[发明专利]压电-干摩擦复合型减振装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种可同时提供压电阻尼和干摩擦阻尼的减振装置，所述的减振装置为具有开口和配重的环或套筒，其上布置有压电材料及电路，属于旋转机械振动和噪声抑制技术领域。

背景技术

旋转机械是于航空、航天、能源、动力及机械工程中的一类核心部件，如航空发动机中的叶盘结构、地面动力机械中的汽轮机转子、传动机械中的各式齿轮等。现代工业的发展对各类动力机械装置均提出了高速、重载、轻量方面的要求，这使得这一类核心部件的振动问题变得日益突出。由于这类部件在工作时高速旋转，激振力复杂，因而并非所有理论上可行的减振措施都能应用：较为传统和常见的为干摩擦减振技术、挤压油膜减振技术等，新兴的尚处于学术发展的有压电阻尼技术等。

（1）干摩擦减振技术

干摩擦指物件间或试样间不加任何润滑剂时的摩擦。通常，在结构系统中引入干摩擦元件，并在适当的设计参数下使得摩擦界面上产生相对滑移，可以产生阻尼消耗系统的振动能量，抑制结构的振动水平，这一方法已在旋转机械的减振中得到了广泛的应用。

具体地，在工程中被实现的干摩擦减振装置（阻尼器）有：用于薄壳结构的阻尼环、等厚阻尼套筒、指状阻尼套筒等；航空发动机轮盘上常用的缘板阻尼块和叶片凸肩等。干摩擦阻尼器的优势是实现简单，性能可靠，振动抑制效果明显等。

在振动工程中，常根据系统在共振频带内的响应放大因子（即稳态响应幅值与静变形之比）来衡量阻尼系统的振动抑制效果。然而，由于干摩擦现象的非线性本质，其振动抑制效果直接受激振力幅值的影响。即，一旦摩擦面上的正压力确定（由阻尼元件的过盈量，开口量，工作转速等设计参数确定），其振动抑制效果只在某一个激振力水平处达到最佳。当实际激振力小于或大于这一最佳值时，其振动抑制效果将迅速减弱，甚至无法产生干摩擦阻尼，参见参考文献[1]：李琳,范雨,戴光昊.二自由度扭转干摩擦系统的频域求解方法[J].航空动力学报,2012(11)。虽然这一特点可以通过引入多个具有不同设计参数的干摩擦元件进行改进，却在一定程度上增加了系统的设计难度和复杂度，对于一些不具备充足空间的应用场合（如航空发动机的叶盘结构）也是不现实的。

（2）压电减振技术

在振动的结构上设置压电层/片，并在压电材料上铺设电极，在电极两端连接具有电感、电容、电阻（或它们的组合）的电路，即可构成压电分支阻尼系统。该系统的减振原理是：利用压电材料的双向机电耦合特性，将机械场的振动能量转换为电能，并利用具有耗散特性的电路元件对这一转换而来的电能进行损耗，从而达到降低系统振动能量和振动水平的目的。具体地，分支电路中的电容将影响原结构的刚度；电阻将增加原结构的阻尼；电感将影响原结构的惯性；电容-电感-电阻将构成一个“电吸振器”，参见参考文献[2]：范雨，基于压电材料的自供能振动抑制系统[D]，北京航空航天大学学位论文，2012。

压电分支阻尼的优势在于易于实现，设备轻便，适应性广，不存在磨损等问题。更为重要的是，压电分支阻尼是一类线性阻尼。根据振动理论，若设置阻尼器后系统的阻尼是线性阻尼（最常见的如阻尼力与相对速度成正比），则系统的振动抑制效果与系统所受的激振力大小无关。由于上述性质，在压电分支阻尼器的设计中可不关注结构实际工作的激振力水平。这是压电分支阻尼器相较于干摩擦阻尼器的一大优势。

为了更好地利用压电材料的机电耦合特性，提升其振动抑制效果，还可以采用压电网络技术（参见参考文献[3]：Tang J.,Wang K.W.,Vibration Confinement via OptimalEigenvector Assignment and Piezoelectric Networks,Journal of Vibration andAcoustics,vol.126,pp.27-36.和参考文献[4]：Fan Y.,Li L.,Vibration DissipationCharacteristics of Symmetrical Piezoelectric Networks with Passive Branches.ASME paper GT2012-69208）。即将用于减振的压电材料周期地离散到原结构系统的各振动危险区域中，并用电路将这些压电材料连接在一起，这样，就构造了一个新的“机械-电路-机械”的能量传递路径，通过合理地设计压电网络的参数，就可以达到振动抑制的目的。理论分析已经证明（参考文献[3],[4]）：压电网络的最佳阻尼效果要远好于压电分支阻尼技术的最佳效果。

另一方面，压电减振技术也有自身的不足，主要来自：