折返式可控彈支干摩擦阻尼器設(shè)計(jì)及減振試驗(yàn)研究

宋明波 ， 廖明夫， 王四季

(1. 中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002；2. 西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院，西安 710072)

干摩擦作為一種阻尼耗能形式在眾多工程領(lǐng)域獲得了成功運(yùn)用[1-2]，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的減振[3-4]。彈支干摩擦阻尼器是一種將干摩擦阻尼施加于轉(zhuǎn)子彈性支承處的新型轉(zhuǎn)子減振裝置[5-6]，用它作為轉(zhuǎn)子的振動(dòng)主動(dòng)控制裝置在試驗(yàn)室獲得了良好的減振效果[7-10]。然而其面臨的一些問題也一直制約著彈支干摩擦阻尼器進(jìn)一步工程發(fā)展，例如電磁作動(dòng)器結(jié)構(gòu)龐大，需要獨(dú)立支承等。

近年來智能材料的發(fā)展為結(jié)構(gòu)減振設(shè)計(jì)提供了嶄新思路，如半主動(dòng)控制阻尼基座在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用[11]，有阻尼智能彈簧在直升機(jī)旋翼上的應(yīng)用等[12]，而壓電智能結(jié)構(gòu)更是獲得了廣泛應(yīng)用，Trindade等[13-14]等介紹了壓電-黏彈性材料混合阻尼器的應(yīng)用與設(shè)計(jì)，白亮等[15]對(duì)壓電智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)的控制進(jìn)行了研究等等。作者利用壓電陶瓷體積小、重量輕、響應(yīng)快的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種智能材料彈支干摩擦阻尼器，獲得了較好的阻尼效果，但結(jié)構(gòu)上仍然保留了作動(dòng)裝置的獨(dú)立支座[16-17]。本文在此基礎(chǔ)上，將折返式彈性支承與壓電陶瓷相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種折返式可控彈支干摩擦阻尼器，該阻尼器徹底取消作動(dòng)裝置的獨(dú)立支座，結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸大大縮小，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其減振效果。

1 彈支干摩擦阻尼器減振機(jī)理

帶彈支干摩擦阻尼器的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型如圖1所示。轉(zhuǎn)子通過彈性支承安裝，動(dòng)摩擦片固連于彈性支承，靜摩擦片可由作動(dòng)力推動(dòng)壓緊動(dòng)摩擦片。當(dāng)動(dòng)摩擦片隨彈支一起振動(dòng)時(shí)，動(dòng)、靜摩擦片之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而利用摩擦消耗轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)能量。

圖1 帶彈支干摩擦阻尼器轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型Fig.1 The model of rotor with elasticsupport/dry friction dampers

為了闡釋彈支干摩擦阻尼的減振機(jī)理，考慮轉(zhuǎn)子在不平衡力作用下做同步正進(jìn)動(dòng)時(shí)的情形，其運(yùn)動(dòng)與受力關(guān)系如圖2所示，圖中右邊三角形為左圖陰影三角形的放大。圖中O點(diǎn)為進(jìn)動(dòng)軌跡中心，O1點(diǎn)為幾何中心，P點(diǎn)為質(zhì)心，慣性力沿OP連線指向外側(cè)，彈性力沿O1O連線指向O，阻尼力則垂直于彈性力，指向進(jìn)動(dòng)反方向。

圖2 轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)-受力分析Fig.2 Dynamic analysis of the rotor

由達(dá)朗貝爾原理[18]，圖2中慣性力、彈性力、阻尼力三力合力為0，可得

(1)

式中：m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量；a為質(zhì)心到進(jìn)動(dòng)中心距離；Ω為進(jìn)動(dòng)角速度；s為剛度系數(shù)；d為阻尼系數(shù)；r為幾何中心到進(jìn)動(dòng)中心距離，即進(jìn)動(dòng)位移；μN(yùn)為摩擦力；α為OP與OO1連線夾角。

由圖2右側(cè)三角形幾何關(guān)系可得

(2)

式中:β為進(jìn)動(dòng)相位滯后角。

將式(2)代入式(1)，即可解得進(jìn)動(dòng)位移r。在臨界轉(zhuǎn)速處，轉(zhuǎn)子的進(jìn)動(dòng)位移r如式(3)所示

(3)

式中:mεΩ2為偏心引起的不平衡慣性力。

由式(3)可知，摩擦力μN(yùn)的引入，使得轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)位移r減小，當(dāng)摩擦力大小等于偏心引起的不平衡慣性力大小時(shí)，轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)位移r為0。實(shí)際上，摩擦力的大小并非時(shí)刻保持μN(yùn)，方向也并非時(shí)刻垂直于彈性力方向，如需詳細(xì)分析，應(yīng)予以考慮。在初步設(shè)計(jì)時(shí)，可以偏心引起的不平衡離心力作為摩擦副壓緊力的參考。

2 折返式可控彈支干摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3所示為主動(dòng)式彈支干摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)，其中圖3(a)以電磁鐵為作動(dòng)器，圖3(b)以壓電陶瓷為作動(dòng)器。圖中可見，與電磁鐵作動(dòng)器相比，壓電陶瓷作動(dòng)器尺寸有所縮小，但二者都需要獨(dú)立的作動(dòng)器支座。

圖3 主動(dòng)式彈支干摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of active elastic support/dry friction damper

為了進(jìn)一步減小彈支干摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)尺寸，取消作動(dòng)器的獨(dú)立支座，本文將作動(dòng)器與折返式彈性支承相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種全新的折返式可控彈支干摩擦阻尼器，如圖4所示。

圖4 折返式可控彈支干摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of a C-shape tunableelastic support/dry friction damper

圖4所示的折返式可控彈支干摩擦阻尼器主要包括折返式彈支，動(dòng)、靜摩擦片以及作動(dòng)機(jī)構(gòu)。折返式彈支由內(nèi)、外套裝的鼠籠組成。動(dòng)摩擦片(黃銅)固裝于內(nèi)鼠籠運(yùn)動(dòng)端面，利用折返式彈支將其引向安裝于支座的靜摩擦片，靜摩擦片(A3鋼)與支座小間隙配合，可軸向滑動(dòng)。靜摩擦片背面支座內(nèi)布置壓電陶瓷作動(dòng)機(jī)構(gòu)，壓電陶瓷在電壓驅(qū)動(dòng)下推動(dòng)靜摩擦片，擠壓動(dòng)摩擦片，從而對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)施加干摩擦阻尼，動(dòng)、靜摩擦片壓緊力可以方便地通過壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行控制。

需要指出的是，壓電陶瓷行程較小，為此設(shè)計(jì)了定位螺栓以保證壓電陶瓷的定位。同時(shí)定位螺栓還具備另一重要作用——實(shí)測動(dòng)、靜摩擦片的壓緊力。受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所限，此壓緊力在以往的試驗(yàn)中均未實(shí)測。如圖5所示，將定位螺栓設(shè)計(jì)為“T”形中空結(jié)構(gòu)，減小剛度，增大應(yīng)變，在定位螺栓細(xì)桿段外壁粘貼應(yīng)變片，測量定位螺栓承受的軸向壓力，即動(dòng)、靜摩擦片之間壓緊力，測試導(dǎo)線通過細(xì)桿段末端的小孔從中空結(jié)構(gòu)中引出，不影響定位螺栓的旋扭。

圖5 定位螺栓Fig.5 The positioning bolt

將折返式可控彈支干摩擦阻尼器安裝于轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)，如圖6所示。圖中左端為原電磁鐵式彈支干摩擦阻尼器，本次試驗(yàn)不工作；右端為本文設(shè)計(jì)的折返式可控彈支干摩擦阻尼器。

圖6 帶折返式可控彈支干摩擦阻尼器的轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器Fig.6 The rotor with C-shape tunableelastic support/dry friction damper

3 試驗(yàn)與分析

3.1 測點(diǎn)信息

如圖7所示，試驗(yàn)過程中，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)布置了如下測點(diǎn)：光電傳感器測量轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速(r/min)；輪盤處水平、垂直安裝電渦流位移傳感器，測試轉(zhuǎn)盤處的撓度(CH1,CH2)；折返式彈支外鼠籠粘貼應(yīng)變片，測試彈支應(yīng)變(CH5～CH8)；定位螺栓上粘貼應(yīng)變片，測試動(dòng)、靜摩擦片壓緊力(CH9～CH11)。

3.2 試驗(yàn)過程

為了驗(yàn)證折返式可控彈支干摩擦阻尼器對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)減振效果，進(jìn)行如下試驗(yàn)：

1) 標(biāo)定試驗(yàn)——轉(zhuǎn)子不啟動(dòng)，折返式可控彈支干摩擦阻尼器控制電壓調(diào)節(jié)范圍0～150 V，測試動(dòng)、靜摩擦片壓緊力；

2) 轉(zhuǎn)子從2 200 r/min自由減速至停機(jī)，折返式可控彈支干摩擦阻尼器不工作，實(shí)測轉(zhuǎn)子減速幅頻特性曲線，確定轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速；

(a)轉(zhuǎn)速及振動(dòng)測點(diǎn)

(b)壓緊力測點(diǎn)圖7 試驗(yàn)器測點(diǎn)布置Fig.7 The measuring points position

3) 振型測試——折返式可控彈支干摩擦阻尼器不工作，將位移傳感器布置如圖8所示，圖中CH1，CH4分別為兩端彈支位移，CH3為轉(zhuǎn)盤位移；將轉(zhuǎn)子穩(wěn)定于試驗(yàn)2)中測得的臨界轉(zhuǎn)速附近穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，測試轉(zhuǎn)子在此轉(zhuǎn)速下的模態(tài)振型；

圖8 振型測試測點(diǎn)布置Fig.8 The measuring points position in mode shape test

4) 轉(zhuǎn)子從2 200 r/min勻速減小至停機(jī)，折返式可控彈支干摩擦阻尼器控制電壓0 V,30 V,50 V,75 V,145 V，覆蓋整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍，記錄轉(zhuǎn)盤、彈支幅頻特性曲線，記錄動(dòng)、靜摩擦片壓緊力；

5) 轉(zhuǎn)子從2 200 r/min勻速減小至停機(jī)，折返式可控彈支干摩擦阻尼器開/關(guān)控制,工作范圍為轉(zhuǎn)子臨界區(qū)間，控制電壓0 V,50 V,75 V,145 V，記錄轉(zhuǎn)盤、彈支幅頻特性曲線，記錄動(dòng)、靜摩擦片壓緊力。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖9所示為試驗(yàn)1)測得的不同控制電壓下動(dòng)、靜摩擦片壓緊力變化曲線。由圖可知，在0 ～150 V電壓范圍內(nèi)，折返式可控彈支干摩擦阻尼器動(dòng)、靜摩擦片壓緊力變化范圍約10～80 N，且壓緊力與控制電壓具有較好的線性關(guān)系。

圖9 不同控制電壓下的壓緊力Fig.9 The pressing force vs. varied control voltage

圖10所示為試驗(yàn)2)測得的轉(zhuǎn)盤位移隨轉(zhuǎn)速變化曲線，圖中實(shí)線為實(shí)測曲線，點(diǎn)線為計(jì)算曲線(計(jì)算時(shí)取轉(zhuǎn)盤不平衡量15 g·cm，兩端彈性支承阻尼系數(shù)各110 Ns/m)。由圖可知，該轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速為1 585 r/min。

圖10 試驗(yàn)2)測試曲線Fig.10 The measured curve of test 2)

圖11所示為在1 580 r/min轉(zhuǎn)速下測得的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模態(tài)振型，圖中實(shí)線為計(jì)算振型，×點(diǎn)從左至右依次為CH1～ CH4測得的位移幅值(經(jīng)過了相位處理)。由圖可知，計(jì)算振型與實(shí)測振型較好地相符，轉(zhuǎn)子本身存在少許彎曲變形，但彈支處位移明顯，應(yīng)變能集中。

圖11 轉(zhuǎn)子模態(tài)振型Fig.11 The mode shape of rotor

圖12所示為試驗(yàn)4)測得的轉(zhuǎn)盤位移、彈支應(yīng)變以及動(dòng)、靜摩擦片壓緊力隨轉(zhuǎn)速變化曲線。圖中可見，折返式可控彈支干摩擦阻尼器很好地控制了轉(zhuǎn)子通過臨界時(shí)的振動(dòng)，轉(zhuǎn)盤位移峰值從300μm 減小到70μm，彈支應(yīng)變從170μ減小到30μ，減幅70%以上；另外，當(dāng)控制電壓持續(xù)增大時(shí)，轉(zhuǎn)盤位移峰值后移且有所增大，存在一個(gè)最佳控制電壓，約為50～75 V，由圖12(c)可知，實(shí)測的最佳壓緊力約35～50 N。

圖12 試驗(yàn)4)測試曲線Fig.12 The measured curves of test 4)

根據(jù)文獻(xiàn)[19]中方法，估算此試驗(yàn)中轉(zhuǎn)子剩余不平衡量約16 g·cm，結(jié)合轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速1 585 r/min，可得轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速處由偏心引起的不平衡力約4.7 N。由第1節(jié)的分析，可將4.7 N作為摩擦力初步設(shè)計(jì)的參考值，摩擦副材料為鋼-黃銅，此處取摩擦因數(shù)約0.15～0.3，代入式(3)即得壓緊力初步設(shè)計(jì)值約16～31 N，略小于實(shí)測的壓緊力最佳值(35～50 N)。實(shí)際上，第1節(jié)中的分析過程較為簡化，相對(duì)粗淺，只是大致估算，但用在初步設(shè)計(jì)中，已經(jīng)足夠。

圖13所示為試驗(yàn)5)測得的轉(zhuǎn)盤位移、彈支應(yīng)變以及動(dòng)、靜摩擦片壓緊力隨轉(zhuǎn)速變化曲線。由圖可見，采用開/關(guān)控制時(shí)，阻尼器只在轉(zhuǎn)速區(qū)間1 700 ～1 400 r/min對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生阻尼減振作用，區(qū)間外不影響轉(zhuǎn)子的幅頻特性，前文轉(zhuǎn)盤位移峰值后移并增大的現(xiàn)象消失。

圖13 試驗(yàn)5)測試曲線Fig.13 The measured curves of test 5)

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種折返式可控彈支干摩擦阻尼器，并對(duì)其減振效果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

(1)折返式可控彈支干摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)緊湊，取消了作動(dòng)器支座，大大縮小了阻尼器尺寸，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其良好的減振效果。

(2)首次實(shí)測了動(dòng)、靜摩擦片之間的壓緊力，對(duì)于本文轉(zhuǎn)子試驗(yàn)器，實(shí)測最佳壓緊力為35～50 N，初步設(shè)計(jì)時(shí)，可以轉(zhuǎn)子不平衡離心力作為摩擦副壓緊力的參考。

(3)作動(dòng)機(jī)構(gòu)是彈支干摩擦阻尼器的關(guān)鍵部件，作動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須保證動(dòng)、靜摩擦片壓緊力的正確施加，同時(shí)做到結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小。

折返式可控彈支干摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，減振效果優(yōu)良，方便施加主動(dòng)控制，作為一種新型的轉(zhuǎn)子振動(dòng)主動(dòng)控制裝置值得進(jìn)一步工程應(yīng)用，進(jìn)一步研究可重點(diǎn)突破彈支干摩擦阻尼器動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，以及長時(shí)間工作時(shí)動(dòng)、靜摩擦片的磨損等問題。