CN102338158A - 一种弹性环以及应用该弹性环的一体式弹性环阻尼器 - Google Patents

一种弹性环以及应用该弹性环的一体式弹性环阻尼器 Download PDF

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王世琥
田中梁
何洪
赵新军
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Xian Jiaotong University
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Xian Jiaotong University
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Abstract

本发明公开了一种弹性环以及应用该弹性环的一体式弹性环阻尼器，包括设有轴承室的壳体、安装在轴承室内的滚动轴承、为滚动轴承提供润滑作用的进油喷嘴、以及安装在滚动轴承和轴承室内壁之间的弹性环，该弹性环的外壁沿轴向设置有与轴承室的内壁接触的外凸台，该弹性环的内壁沿轴向设置有与滚动轴承的外圈接触的内凸台，所述外凸台和内凸台交错设置，所述内凸台和外凸台之间的弧形连接体形成弹性体，内凸台、弹性体、内凸台和滚动轴承的外圈围成内油腔；所述外凸台、弹性体、外凸台和轴承室的内壁围成外油腔，当内油腔和外油腔没有油膜存在时，滚动轴承通过一体化的弹性环支承到轴承室，当内油腔和外油腔有油膜存在时，滚动轴承通过一体化的弹性环加内外腔油膜支承到轴承室。

Description

一种弹性环以及应用该弹性环的一体式弹性环阻尼器
技术领域
本发明涉及一种高速转子***的弹性阻尼支承装置，特别是一种弹性环以及应用该弹性环的一体式弹性环阻尼器。
背景技术
任何机械结构都有其固有的振动频率，当外界激励频率与其固有频率相同时，该机械结构就会发生一种自激振动，严重时还会造成可怕的灾难性后果。旋转机械也不例外，尤其是旋转速度不断提高的高速转子***(例如各种动力机械，包括航空涡扇发动机，冲压式发动机，燃气轮机，涡轮膨胀机，涡轮增压器，大型轴流压缩机，高速鼓风机高以及速电机等)，它们往往会跨越一阶、二阶，甚至三阶临界，达到很高的工作转速。当旋转速度运行至临界转速附近或者跨越临界转速时，转子***就会(在某一转速范围内)产生很大振动。另外，旋转机械的转子***或多或少总是存在大小不等的不平衡量。临界转速和不平衡一直是影响整个机械***的正常工作工作主要因素，这个影响在纯滚动轴承支承(有刚度，无阻尼)的转子***中尤为突出。通常解决这一工程难题的办法是纯滚动轴承支承增设阻尼环节，满足转子***高速运行时的刚度和阻尼要求，以有效控制转子***的振动、提高转子***的稳定性。
以增压器为例。车辆增压器，大都采用滑动轴承支承的旋转轴系。这种轴系的显著特点是滑动轴承的润滑油膜为转子***提供了足够的刚度和阻尼，从而保证了转子***的安全稳定运行。但是，滑动轴承转子***也存在以下不足：(1)根据流体润滑楔形承载理论，转子轴颈在滑动轴承中始终处于偏心状态。(2)转子轴径与滑动轴承之间建立起有效的润滑油膜的前提条件是转子必须具有一定转速。(3)由于润滑油膜存在粘滞性，使得增压器的机动性不好。滚动轴承支承的增压器转子***结构简单、机动性好，如果配以合适的支承刚度和支承阻尼就可以完全弥补滑动轴承的这种缺憾。
上世纪60年代，人们就已经发明了挤压油膜阻尼器(SFD)，它的结构简单、体积小、重量轻、安全可靠性高，对转子***振动的控制效果十分显著，被广泛应用于高速旋转机械中。但是挤压油膜阻尼器是非线性阻尼器，其油膜刚度随挤压作用增大而增大，而且挤压作用越大其非线性程度也就越强。这种支承结构下的高速转子***，有可能会发生双稳态跳跃、锁死和非协调进动等严重的有害现象，凭此加大转子***的振动。因此，后来俄罗斯学者率先提出一种弹性环挤压油膜阻尼器(ERSFD)，这种阻尼器即具有挤压油膜阻尼器的基本特性，又具有调节支承刚度的弹性支承功能，改善了挤压油膜阻尼器油膜刚度的高非线性问题，使转子***可以在高速和大不平衡量的情况下安全工作。但是，由于其结构设计经常会考虑到弹性环的轴向定位、供油、回油等问题，而不得不增加转子辅助支承的轴向长度、使转子***设计变得非常复杂。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供一种结构简单、制造快速、装拆便捷的弹性环以及应用该弹性环的一体式弹性环阻尼器。
为实现上述目的，本发明提供了一种弹性环，该弹性环为两端开放且中空的圆筒状结构，在该弹性环的外壁和内壁分别设置有沿弹性环轴向延伸并分别朝外和朝内突出的外凸台和内凸台，所述外凸台和内凸台分别在弹性环的外壁和内壁沿圆周方向均匀分布，所述外凸台和内凸台交错排列。
作为本发明的优选实施例，所述每一个外凸台设置在相邻的两个的内凸台之间，每一个内凸台设置在相邻的两个外凸台之间；
作为本发明的优选实施例，所述每一个外凸台或者每一个内凸台沿弹性环的轴向连续延伸或者在弹性环的轴向断开成至少两截；
作为本发明的优选实施例，所述弹性环进一步设置有同轴且位置相差180度的第一定位销孔和第一回油孔；
本发明还提供了一种一体式弹性环阻尼器，包括壳体，设有轴承室；滚动轴承，安装在壳体的轴承室内；进油喷嘴，为滚动轴承提供润滑作用；以及弹性环，安装在滚动轴承和轴承室内壁之间，该弹性环的外壁沿轴向设置有与轴承室的内壁接触的外凸台，该弹性环的内壁沿轴向设置有与滚动轴承的外圈接触的内凸台，所述外凸台和内凸台交错设置，所述内凸台和外凸台之间的弧形连接体形成弹性体，这样，内凸台、弹性体、内凸台和滚动轴承的外圈围成内油腔；所述外凸台、弹性体、外凸台和轴承室的内壁围成外油腔，当内油腔和外油腔没有油膜存在时，滚动轴承通过一体化的弹性环支承到轴承室，当内油腔和外油腔有油膜存在时，滚动轴承通过一体化的弹性环加内外腔油膜支承到轴承室。
作为本发明的优选实施例，在所述弹性体上开设有阻尼调节孔，该阻尼调节孔连通内油腔和外油腔；
作为本发明的优选实施例，在所述外凸台和内凸台之间且沿径向设置有过油孔，所述滚动轴承在与过油孔相应的位置设置有喷油孔，润滑油依次通过过油孔和喷油孔为轴承提供润滑作用；
作为本发明的优选实施例，所述进油喷嘴的中心开设有供润滑油流通的盲孔，在该盲孔的两侧分别开设有第一出油孔和第二出油孔，所述壳体上设置有分别与上述第一出油孔和第二出油孔相通的第一滑油通道和第二滑油通道，润滑油经由上述盲孔分别进入第一滑油通道和第二滑油通道，最后通过弹性环的过油孔和轴承的喷油孔为轴承提供润滑作用；
作为本发明的优选实施例，所述弹性环进一步设置有同轴且位置相差180度的第一定位销孔和第一回油孔；所述滚动轴承和壳体分别在与上述第一定位销孔和第一回油孔相对应的位置设置有第二定位销孔和第二回油孔，以及第三定位销孔和第三回油孔，所述弹性环和滚动轴承通过进油喷嘴的销柱依次穿过第三定位销孔、第一定位销孔和第二定位销孔而实现径向定位；
作为本发明的优选实施例，所述弹性环的轴向长度不小于转子两支承滚动轴承的外侧尺寸；所述外凸台和内凸台的轴向长度大于等于支承滚动轴承宽度。
本发明弹性环以及应用该弹性环的一体式弹性环阻尼器至少具有以下优点：本发明转子投入工作并旋转起来之后，在动态力的作用下，轴径偏离中心挤压一体化弹性环，处在内外油腔内的润滑油膜受到挤压而形成挤压压力油膜，为支承***提供适当的刚度和阻尼；随着动态力的增大，挤压油膜压力也会升高，挤压油膜的刚度和阻尼亦随之升高。反之亦然。这种流固耦合作用改善了油膜压力场的分布和大小，也改善了油膜刚度的高度非线性，扩大了油膜刚度的线性区域，并获得相对更大的油膜阻尼。同时，弹性环凸台形成的小空腔，相当于降低油膜压力的卸荷腔，有利于降低油膜压力的非线性增长，从而改善油膜力特性，适应更大的不平衡量。
附图说明
图1是本发明弹性环的立体结构示意图；
图2是图1的弹性环装入滚动轴承后的装配示意图；
图3是图1的弹性环装入另一种滚动轴承后的装配示意图；
图4是进油喷嘴的结构示意图；
图5是壳体和轴承室的结构示意图；
图6是本发明弹性环、滚动轴承和壳体组装在一起后的结构示意图；
图7是本发明一体式弹性环阻尼器的总体组装示意图；
图8是本发明一体式弹性环阻尼器的轴向示意图。
其中，元件标号与其对应名称的对应关系如下：
  1   内凸台   2   弹性体
  3   外凸台   7   第一定位销孔
  8   过油孔   10   第一回油孔
  11   延长内圈   12   滚珠
  13   外圈   15   过渡预紧圈
  16   第二定位销孔   17   第二回油孔
  18   喷油孔   24   销头
  25   盲孔   26   第一出油孔
  27   第二出油孔   28   销柱
  29   轴承室   30   第一滑油通道
  31   第三定位销孔   32   第二滑油通道
  33   第三回油孔   34   总回油孔
  35   涡轮转子心轴   36   滚动轴承
  37   弹性环   38   进油喷嘴
  P   内油腔   Q   外油腔
具体实施方式
下面结合附图对本发明弹性环以及应用该弹性环的一体式弹性环阻尼器作具体介绍：
请参阅图1所示，为本发明弹性环37的立体结构示意图，本发明弹性环37为两端开放且中空的圆筒状结构，在所述弹性环37的外壁和内壁分别设置有沿弹性环37轴向延伸并分别朝内和朝外突出的外凸台3和内凸台1，在本实施例中，所述外凸台3和内凸台1为长条状结构，但是在其他实施例中，如果所述外凸台3和内凸台1为其他结构也是可以实现本发明的；所述外凸台3和内凸台1分别在弹性环的外壁和内壁沿圆周方向均匀分布，所述外凸台3和内凸台1交错排列，也就是说，每一个外凸台3设置在相邻的两个的内凸台1之间，每一个内凸台1设置在相邻的两个外凸台3之间；每一个外凸台3或者每一个内凸台1可以是沿着弹性环的轴向连续延伸，也可以在弹性环的轴向断开；所述弹性环还设置有贯穿弹性环壁厚的若干个过油孔8，每一个过油孔8设置在相邻的外凸台3和内凸台1之间且沿弹性环的径向延伸，同时，所述过油孔8在弹性环径向上的尺寸与相邻的外凸台3和内凸台1之间的尺寸相等；此外，所述弹性环还设置有贯穿其壁厚的第一定位销孔7和第一回油孔10，所述第一定位销孔7与第一回油孔10同轴设置。
为方便叙述，本发明定义：周向内的内凸台1和外凸台3之间的弧形连接体称之为弹性体2，那么，本发明弹性环在周向的结构特征是：内凸台1-弹性体2-外凸台3-弹性体2-内凸台1...依次周期性结构布局。
本发明一体式弹性环的轴向长度不小于转子两支承滚动轴承的外侧尺寸；所述外凸台和内凸台的轴向长度大于等于支承滚动轴承宽度；所述过油孔8的数目与内凸台1和外凸台3之间隔数相等；所述第一定位销孔7与第一回油孔10同轴，位置相差180度。
请参阅图2和图3所示，所述一体化的滚动轴承36的结构特征是：在延长内圈11的两端各设计一列或者两列以上的滚珠12，滚珠12之间的跨距为实际机组跨距，其外圈被分为几段，包括外圈13和过渡预紧圈15，所述外圈13位于两端的位置，所述过渡预紧圈15位于靠中间的位置，其中，过渡预紧圈15的中间位置且与弹性环37的第一定位销孔7相对应的位置设置有第二定位销孔16，所述外圈上在与第二定位销孔16同轴且位置相差180度的位置开设有第二回油孔17；在位于两端位置的外圈13上分别设置有倾斜的喷油孔18。因此，所述外圈的结构为：外圈13-喷油孔18-外圈13-过渡预紧圈15-第二定位销孔16-过渡预紧圈15-外圈13-喷油孔18-外圈13。这样的外圈结构可以满足角接触球轴承的轴向预紧的要求；反之亦然，即在延长外圈的两端设计两列角接触球轴承，其内圈可以分为两段或三段以满足角接触球轴承的轴向预紧的要求；或者将两只以上的传统滚动轴承组装合成一体化结构(如图3所示)；在外圈13靠近两列滚珠12内侧处各设计一个或者两个以上的喷油孔18；在滚动轴承过渡预紧圈15中间处开有第二定位销孔16和第二回油孔17，第二定位销孔16与第二回油孔17同轴，位置相差180度。
请参阅图4所示，所述进油喷嘴38结构特征是：将含有销头24和销柱28的圆柱销中心开出一个盲孔25；再在盲孔25的两侧开第一出油孔26和第二出油孔27。
请参阅图5所示，所述壳体及轴承室结构特征是：在壳体内部设计一个下垂式轴承室29；轴承室29为一个通孔，其轴线与壳体左右两个轴伸孔同轴；在轴承室29的中间上部设计第三定位销孔31，下部设计第三回油孔33；在第三定位销孔31中间并与进油喷嘴38的第一出油口26和第二出油孔27对应部位斜向下开设第一滑油通道30和第二滑油通道32；第一滑油通道30和第二滑油通道32的出口分别与一体化弹性环37相对应的过油孔8相对应；在壳体的下端设置有总回油孔34。
请参阅图6所示，所述弹性环及滚动轴承定位关系是：将一体化弹性环37套装在一体化滚动轴承36上，第一定位销孔7对正第二定位销孔16；将组装后的一体化弹性环37和一体化滚动轴承36一起***壳体的轴承室29；将第一定位销孔7、第二定位销孔16和第三定位销孔31对正；将第一滑油通道30和第二滑油通道32的出口分别与一体化弹性环37相对应的过油孔8相对正；***进油喷嘴38，使第一出油孔26和第二出油口27分别与第一滑油通道30和第二滑油通道32的进油口对正；至此，一体化弹性环37和一体化滚动轴承36已经通过进油喷嘴38的销柱28实现了相对于壳体的径轴向定位。
请结合图7所示，将涡轮转子心轴35从图7所示右端***，至左端安装压气机叶轮，如图7所示关系，即实现转子***相对于壳体的可靠定位。
请参阅图8所示，所述弹性环阻尼器结构特征是：在一体化弹性环37和一体化滚动轴承36装入轴承室29之后，就会形成以内凸台1、弹性体2、外凸台3和滚动轴承外圈13围成的空间称之为内油腔P；就会形成以内凸台1、弹性体2、外凸台3和轴承室29围成的空间称之为外油腔Q；内油腔P和外油腔Q交错均布；任意两个内凸台1之间都会有一个外凸台3，任意两个外凸台3之间都会有一个内凸台1，内凸台1和外凸台3互为支点。
本发明转子***的润滑油***特征是：润滑油由进油喷嘴38，经第一出油孔26和第二出油孔27分为两路；一路润滑油经第一滑油通道30至过油孔8再分为两路，其一经喷油孔18为左轴承提供润滑，润滑之后的润滑油经第二回油孔17、第一回油孔10和第三回油孔33，下泄到总回油孔34；其一经弹性环37的内外油腔，由一体化弹性环左端部下泄到总回油孔34；一路润滑油经第二滑油通道32至过油孔8再分为两路，其一经喷油孔18为右轴承提供润滑，润滑之后的润滑油经第二回油孔17、第一回油孔10和第三回油孔33，下泄到总回油孔34；其一经弹性环37的内外油腔，由一体化弹性环右端部下泄到总回油孔34，具体如图6中箭头所示。
当内油腔和外油腔没有油膜存在时，一体化滚动轴承36就通过一体化弹性环37支承到轴承室29，此时转子***为纯弹性支承，其支承刚度由一体化弹性环37的弹性体2的刚度决定。
当内油腔和外油腔有油膜存在时，一体化滚动轴承36就通过一体化弹性环37加内外腔油膜支承到轴承室29，此时转子***为弹性阻尼支承，其支承刚度阻尼由一体化弹性环37的弹性体2和内外油腔的刚度阻尼决定。
本发明所述的弹性挤压油膜阻尼支承***结构简单，安全可靠。一体化弹性环37作为一个整体设计安装在转子***轴承室29和一体化滚动轴承36之间，其外凸台3与轴承室29内壁接触，内凸台1与一体化滚动轴承36外圈13接触。
本发明所述工作原理是：转子投入工作并旋转起来之后，在动态力的作用下，轴径偏离中心挤压一体化弹性环37，处在内外油腔内的润滑油膜受到挤压而形成挤压压力油膜，为支承***提供适当的刚度和阻尼；随着动态力的增大，挤压油膜压力也会升高，挤压油膜的刚度和阻尼亦随之升高。反之亦然。这种流固耦合作用改善了油膜压力场的分布和大小，也改善了油膜刚度的高度非线性，扩大了油膜刚度的线性区域，并获得相对更大的油膜阻尼。同时，弹性环凸台形成的小空腔，相当于降低油膜压力的卸荷腔，有利于降低油膜压力的非线性增长，从而改善油膜力特性，适应更大的不平衡量。
本发明一体化弹性环结构特征是：将具有多个内外交错均布凸台的环形筒套称之为弹性环；将周向内外凸台之间的较薄的弧形连接体称之为弹性体；那么，弹性环在周向结构特征是内凸台-弹性体-外凸台-弹性体-内凸台...如此连续的、周期性的重复结构；一体化弹性环的轴向长度不小于转子两支承滚动轴承的外侧尺寸；凸台轴向长度大于等于支承滚动轴承宽度；在内外凸台相间，两滚动轴承内侧开有若干过油孔，其数目与内外凸台相间数相等；弹性化进一步包括第一定位销孔和第一回油孔，第一定位销孔与第一回油孔同心，位置相对。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种弹性环，其特征在于：该弹性环(37)为两端开放且中空的圆筒状结构，在该弹性环(37)的外壁和内壁分别设置有沿弹性环(37)轴向延伸并分别朝外和朝内突出的外凸台(3)和内凸台(1)，所述外凸台(3)和内凸台(1)分别在弹性环(37)的外壁和内壁沿圆周方向均匀分布，所述外凸台(3)和内凸台(1)交错排列。
2.如权利要求1所述的弹性环，其特征在于：所述每一个外凸台(3)设置在相邻的两个的内凸台(1)之间，每一个内凸台(1)设置在相邻的两个外凸台(3)之间。
3.如权利要求1或2所述的弹性环，其特征在于：所述每一个外凸台(3)或者每一个内凸台(1)沿弹性环的轴向连续延伸或者
在弹性环的轴向断开成至少两截。
4.如权利要求1所述的弹性环，其特征在于：所述弹性环(37)进一步设置有同轴且位置相差180度的第一定位销孔(7)和第一回油孔(10)。
5.一种一体式弹性环阻尼器，其特征在于：该一体式弹性环阻尼器包括：
壳体，设有轴承室(29)；
滚动轴承(36)，安装在壳体的轴承室(29)内；
进油喷嘴(38)，为滚动轴承提供润滑作用；以及
弹性环(37)，安装在滚动轴承(36)和轴承室(29)内壁之间，该弹性环(37)的外壁沿轴向设置有与轴承室(29)的内壁接触的外凸台(3)，该弹性环的内壁沿轴向设置有与滚动轴承的外圈接触的内凸台(1)，所述外凸台(3)和内凸台(1)交错设置，所述内凸台(1)和外凸台(3)之间的弧形连接体形成弹性体，这样，内凸台(1)、弹性体(2)、内凸台(1)和滚动轴承的外圈(13)围成内油腔(P)；所述外凸台(3)、弹性体(2)、外凸台(3)和轴承室(29)的内壁围成外油腔(Q)，当内油腔(P)和外油腔(Q)没有油膜存在时，滚动轴承(36)通过一体化的弹性环(37)支承到轴承室(29)，当内油腔(P)和外油腔(Q)有油膜存在时，滚动轴承(36)通过一体化的弹性环(37)加内外腔油膜支承到轴承室(29)。
6.如权利要求5所述的一体式弹性环阻尼器，其特征在于：在所述弹性体上开设有阻尼调节孔，该阻尼调节孔连通内油腔(P)和外油腔(Q)。
7.如权利要求5所述的一体式弹性环阻尼器，其特征在于：在所述外凸台(3)和内凸台(1)之间且沿径向设置有过油孔(8)，所述滚动轴承在与过油孔(8)相应的位置设置有喷油孔(18)，润滑油依次通过过油孔(8)和喷油孔(18)为轴承提供润滑作用。
8.如权利要求7所述的一体式弹性环阻尼器，其特征在于：所述进油喷嘴(38)的中心开设有供润滑油流通的盲孔(25)，在该盲孔(25)的两侧分别开设有第一出油孔(26)和第二出油孔(27)，所述壳体上设置有分别与上述第一出油孔(26)和第二出油孔(27)相通的第一滑油通道(30)和第二滑油通道(32)，润滑油经由上述盲孔分别进入第一滑油通道(30)和第二滑油通道(32)，最后通过弹性环(37)的过油孔(8)和轴承的喷油孔(18)为轴承提供润滑作用。
9.如权利要求5所述的一体式弹性环阻尼器，其特征在于：所述弹性环(37)进一步设置有同轴且位置相差180度的第一定位销孔(7)和第一回油孔(10)；所述滚动轴承(36)和壳体分别在与上述第一定位销孔(7)和第一回油孔(10)相对应的位置设置有第二定位销孔(16)和第二回油孔(17)，以及第三定位销孔(31)和第三回油孔(33)，所述弹性环(37)和滚动轴承(36)通过进油喷嘴的销柱依次穿过第三定位销孔(31)、第一定位销孔(7)和第二定位销孔(16)而实现径向定位。
10.如权利要求5所述的一体式弹性环阻尼器，其特征在于：所述弹性环的轴向长度不小于转子两支承滚动轴承的外侧尺寸；所述外凸台和内凸台的轴向长度大于等于支承滚动轴承宽度。
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