“吸振”力同时作用在转子1上，能够抑制较大的振动。

[0037]所述磁流变弹性体动力吸振器15的构成如下：轴承内圈2、滚珠3、轴承外圈4、连接环5、纵向支撑弹簧6、纵向吸振器外壳7、纵向吸振器电磁铁8、纵向吸振器磁流变弹性体9、横向吸振器外壳10、横向吸振器电磁铁11、横向吸振器磁流变弹性体12和横向支撑弹簧13；其中：轴承内圈2套装在转子1上，轴承外圈4布置在轴承内圈2外部，充作滚动体的滚珠3布置在轴承内圈2和轴承外圈4之间；限位用的连接环5布置在轴承外圈4外部；
[0038]纵向吸振器电磁铁8、横向吸振器电磁铁11分别以轴线纵向布置、横向布置的方式布置在连接环5外侧面外部，且二者与连接环5外侧面构成接触关系；在纵向吸振器电磁铁8外部还设置有用于辅助固定纵向吸振器电磁铁8的纵向吸振器磁流变弹性体9且二者轴向相对固定，纵向吸振器磁流变弹性体9通过纵向支撑弹簧6连接着实验台支架或称地面；[0039]横向吸振器电磁铁11外部还设置有用于辅助固定横向吸振器电磁铁11的横向吸振器磁流变弹性体12且二者轴向相对固定，横向吸振器磁流变弹性体12通过横向支撑弹簧13连接着实验台支架或称地面；
[0040]由轴承内圈2、滚珠3、轴承外圈4组合构成的滚动轴承以及由连接环5、纵向支撑弹簧6、纵向吸振器外壳7、纵向吸振器电磁铁8、纵向吸振器磁流变弹性体9、横向吸振器外壳10、横向吸振器电磁铁11、横向吸振器磁流变弹性体12和横向支撑弹簧13构成的磁流变弹性体动力吸振器15能够沿转子1的轴向位置进行灵活调整。

[0041]本实施例是通过以下技术方案来实现的：
[0042]首先建立转子系统的模型，利用信号处理技术和模型计算方法得到系统的动力学特性，分析得到转子1振动的最大位置处；将磁流变弹性体动力吸振器15安装在转子1振动最大位置处并固定在定子内圈。

[0043]当转子系统开始工作时，产生较大的振动，此时开启磁流变弹性体动力吸振器15；通过调整电流的大小，使得纵向吸振器电磁铁8和横向吸振器电磁铁11的线圈中产生的磁场发生变化，从而改变磁流变弹性体的动力特性即刚度，进而改变磁流变弹性体动力吸振器15的固有频率，使其接近转子1的振动频率，起到“吸振”的效果，抑制旋转机械的振动。

[0044]当转子系统的振动较大时，可以同时采用多个磁流变弹性体动力吸振器15来抑制
振动，即将多个磁流变弹性体动力吸振器15安装在转子5最大振动位置及其它振动较大的位置并固定，这样多个磁流变弹性体动力吸振器15所产生“吸振”力同时作用在转子1上，能够抑制较大的振动。

[0045]本实施例能够解决抑制转子系统多处振动较大的问题，即在想要抑制振动的多处位置安装一个或多个磁流变弹性体动力吸振器15，利用磁流变弹性体动力吸振器15产生的“吸振”效应同时抑制转子1多处的振动。

图1
图2
图3
图4。