旋转机械转子自适应连续移频调谐质量阻尼器

摘要

一种旋转机械转子自适应连续移频调谐质量阻尼器，该阻尼器为一种笼式结构，该装置包括机械结构和控制系统；机械结构包括连接传递机构、刚度连续可调式调谐质量机构；本装置通过步进电机带动丝杆旋转，与其配合的螺母拉动环形质量块来回移动连续调节TMD的频率，实现对调谐质量阻尼器子系统的固有频率实时跟踪连续调节，使子系统的频率与转子主振系频率保持一致，以适应实际情况下转子的频率变化。本发明装置可适应旋转机械多种频率成分的振动，具有减振效果明显、结构紧凑、所需安装空间小、可靠性高、刚度调整范围大等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及旋转机械中用的一种减振装置，主要用于控制风机、 压缩机、汽轮机等旋转机械转子的振动问题，属于振动控制技术领域， 尤其涉及旋转机械转子自适应连续移频调谐质量阻尼器。

技术背景

旋转机械是工业部门中应用最为广泛的机械设备，如航空发动 机、压缩机、汽轮机、燃气轮机等，在航空航天、能源、石化等工业 领域发挥着重要作用。转子系统作为旋转机械的核心部件，其振动是 不可避免的。由于转子系统的振动大小是决定旋转机械产品性能可靠 性的重要因素，因而如何减小转子系统的振动，提高转子寿命，保证 机械设备安全可靠运行成为旋转机械的研究中亟待解决的重要环节。 旋转机械产生振动的原因有很多，主要是由于转子及其零部件存在不 平衡量、动静件之间的碰摩、气流激振、轴系不对中、轴承油膜涡动 等导致转子在旋转过程中产生振动，及过临界转速时转子由于变形而 产生的振动。

调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper,简称TMD）,也被称为动力 吸振器,由辅助质量、弹簧以及阻尼所组成,属于抑制共振的一种应用 普遍的减振装置。具有结构简单，性能稳定，且易于实现工程应用等 优点，已广泛应用于建筑结构、道路桥梁、交通工具（舰船、飞机、 汽车）、工业机械等诸多领域。

TMD是以一个小的振动系统作用于被控结构，当其自振频率与被 控结构的某一阶固有频率或激振力一致时，其减振效果非常明显。 TMD的减振控制机理：当主结构在外激励作用下产生振动时，带动 TMD系统一起振动，TMD系统产生的惯性力反作用到主振系上，调 谐这个惯性力，使其对主振系的振动产生调谐作用，振动能量从主系 统转移到子系统，从而达到减少主振系振动的目的。要想最大限度发 挥TMD的减振作用，要求其固有频率尽可能与主振系的自振频率一 致，否则TMD的减振效果就会降低，而旋转机械转子在整个运转过 程中具有振动频率成分多样且变化频繁的特点。例如，某汽轮机组， 工作转速约为3000r/min，一阶临界转速约为1800r/min，转子过临界 时振动对应临界转速下的频率30Hz；转子稳定工作时振动对应工作 转速下的频率50Hz；工作转速下轴系不对中振动会产生2倍频率 100Hz振动成分；轴承油膜涡动引起的半频成分25Hz；出现动静件 碰摩引起其他2倍、3倍等高倍频成分等。即使在稳定的工作转速下 工作，其转速也并非严格固定不变，难以保证转速始终维持3000r/min 不变。以上种种造成转子系统频率的变化和波动，因此就要求TMD 系统的固有频率必须能够跟随转子系统频率的变化而相应进行调整， 保持与转子系统振动频率相一致，这样才能避免减振效果因为发生失 谐而急剧恶化。

现有TMD一般通过调整弹簧刚度或变化调谐质量来实现调整 TMD固有频率。目前用于静止设备或结构的TMD变频装置有以下 几种：机械移频式动力吸振器，通过电机驱动螺杆改变两弹性杆之间 跨距从而改变调谐质量子系统的刚度，实现频率的变化，并申请专利 （CN1978939A）；通过在弹簧端部设置刚度调节装置调节弹簧刚度 实现TMD频率的调整，并申请专利（200810082654.8）；专利 （CN201747858）中将多个质量铁块用螺栓连接，通过质量铁块数量 的变化实现频率变化；由多套弹簧一质量块组成的敏感弹簧-质量系 统，不同频率下相应的弹簧一质量响应，从而改变TMD频率，但目 前的TMD变频装置大多在离散频率点上进行调整，无法实现频率的 实时在线连续调控。

对于旋转机械中使用的TMD装置主要有以下几种：将TMD减振 器应用于纺织机械高速卷绕机，并申请发明专利（CN202048137U）， 该减振器可以减少卷绕机运转时筒管的振动响应，但只对应工作转速 下的频率有减振作用，不适应转子系统的频率变化；通过控制电磁力 改变电磁悬浮动力吸振器的刚度从而改变其频率，以应对转子系统频 率的变化来实现轴系纵向振动的控制，并申请专利（CN201078433Y）。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种旋转机械转子自适应连续移频调 谐质量阻尼器，针对旋转机械转子工作过程中频率成分多样且特征主 频的出现随机性较强等特点，通过在线实时连续调节刚度,使TMD子 系统的频率始终与转子主系统频率保持一致，以满足目前旋转机械转 子对多种频率成分振动期望形成连续实时抑振的需求。这种笼式结构 调谐质量阻尼器具有减振效果明显、结构紧凑、所需安装空间小、可 靠性高、刚度调整范围大等突出优点，可以克服TMD需要大刚度时 难以使用弹簧的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种旋转机械转子自 适应连续移频调谐质量阻尼器，该阻尼器为一种笼式结构，该装置包 括机械结构和控制系统；机械结构包括连接传递机构、刚度连续可调 式调谐质量机构。

（1）连接传递机构实现转子主振系与TMD子系统的连接，其功 能是将转子旋转过程中产生的振动能量转移到TMD子系统，同时又 不影响转子的正常工作；本装置的连接传递机构包括轴套、轴承和卡 箍，轴套用紧定螺钉固定在转轴的合适位置上，在其上安装一个轴承， 并通过螺栓将两半对称结构的卡箍卡紧在轴承外圈上，以将转子工作 时产生的振动通过轴承、卡箍传给刚度可调式调谐质量机构。连接传 递机构的特点就是不作为转子系统的支撑，不干扰转子的正常旋转， 同时能够很好的起到振动能量传递转移的作用。

（2）刚度连续可调式调谐质量机构是一种笼式结构，包括悬臂梁 弹簧和质量块。质量块提供子系统的质量m，子系统固有频率 k是笼式子系统结构的刚度。因而调节TMD参数——刚 度k，可以调节子系统的固有频率f与转子主振系激振力频率相一致， 达到转子减振的目的。本装置是一种笼式结构，质量块采用环形对称 结构，悬臂梁弹簧用一根丝杆及其它圆截面、大长径比直杆，并联连 接卡箍与质量块，子系统的刚度I为丝杆截面二次矩，E为 弹性模量，l为悬臂梁弹簧有效长度，n为悬臂梁数量。通过改变悬 臂梁有效长度l可连续改变子系统的刚度，从而实现TMD频率连续 可调。

（3）刚度连续可调式调谐质量阻尼器的的调节系统，是通过笼式 结构中的步进电机带动与丝杆配合的螺母移动，改变悬臂梁有效长度 l，可连续改变笼式结构的刚度，从而连续调节TMD的频率。螺母与 环形质量块通过螺栓连接在一起，丝杆与步进电机连接。当传感器测 量到转子主振系的频率发生变化时，通过给步进电机相应的脉冲，让 质量块沿丝杆轴向移动到相应的位置，得到相应的笼式结构的刚度， 由此对调谐质量子系统的固有频率进行实时跟踪连续调节，使笼式结 构子系统的频率与转子主振系频率保持一致，以适应实际情况下转子 的频率变化。

（4）控制系统，包括实时信号采集分析系统和执行系统。实时信 号采集分析系统由光电测速传感器、测振传感器、接线端子、信号调 理模块、数据采集卡及计算机构成；其中光电测速传感器、测振传感 器将转子的转速信号和振动信号转换为电信号，电信号通过接线端子 进入信号调理模块，调理后的信号接入信号采集卡内，转换为计算机 可识别的数字信号，计算机内编译好的控制程序对采集的转速信号和 振动信号进行分析计算，确定转子的实时频率和振动大小，结合丝杆 螺母的参数，计算出相应的移动位移量，转换成步进电机转动的脉冲 数，形成控制信号传给步进电机，带动环形质量块移动到相应位置， 并自动锁紧，使调谐质量机构保持与转子系统相一致的频率，由此形 成实时连续闭环的控制回路。

本发明与现有的TMD减振方法相比具有以下的优势。

（1）保证TMD质量不变，固有频率能在线实时连续可调，可适 应转子系统多种频率成分的振动。如转子主系统在临界转速区振动剧 烈，就需要TMD子系统对应主系统临界转速下的频率，发挥减振作 用保证转子安全过临界；转子通过临界转速区后进入稳定工作阶段， 就需要TMD子系统对应主系统工作转速下的频率，发挥减振作用； 对于稳定工作时特征主频为工作转速下的频率，机组在运转过程中出 现不对中，特征主频上升为工作转速频率的二倍；强烈振动有可能会 造成油膜涡动，特征主频下降到约工作转速频率的一半等。本装置能 够实时调节笼式结构的刚度，对TMD固有频率进行在线实时连续调 整，适应转子系统多种频率成分的振动，保证与转子主振系频率保持 一致，避免TMD出现失调问题。本装置相比于（CN201747858）中 通过质量铁块数量的变化实现频率变化，更具有优势，因为这种TMD 的质量变化调节是离散的。本装置在选好了合适的质量后，只要改变 TMD笼式结构的有效长度就可以实现TMD的连续调频，更易于实 现操作。

（2）稳定性及可靠性高，频率调整精度高，结构紧凑，所需安装 空间小。本发明的刚度连续可调质量调谐阻尼器具有很强的稳定性以 及很高的可靠性。通过步进电机可实现对TMD频率高精度调整，避 免TMD出现失调问题。本装置的主体采用笼式结构，结构紧凑，所 需安装空间小，尤其适合结构紧凑安装有限的旋转机构。本装置采用 笼条提供TMD刚度，刚度调整范围大。同时本装置不需要改变原有 的机械结构，可以完成大型新、老设备的减振改造，尤其是针对目前 石化企业中一些由于振动幅值过大被迫停工的机械设备，能起到良好 的减振效果，保障机械设备的安全运行，迅速恢复生产。

（3）能够形成实时闭环连续的自适应控制。本发明的控制系统可 以使可调式调谐质量机构的刚度实时在线连续调节，计算机根据转速 信号和振动信号自动计算出刚度变化量，转换成步进电机需要移动的 位移量，控制系统向步进电机输出相应的脉冲数，这样就可以根据转 子转速和振动的实时变化在线及时调整调谐质量机构的频率，保持与 转子主系统频率相一致，更好地控制转子的振动，发挥TMD的最优 控制。

附图说明

图1为本发明在转子系统中的结构简图。

图2为本发明转子自适应连续移频调谐质量阻尼器的笼式结构 示意图。

图3a为本发明中图2的A-A剖视图。

图3b为本发明中图2的B-B剖视图。

图4为本发明转子自适应连续移频调谐质量阻尼器控制系统示 意图。

图5为本发明闭环主动控制系统图。

图中：1、电机，2、联轴器a，3、步进电机，4、卡箍，5、轴 承，6、轴套，7、环形辅助质量块，8、螺母，9、丝杆，10、转盘， 11、转轴，12、悬臂弹簧杆，13、转子系统支撑，14、螺栓a，15、 联轴器b，16、螺栓b，17、光电测速传感器，18、测振传感器，19、 接线端子，20、信号调理模块，21、数据采集卡，22、计算机，23、 输出模块。

具体实施方式

本发明的实施方式涉及一种用于旋转机械转子的自适应连续移 频调谐质量阻尼器，如附图1所示，转子系统支撑13一般通过轴承、 轴承座来支撑转轴11，电机1通过联轴器a2与转轴11连接带动转 轴11及其上的转盘10一起旋转；转子在旋转过程会因某些因素影响 产生振动，在转轴11的某些位置安装此自适应连续移频调谐质量阻 尼器，其结构包括轴套6、轴承5、卡箍4、步进电机3、丝杆9、螺 母8、悬臂弹簧杆12、环形辅质量块7。

如图2、3a、3b所示为本发明自适应连续移频调谐质量阻尼器的 结构示意图，该阻尼器为一种笼式结构，旋转机械运转时，转轴11 由于各种原因将会产生振动，轴套6用紧定螺钉固定在转轴11上， 轴承5安装在轴套6上，卡箍4分成两半并通过螺栓卡紧在轴承5外 圈上，轴套6、轴承5与卡箍4组成连接传递机构，可以起到传递振 动能量的作用，同时又不会影响转轴11的正常运转；调谐质量机构 包括悬臂弹簧杆12、环形辅助质量块7，其中一条悬臂弹簧杆用丝杆 9代替，其它悬臂弹簧杆是圆形横截面的、大长径比的几何结构，它 们共同为吸振器提供刚度；悬臂弹簧杆12的数量为偶数，其一端与 卡箍4并联周向均布焊接，另一端与环形辅助质量块7连接；步进电 机3通过螺栓a14与卡箍4连接，丝杆9通过联轴器b15与步进电机 3连接，与丝杆9配合的螺母8通过螺栓b16与环形辅助质量块7连 接；当选定了弹簧杆12的数量、材料和几何结构，其刚度大小由环 形辅助质量块7到卡箍4的距离长度决定；当振动能量传递过来后， 环形辅助质量块7产生受迫响应，由于与转子系统的频率相同，引发 共振，并反作用于转子系统，起减振作用；而当转子因复杂工况产生 不同频率振动时，需要调节TMD的频率，其调节过程如下：当转子 振动的主频升高时，步进电机3按计算机中换算好的脉冲数带动丝杆 9旋转，与丝杆9配合的螺母8拉动环形辅助质量块7沿轴向向左移 动到相应位移，刚度变大，TMD频率升高，相反，频率降低；这样 质量块沿弹簧杆来回移动，可连续调整TMD频率达到与目标调谐频 率相一致，发挥其最佳减振效果。

附图4为旋转机械转子自适应连续移频调谐质量阻尼器的控制系 统框图，图中实时信号检测分析系统包括光电测速传感器17、测振 传感器18、接线端子19、信号调理模块20、数据采集卡21、计算机 22和输出模块23；其中光电测速传感器17与测振传感器18分别将 转轴11的转速信号和振动信号，通过接线端子19接入信号调理模块 20，信号调理模块20对采集的原始信号进行整流、滤波及放大处理， 提取出对于分析有用的信号并送入数据采集卡21，数据采集卡21将 模拟电信号转换成数字电信号，并将数字信号送入计算机22中的控 制分析系统中，控制分析系统通过对转速信号和振动信号的分析，确 定转子的实时频率和振动，计算机22通过已编好的算法程序计算出 质量块的位移量，并换算成步进电机3转动的脉冲数，形成控制信号 通过输出模块23，输出给步进电机3执行；步进电机3根据送来的 指令带动丝杆9转动并带动螺母8与质量块7一起移动，使调谐质量 阻尼器子系统保持与转子主系统频率的一致性。

附图5为本发明闭环主动控制系统图，其控制过程为，当经光电 测速传感器17与测振传感器18检测到转子振动的频率升高时，传到 计算机22，计算机22按编好的算法计算出调节频率所需螺母8与环 形辅助质量块7移动的位移，向步进电机3输出执行指令，带动丝杆 9旋转，与丝杆配合的螺母8拉动环形辅助质量块7沿轴向向左移动 到相应位移，刚度变大，TMD频率升高，相反，频率降低，可连续 调整TMD频率达到与目标调谐频率相一致，发挥其最佳减振效果。

本发明装置结构紧凑可安装于旋转机械轴向任意位置，其频率能 自适应连续可调，能够在线实时调节TMD子系统频率与转子系统主 振系频率相一致，减振效果好。