1.本发明属于小尺寸、高转速航空发动机转子系统的弹性支承设计技术领域，具体涉及一种带有金属橡胶层的弹性环式阻尼器。
背景技术：2.航空发动机为高速旋转动力装置，转子常常工作在第一阶临界转速、甚至多阶临界转速以上，而在转速接近或通过临界转速时，转子系统振动响应将显著提高。因此，发动机转子-支承系统常采用弹性支承，在调整和控制临界转速的同时，利用弹性支承本身的变形及其材料内阻作用吸收转子的振动能量，起到减振作用。弹性环式弹性支承由一个或多个带有内、外凸台的弹性环构成，安装在轴承外环和轴承座之间，通过改变弹性环厚度和内、外凸台数目改变支承刚度，具有结构简单、占用空间小、便于拆装的优势。
3.早期发动机采用的弹性环式弹性支承，在弹性环与轴承外环或轴承座之间的间隙中一般仅引入少量滑油，而未专门设置油路并供油，这种弹性支承主要其调整转子系统临界转速的作用。20世纪90年代，俄罗斯学者将弹性环式弹性支承与挤压油膜阻尼器结合发展了弹性环式挤压油膜阻尼器，专门设置油路给弹性环供给充分滑油，弹性环内、外凸台将整个圆周分隔为几个分段的油膜区，在转子不平衡力作用下轴承发生进动并挤压油膜，使之发生周向剪切流动，从而产生油膜阻尼，以减小转子系统本身和通过轴承座外传的振动。然而，现代小尺寸、高转速发动机对支承结构提出了轻质重载的设计要求，传统弹性环式弹性支承结构难以适用，其主要原因为以下三点：
4.1)弹性环的允许安装空间减少对其强度和刚度设计提出挑战，弹性环厚度过大将导致刚度调整范围缩小，厚度过小则承载能力不足；
5.2)使用挤压油膜进行阻尼减振需要专门设置油路供给滑油，结构设计、加工与装配成本高，并且会增大构件质量；
6.3)转子高速运转过程中轴颈位置存在角向变形，造成油膜间隙轴向分布不一致，会影响油膜的阻尼效果，引发油膜振荡失稳等转子异常振动问题。
技术实现要素：7.为了克服上述现有技术的不足之处，本发明旨在提出一种带有金属橡胶层的弹性环式阻尼器，可适用于小尺寸、高转速的航空发动机转子-支承结构系统中，无需专门设置油路和挤压油膜，即可同时实现调节支承刚度并降低转子振动响应的功能，结构简单，便于拆装。
8.为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
9.一种带有金属橡胶层的弹性环式阻尼器，包括刚性轴承座、轴向挡板以及带有金属橡胶层的弹性环；所述带有金属橡胶层的弹性环式阻尼器安装在转子上的支点轴承位置，用于转子系统振动控制；
10.所述刚性轴承座包括固定安装边、挡板安装边以及轴承安装孔；
11.所述弹性环包括带有外凸台的弹性外环、带有内凸台的弹性内环以及位于弹性内、外环之间的金属橡胶层；
12.所述刚性轴承座通过螺栓与外部承力构件连接实现自身固定安装；
13.所述支点轴承的轴承外环安装在刚性轴承座的轴承安装孔内；轴承安装孔的内环面直径大于轴承外环的外环面直径，所述带有金属橡胶的弹性环安装在轴承座内环面与轴承外环面之间；外凸台外表面与内环面径向配合，内凸台内表面与外环面径向配合；
14.所述轴向挡板通过螺栓安装在刚性轴承座的挡板安装边位置，对轴承外环和弹性环进行轴向限位。
15.进一步地，转子旋转过程中产生支点载荷通过支点轴承传入弹性环和刚性轴承座，并通过固定安装边继续向外传出，所述弹性环内部的金属橡胶层受压变形将产生阻尼效应并消耗振动能量，从而降低固定安装边的外传振动，产生良好的隔振性能；金属橡胶层刚度小、阻尼大，弹性外环和弹性内环刚度大、阻尼小，两者组合调整转子系统的支承刚度，进而调整转子系统的动力学特性。
16.进一步地，所述弹性外环上的外凸台和弹性内环上的内凸台均为规则矩形，并沿所述弹性环周向均匀分布，外凸台和内凸台的数目和宽度参数由所属弹性环所需要的强度和刚度性能要求计算得到。
17.进一步地，所述金属橡胶层的几何参数由阻尼器所需要的刚度和阻尼性能要求计算得到，所使用的材料均是金属橡胶材料，由金属丝绕制成螺旋卷，经过拉伸、编织、模压和后期处理工艺制成的显微结构功能性金属材料。
18.进一步地，所述金属橡胶层由周向均布的多个弧形金属橡胶片代替，相邻金属橡胶片之间装入波纹钢片进行周向限位。
19.本发明与现有技术相比的有益效果在于：
20.本发明的带有金属橡胶层的弹性环式阻尼器可以稳定实现转子振动控制和调节转子动力特性的功能。发动机工作时，转子系统在支点轴承位置产生的径向载荷通过弹性环式阻尼器传入轴承座并继续向外传递，当转子转速接近或通过临界转速时，振动载荷提高将造成阻尼器变形量增大。而金属橡胶材料的刚度和阻尼特征具有高度非线性，在大变形情况下金属橡胶层将产生加大阻尼并消耗振动能量，从而降低外传振动，改善转子系统的动力学特性。
21.所述金属橡胶层具有结构简单、阻尼效果好的优势，并且性能参数可设计范围广。金属橡胶是一种由金属丝制成的均质弹性多孔材料，既具有类似所选金属材料的高强度特性，也可通过金属丝的内部摩擦产生较阻尼效果，具有阻尼耗能减振功能。并且通过改变金属丝的长宽尺寸和加工工艺条件，可调节金属橡胶的弹性模量和材料损耗因子，获得弹性支承设计所需的刚度性能和阻尼性能。
22.所述带有金属橡胶层的弹性环式阻尼器采用金属橡胶层与内、外弹性环并用的结构形式，扩大了阻尼器的使用范围，并且弹性环对金属橡胶具有保护作用，降低阻尼材料的工作损伤，延长了阻尼器的使用寿命。
23.所述带有金属橡胶层的弹性环式阻尼器减振性能优于常用的挤压油膜阻尼器，无需复杂的油路结构，降低了设计、加工与装配成本，并且在转子高速运转发生轴颈倾斜时金属橡胶同样可以产生稳定的阻尼效果，不会发生类似于挤压油膜存在的油膜振荡等异常振
动问题，可适用于高速转子系统的阻尼减振设计。
24.所述带有金属橡胶层的弹性环式阻尼器的空间占用量低于一般弹性环式弹性支承结构。一般弹性环式弹性支承结构仅由带有内、外凸台的弹性环构成，通过改变相邻内、外凸台的间隔距离调整支承刚度，振动载荷过大时弹性环的相对变形显著提高，易造成结构破坏失效，因此需要增大弹性环厚度，难以适用于小尺寸航空发动机。而所述带金属橡胶层的弹性环式阻尼器，在振动载荷作用下以金属橡胶层径向挤压变形为主，弹性环相对变形量小，因此承载能量更强，并且允许弹性环设计厚度更薄，减小零件的占用空间，更适用于小尺寸高转速航空发动机转子系统弹性支承设计。
附图说明
25.图1为转子-支承结构系统中使用本发明的带有金属橡胶层的弹性环式阻尼器的结构示意图。
26.图2-a为本发明的带有金属橡胶层的弹性环式阻尼器的轴测图，其金属橡胶层为金属橡胶环；图2-b为阻尼器的零件分解图。
27.图3-a为本发明的带有金属橡胶层的弹性环式阻尼器的轴测图，其金属橡胶层由周向均匀分布的多个弧形金属橡胶片组成，相邻的金属橡胶片之间装入波纹钢片进行周向限位；图3-b为本发明的带有金属橡胶层的弹性环式阻尼器的正视图。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
29.参照图1、图2-a、图2-b，本发明的一种带有金属橡胶层的弹性环式阻尼器包括刚性轴承座1、轴向挡板2以及带有金属橡胶层的弹性环3；阻尼器安装在转子5上的支点轴承4位置，用于转子系统振动控制。刚性轴承座1包括固定安装边11、挡板安装边12以及轴承安装孔13。弹性环3包括带有外凸台311的弹性外环31、带有内凸台331的弹性内环33以及位于内外环之间的金属橡胶层32。刚性轴承座1通过第一螺栓6与外部承力构件连接实现自身固定安装。支点轴承4的轴承外环41安装在刚性轴承座1的轴承安装孔13内；轴承安装孔13的内环面131直径大于轴承外环41的外环面411直径，带有金属橡胶层的弹性环3可安装在轴承座内环面131与轴承外环面411之间。外凸台311外表面与内环面131径向配合，内凸台331内表面与外环面411径向配合。轴向挡板2通过第二螺栓7安装在刚性轴承座1的挡板安装边12位置，可对轴承外环41和弹性环3进行轴向限位。
30.参照图2-a、图2-b，弹性外环31上的外凸台311和弹性内环33上的内凸台331均为规则矩形，并沿所述弹性环3周向均匀分布，外凸台311和内凸台331的数目和宽度参数由弹性环3所需要的强度和刚度性能要求计算得到。金属橡胶层32的几何参数由阻尼器所需要的刚度和阻尼性能要求计算得到，所使用的材料均是金属橡胶材料，由金属丝绕制成螺旋卷，经过拉伸、编织、模压和后期处理工艺制成的显微结构功能性金属材料。
31.参照图3-a、图3-b，金属橡胶层32可使用周向均布的多个弧形金属橡胶片35代替，相邻金属橡胶片35之间装入波纹钢片34进行周向限位。
32.本发明的工作原理为：
33.在转子5旋转过程中产生支点载荷通过支点轴承4传入弹性环3和刚性轴承座1，并
通过固定安装边11继续向外传出。当振动载荷较小时，弹性环3变形量较小，弹性外环31和弹性内环33是承受和传递载荷的主要零件；而当转子5转速接近或通过临界转速时，振动载荷提高将导致弹性环3的变形量增大，金属橡胶层32受压变形将产生较大的阻尼效应并消耗振动能量，从而降低固定安装边11的外传振动，产生良好的隔振性能；此外，金属橡胶层32刚度小、阻尼大，弹性外环31和弹性内环33刚度大、阻尼小，两者组合使用还可调整转子系统的支承刚度，进而调整转子系统的临界转速等动力学特性。
34.所述金属橡胶层32由金属丝经过拉伸、编织、模压和后期处理工艺制成，既具有类似所选金属材料的高强度特性，也可通过金属丝的内部摩擦产生较高的阻尼效果，具有阻尼耗能减振功能。并且通过改变金属丝的长宽尺寸和加工工艺条件，可调节金属橡胶的弹性模量和材料损耗因子，获得弹性支承设计所需的刚度性能和阻尼性能。
35.所述带有金属橡胶层的弹性环3采用金属橡胶层32与外弹性环31、内弹性环33并用的结构形式，扩大了阻尼器的使用范围，并且对金属橡胶层32具有保护作用，降低阻尼材料的工作损伤，延长了阻尼器的使用寿命。
36.所述带有金属橡胶层的弹性环3减振性能优于常用的挤压油膜阻尼器，无需复杂的油路结构，降低了设计、加工与装配成本，并且在转子高速运转发生轴颈倾斜时金属橡胶层32同样可以产生稳定的阻尼效果，不会发生类似于挤压油膜存在的油膜振荡等异常振动问题，可适用于高速转子系统的阻尼减振设计。
37.所述该有金属橡胶层的弹性环3在振动载荷作用下以金属橡胶层32径向挤压变形为主，外弹性环31和内弹性环32相对变形量较小，因此承载能量更强，并且允许弹性环设计厚度更薄，减小零件的占用空间，更适用于小尺寸高转速航空发动机转子系统弹性支承设计。
38.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制。尽管参照优选实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围以内。
技术特征：1.一种带有金属橡胶层的弹性环式阻尼器，其特征在于：包括刚性轴承座(1)、轴向挡板(2)以及带有金属橡胶层的弹性环(3)；所述带有金属橡胶层的弹性环式阻尼器安装在转子(5)上的支点轴承(4)位置，用于转子系统振动控制；所述刚性轴承座(1)包括固定安装边(11)、挡板安装边(12)以及轴承安装孔(13)；所述弹性环(3)包括带有外凸台(311)的弹性外环(31)、带有内凸台(331)的弹性内环(33)以及位于弹性内、外环之间的金属橡胶层(32)；所述刚性轴承座(1)通过螺栓(6)与外部承力构件连接实现自身固定安装；所述支点轴承(4)的轴承外环(41)安装在刚性轴承座(1)的轴承安装孔(13)内；所述轴承安装孔(13)的内环面(131)直径大于轴承外环(41)的外环面(411)直径，所述带有金属橡胶的弹性环(3)安装在轴承座内环面(131)与轴承外环面(411)之间；外凸台(311)外表面与内环面(131)径向配合，内凸台(331)内表面与外环面(411)径向配合；所述轴向挡板(2)通过螺栓(7)安装在刚性轴承座(1)的挡板安装边(12)位置，对轴承外环(41)和弹性环(3)进行轴向限位。2.根据权利要求1所述的带有金属橡胶层弹性环式阻尼器，其特征在于：转子(5)旋转过程中产生支点载荷通过支点轴承(4)传入弹性环(3)和刚性轴承座(1)，并通过固定安装边(11)继续向外传出，所述弹性环(3)内部的金属橡胶层(32)受压变形将产生阻尼效应并消耗振动能量，从而降低固定安装边(11)的外传振动，产生良好的隔振性能；金属橡胶层(32)刚度小、阻尼大，弹性外环(31)和弹性内环(33)刚度大、阻尼小，两者组合调整转子系统的支承刚度，进而调整转子系统的动力学特性。3.根据权利要求1或2所述的带有金属橡胶层的弹性环式阻尼器，其特征在于：所述弹性外环(31)上的外凸台(311)和弹性内环(33)上的内凸台(331)均为规则矩形，并沿所述弹性环(3)周向均匀分布，外凸台(311)和内凸台(331)的数目和宽度参数由所属弹性环(3)所需要的强度和刚度性能要求计算得到。4.根据权利要求1或2所述的带有金属橡胶层的弹性环式阻尼器，其特征在于：所述金属橡胶层(32)的几何参数由阻尼器所需要的刚度和阻尼性能要求计算得到，所使用的材料均是金属橡胶材料，由金属丝绕制成螺旋卷，经过拉伸、编织、模压和后期处理工艺制成的显微结构功能性金属材料。5.根据权利要求1或2所述的带有金属橡胶层的弹性环式阻尼器，其特征在于：所述金属橡胶层(32)由周向均布的多个弧形金属橡胶片(35)代替，相邻金属橡胶片(35)之间装入波纹钢片(34)进行周向限位。
技术总结本发明提供一种带有金属橡胶层的弹性环式阻尼器，包括刚性轴承座、轴向挡板和弹性环。刚性轴承座包括固定安装边、挡板安装边以及轴承安装孔；挡板通过螺栓安装在轴承座挡板安装边上；弹性环包括带有内凸台的弹性内环、带有外凸台的弹性外环、以及位于内外环之间的金属橡胶层，金属橡胶层既可由单层金属橡胶环构成，也可由多个周向均匀分布的弧形金属橡胶片组成。本发明通过采用弹性环内、外分层的结构设计方法解决了单层弹性环相对变形过大、易发生破坏的问题，并且使用金属橡胶阻尼材料替代了传统油膜阻尼结构，避免了油膜带来的复杂油路设计问题以及定心式挤压油膜阻尼器存在的油膜振荡失稳问题。油膜振荡失稳问题。油膜振荡失稳问题。
技术研发人员：洪杰 马艳红 邓旺群 杨海 章健 王永锋
受保护的技术使用者：中国航发湖南动力机械研究所
技术研发日：2022.04.07
技术公布日：2022/7/5
