一种基于非线性模拟电路的超临界轴系减振装置的制作方法

1.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：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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
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电感电路、同步开关电路和负电容电路。串联电阻
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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。


技术实现要素：

6.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。
7.为解决上述问题，本发明的技术方案为：
8.一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；
9.所述振动控制电路模块包括压电单元、电阻
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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
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电感电路单元的正输入端连接，所述电阻
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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；
10.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；
11.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；
12.所述信号调理电路与所述无线感应线圈连接，将感应的交流电信号转换为直流电信号为所述振动控制电路模块提供电源。
13.根据本发明一实施例，所述无线感应线圈与导电金属发射头的表面固定位置对准，并与导电金属发射头的表面保持一定间隙，确保电能无线传输有效的同时，不干涉轴系正常运转。
14.根据本发明一实施例，所述压电单元为压电陶瓷贴片，所述压电单元通过环氧树脂胶粘剂黏贴于尾传动轴系的轴颈表面。
15.根据本发明一实施例，在对尾传动轴系第一阶临界转速处振动响应进行控制时，所述压电单元布置于目标模态的最大振幅位置处；
16.在对轴系前两阶临界转速处振动响应均进行控制时，所述压电单元需根据轴系前两阶弯曲振动模态进行权重优化。
17.根据本发明一实施例，所述电阻
‑
电感电路单元包括电阻元件及合成电感电路，所述合成电感电路串联于所述电阻元件的输出端与所述负电容单元的输入端之间；
18.所述合成电感电路包括运算放大器、四个电阻元件r及电容元件c及3c，所述合成电感电路的模拟电感量可由下式计算得到：l＝2cr2。
19.根据本发明一实施例，所述负电容单元包括一个运算放大器、两个电阻元件及一个并联的电阻
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电容电路，所述负电容单元的实际作用效果等效于并联的负容抗和负阻抗，其中，负容抗用于抵消压电单元的寄生电容，增强机电耦合系数和宽频抑制效果，负阻抗用于消除运算放大器的偏置电流及偏置电压引起的误差。
20.根据本发明一实施例，所述非线性模拟电路单元由电压跟随器电路、差分放大器电路、同相放大器电路及倍增器电路组成；
21.所述电压跟随器电路包括第一电压跟随器、第二电压跟随器及第三电压跟随器，所述第一电压跟随器的输出端与所述差分放大器电路的同相输入端连接，所述第二电压跟随器的输出端与所述差分放大器的反相输入端连接；所述差分放大器电路的输出端与所述同相放大器电路的同相输入端连接；所述同相放大器电路的输出端与所述倍增器电路的输入端连接；所述倍增器电路的输出端通过一电阻与所述第三电压跟随器的输入端连接。
22.根据本发明一实施例，所述增器电路包括多级乘法器，乘法器的级数根据需构造的非线性模拟电路的阶次确定；
23.所述同相放大器电路的输出端与第一级乘法器的两组输入端及其他各级乘法器
的一组输入端同时连接，各级乘法器的输出端与下一级乘法器的其中一组输入端依次连接。
24.本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
25.1)本发明一实施例中的基于非线性模拟电路的超临界轴系减振装置，与机械式非线性吸振器相比，本发明采用模拟集成电路技术的振动控制电路模块可赋予超临界轴系抑振设计体积小、可靠性高以及易于与电路集成和实现在线抑振等显著优势，可方便地通过改变电子元件参数调整控制效果。
26.2)本发明一实施例中的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，本发明具有非线性电压
‑
电流关系的振动控制电路可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。
27.3)本发明一实施例中的基于非线性模拟电路的超临界轴系减振装置，与被动压电控制电路相比，本发明采用非线性振动控制电路可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抑制。
附图说明
28.图1为本发明一实施例中的基于非线性模拟电路的超临界轴系减振装置示意图；
29.图2为本发明一实施例中的无损合成电感电路图；
30.图3为本发明一实施例中的负容抗电路图；
31.图4为本发明一实施例中的非线性模拟电路单元的示意图；
32.图5为本发明一实施例中的同向放大器电路图；
33.图6为本发明一实施例中的倍增器电路图；
34.图7为本发明一实施例中的超临界轴系跨临界共振响应控制效果图；
35.图8为本发明一实施例中的超临界轴系跨临界失稳响应控制效果图。
36.附图标记说明：
37.1：压电单元；2：电阻
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电感电路单元；3：负电容单元；4：非线性模拟电路单元；5：信号调理电路；6：无线感应发射器；7：无线感应线圈；8：交流电源；9：轴系；10：轴承支撑。
具体实施方式
38.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于非线性模拟电路的超临界轴系减振装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
39.本实施例为了克服现有技术中的不足，基于非线性吸振原理，提出一种基于非线性模拟电路的超临界轴系减振装置。该装置可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。此外，该装置可由电阻、电容和运算放大器等常规电路元器件实现，运行过程中只消耗较低的能量用于运算放大器的供电，可赋予抑振设计小型化、集成
化和低功耗等优势。
40.具体的，请参看图1，该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，以及用于为振动控制电路模块供电的无线感应供电模块。其中，振动控制电路模块包括压电单元1、电阻
‑
电感电路单元2、负电容单元3及非线性模拟电路单元4。压电单元1的正电极与电阻
‑
电感电路单元2的正输入端连接，电阻
‑
电感电路单元2、负电容单元3及非线性模拟电路单元4依次串联，该非线性模拟电路单元4的负输入端与压电单元1的负电极连接。
41.无线感应供电模块包括无线感应发射器6及其附件、无线感应线圈7及信号调理电路5。其中，无线感应发射器6由220v交流电源8供电，通过发射电路与导电金属发射头连接，产生高频感应磁场。无线感应线圈7缠绕于轴系9的轴颈表面，随轴系9高速运转，且该无线感应线圈7通过与导电金属发射头之间的电磁耦合获得电能。其中，轴系9的两端由轴承支撑10提供支撑力。信号调理电路5与无线感应线圈7连接，将感应的交流电信号转换为直流电信号为振动控制电路模块提供电源。
42.需要注意的是，无线感应线圈7与导电金属发射头的表面固定位置对准，并与导电金属发射头的表面保持一定间隙，确保电能无线传输有效的同时，不干涉轴系正常运转。
43.具体的，振动控制电路模块为非线性模拟集成电路，其压电单元1为压电陶瓷贴片，该压电单元1通过环氧树脂胶粘剂黏贴于尾传动轴系9的轴颈表面。在对尾传动轴系第一阶临界转速处振动响应进行控制时，该压电单元1布置于目标模态的最大振幅位置处；在对轴系前两阶临界转速处振动响应均进行控制时，该压电单元1需根据轴系前两阶弯曲振动模态进行权重优化。
44.电阻
‑
电感电路单元2包括电阻元件和电感元件。针对轴系第一阶临界转速相对较低导致控制回路对电感元件的电感值要求过大问题，本实施例采用无损合成电感电路实现大的模拟电感量以替代常规电感元件。请参看图2，该无损合成电感电路包括运算放大器oa1、四个电阻元件r及两个电容元件c和3c。该无损合成电感电路的模拟电感量可由下式计算得到：
45.l＝2cr246.该无损合成电感电路串联于电阻元件的输出端和负电容单元的输入端之间，可实现电感值为l的理想电感元件的特性。
47.负电容单元3由负容抗电路实现，请参看图3。该负电容单元3包括一个运算放大器oa2、两个电阻元件和一个并联的电阻
‑
电容电路。其实际作用效果等效于并联的和其中，和可分别由下式计算得到：
[0048][0049]
其中，用于抵消压电片寄生电容，可显著增强机电耦合系数和宽频抑制效果。用于消除运算放大器偏置电流和偏置电压引起的误差。
[0050]
非线性模拟电路单元4由三组电压跟随器电路、一组差分放大器电路、一组同相放大器电路和倍增器电路组成，请参看图4。
[0051]
其中，电压跟随器电路vf1与vf2同相输入端分别连接于负容抗电路中电阻r
3b
两
侧。电压跟随器电路vf1输出端与差分放大器电路da1同相输入端连接，电压跟随器vf2输出端与差分放大器反相输入端连接。电压跟随器电路vf1与vf2输出电压分别为u1和u2，则差分放大器输出电压为u3＝u2‑
u1。差分放大器电路输出端与同相放大器电路同相输入端连接。倍增器电路的输出端连接电阻r
4a
输入端，电阻元件r
4a
输出端与电阻r
4b
和电压跟随器电路vf3同相输入端的公共端连接。电压跟随器电路vf3输出端、电压跟随器vf2同相输入端和电阻r
3b
一端三者相连接。
[0052]
其中，同相放大器电路由一个运算放大器和两个外部电阻组成，请参看图5。该同相放大器电路的输出电压可由下式计算：
[0053][0054]
其中，倍增器电路包括多级乘法器，乘法器级数根据需构造的非线性电路阶次确定。倍增器电路的具体实施方式为，同相放大器电路输出端与第一级乘法器两组输入端和其他各级乘法器一组输入端同时连接，各级乘法器输出端与下一级乘法器其中一组输入端依次连接。以4级乘法器为例，如图6所示。
[0055]
对于n级乘法器，理想倍增器电路的输出特性方程可由下式表示：
[0056][0057]
式中，k为乘法器的相乘增益，其量纲为v
‑1。
[0058]
采用该非线性模拟电路单元，u2和压电单元输出的电荷量q的非线性关系可如下表示：
[0059][0060]
上述振动控制电路模块所实现的振动控制效果本质上相当于非线性动力吸振器。根据力学系统与电学系统物理量间的对应关系，电阻元件r和合成电感电路l分别提供类似于非线性吸振器中的阻尼和惯性影响。非线性模拟电路单元提供非线性吸振器中的非线性刚度影响。
[0061]
与仅针对特定抑振频率的传统被动压电控制电路相比，本实施例提出的非线性模拟电路具有宽频抑振特性，不需要根据特定频率进行调谐。但为实现更好的振动控制效果，可针对抑振带宽和抑振水平等对各电路单元参数进行优化设计以获得最优参数。
[0062]
请参看图7，在直升机尾传动系统和舰船燃气轮机等大型旋转机械转子中，使用与不使用本发明基于非线性模拟电路的超临界轴系减振装置的耦合系统其瞬态升速转子幅频曲线存在明显差异。由图可知，使用本发明基于非线性模拟电路的超临界轴系减振装置的轴系升速曲线在过1阶及2阶临界转速时，其共振峰明显得到抑制。
[0063]
同样的，请参看图8，本发明针对超临界转子在花键界面内摩擦下易发生自激失稳的情况，通过采用基于非线性模拟电路的振动控制电路模块，可明显降低失稳振动响应幅值，使振动得到了大幅度抑制。
[0064]
说明：上述图7及图8中的实线(即转子幅频曲线中外围振动幅度较大的部分)为未采用本发明的失稳效应，而其中的点线(即转子幅频曲线中内部振动幅度较小的部分)为采用本发明振动控制后的效果。
[0065]
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。