[发明专利]一种基于非线性模拟电路的超临界轴系减振装置

说明书

本发明公开了一种基于非线性模拟电路的超临界轴系减振装置，与仅针对特定抑振频率的传统被动压电控制电路和系统复杂且功耗大的主动控制方法相比，通过采用具有非线性电压‑电流关系的振动控制电路随轴系多阶频率振动并且耗散能量，从而有效增加抑振带宽，对轴系不同临界转速处振动响应和失稳振动响应都能取得良好控制效果；以更小的电感和电阻耗散轴系的振动能量，更易实现在更宽频率范围内保持高效的能量耗散，并增强轴系对系统结构随机和时变特征的鲁棒性，可用于实现超临界轴系非线性振动响应的有效抑制。

技术领域

本发明属于高速旋转机械振动抑制的技术领域，尤其涉及一种基于非线性模拟电路的超临界轴系减振装置。

背景技术

直升机尾传动系统和舰船燃气轮机等大型旋转机械转子多采用超临界轴系设计，一方面可以满足旋转机械日益增长的高性能、长寿命和高可靠性要求，另一方面，可以使装备质量更轻，跨度更大。然而，此类转子在到达最大工作转速前要越过一阶或多阶弯曲临界转速，在通过临界转速时轴系工作于柔性轴状态下，弯曲变形明显，由此带来了一系列的转子动力学问题，尤其是失稳故障时有发生。因此，有必要采取相应的减振和失稳控制措施以确保高速转子运行安全可靠。

高速转子通常所受激励频率成分复杂，激励频率和强度随转速变化且具有随机性和宽频特征；此外，高速旋转机械广泛采用花键联轴器、螺栓等连接结构，高速运转状态下连接界面的时变和非线性可引起转子系统丰富的非线性时变响应特征，如临界转速漂移、出现与激励频率无关的突出谱峰等。上述这些因素对超临界轴系减振和失稳控制提出了巨大的挑战。

目前超临界轴系采用的振动控制装置主要有弹支挤压油膜阻尼器、动力吸振器和电磁轴承等。其中，尽管弹支挤压油膜阻尼器减振效果显著，但其增加转子支承结构的复杂性，改变轴系的临界转速，还可能对转子动力特性带来非线性影响。传统动力吸振器原理简单、可靠性好，但仅针对特定频率起到抑制效果，不适合响应频率变化大的场合。电磁轴承等可根据轴系振动实时调控，且控制精度高，但其需要稳定的能源供给、复杂的控制器件和算法，技术难度相对较高。

在机械工程中，具有良好作动和传感能力的压电智能材料为振动控制提供了新途径，目前正得到广泛关注。实际应用中，将压电元件与一定形式的模拟电路连接可实现阻尼抑振，并赋予抑振设计体积小、可靠性高以及易于实现智能化等显著优势。目前采用的主要模拟电路形式包括串联电阻-电感电路、同步开关电路和负电容电路。串联电阻-电感电路本质上是一种动力吸振技术，多适用于较窄频段；同步开关电路通过控制电路开闭实现能量耗散以控制振动，可实现宽频多模态控制，但该技术需附加振动监测和开关控制器，控制系统复杂；负电容电路通过构造负容抗抵消压电片寄生电容，可用于增强宽频抑制效果，但当负电容值接近或小于压电片的寄生电容值时，系统将不稳定。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于非线性模拟电路的超临界轴系减振装置，利用靶能量传递现象实现非线性振子间高效且不可逆的能量传递，可随转子系统多阶频率振动并且耗散能量，从而有效增加抑振带宽和对时变响应特征的鲁棒性。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种基于非线性模拟电路的超临界轴系减振装置，包括：跟随轴系旋转的振动控制电路模块，及用于为振动控制电路模块供电的无线感应供电模块；

所述振动控制电路模块包括压电单元、电阻-电感电路单元、负电容单元及非线性模拟电路单元，所述压电单元的正电极与所述电阻-电感电路单元的正输入端连接，所述电阻-电感电路单元、所述负电容单元及所述非线性模拟电路单元依次串联，所述非线性模拟电路单元的负输入端与所述压电单元的负电极连接；

所述无线感应供电模块包括无线感应发射器、无线感应线圈及信号调理电路，所述无线感应发射器通过发射电路与导电金属发射头连接，产生高频感应磁场；

所述无线感应线圈缠绕于轴系轴颈表面，随轴系高速运转，且所述无线感应线圈通过与所述导电金属发射头之间的电磁耦合获得电能；