低频宽带多级超材料径向减振轴承系统

1.本发明属于旋转机械系统振动控制领域，尤其涉及一种低频宽带多级超材料径向减振轴承系统。


背景技术：

2.旋转机械设备由于不平衡质量，装配工艺等因素常会出现不对中，引发转子系统的摩擦振动，特别是对于水下航行器的推进系统，轴系的摩擦振动不仅降低推进效率，而且极大影响其隐身作战能力。传统的减振器的减振频率一般作用在其固有频率附近，可调节性差，低频宽带减振能力弱。并且，船舶推进系统的安装空间有限，传统减振器的体积需要根据机舱空间进行精确设计，增大设备制作成本。
3.声学超材料是通过人为设计由两种或以上材料构成周期性/非周期性几何结构，可以实现声聚焦、声隐身、声成像、声波导、声学黑洞等超常特性。其中的声子晶体其结构单元尺寸远小于控制的波长，具有减振频带宽、减振能力好等优势，在船舶低频减振领域有着很好地前景。研究声学超材料对船舶低频振动的抑制等关键科学技术问题，不仅可以延长船舶轴系使用寿命，增加可靠度，还对促进船舶声隐身领域的发展具有重要的意义，同时为研制低频减振超材料奠定关键理论以及技术基础。
4.因此，本发明利用两种声学超材料的特殊性质，提出低频宽带多级超材料径向减振轴承系统，能够抑制转子系统自激振动与外界激励之间的振动双向传递，并且声学超材料的带隙叠加特性可使径向轴承系统具备低频宽带减振能力。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种能够抑制转子系统自激振动与外界激励之间的振动双向传递的低频宽带多级超材料径向减振轴承系统。
6.本技术是这样实现的：
7.本技术提供一种低频宽带多级超材料径向减振轴承系统，包括轴承座和与轴承座相连的轴承底座，其特征在于：所述轴承座包括由内至外依次设置的衬套、局域共振型超材料减震层和外壳，所述轴承底座包括阵型超材料减振层。
8.在一些可选的实施方案中，所述轴承座为分体式结构，分为上、下两个部分。
9.在一些可选的实施方案中，所述局域共振型超材料减振层由多个单体晶胞阵列构成，所述单体晶胞包括六面体结构的基体，在基体内设有散射体，所述散射体外周设有包覆层。
10.在一些可选的实施方案中，所述散射体安设在基体的中间，为刚性材料制成，各个单晶胞呈均匀的阵列分布。
11.在一些可选的实施方案中，各个单晶胞中散射体的外径不一致，按照散射体大小，横向方向，其由小到大排布形成超材料减振层。
12.在一些可选的实施方案中，所述点阵型超材料减振层包括多个呈阵列分布的单胞
结构单元，其中，胞元为体心立方结构，胞元大小相同，呈多层阵列分布，形成点阵型超材料减振层。
13.在一些可选的实施方案中，所述点阵型超材料减振层包括多个呈阵列分布的单胞结构单元，其中，胞元为三周期极小曲面结构，胞元大小相同，呈多层阵列分布，形成点阵型超材料减振层。
14.在一些可选的实施方案中，所述衬套内设有轴承内衬和轴承外衬。
15.在一些可选的实施方案中，在外壳上对应轴承内衬和轴承外衬的两端分别设有轴承端盖，所述轴承端盖通过紧固件固定在轴承座上。
16.在一些可选的实施方案中，所述局域共振型超材料减振层围合在衬套的四周，形成包围型结构。
17.本发明轴承座中引入局域共振型声学超材料和点阵型声学超材料，结合超材料特殊性质，在径向轴承系统中设置两个超材料减振层，使其能够抑制转子系统自激振动和外界激励的双向振动传递，并具有优异的低频宽带减振能力。
18.本技术的有益效果是：
19.1)本发明的径向轴承系统主要利用局域共振型超材料的局域共振特性和点阵型超材料的轻质、抗冲击性能强和减振降噪能力好的优势，分别在轴承壳内部布置局域共振型超材料减振层，用以降低转子系统产生的低频振动；在轴承底部布置布置点阵型超材料减振层，用以支撑径向轴承系统，并抑制轴承座与外界环境的双向振动传递。通过多级超材料减振层形成的带隙叠加效应，使径向轴承系统具备小尺寸控制大波长的能力。多种超材料单元的阵列排布可拓宽减振范围，以实现对旋转机械的低频，宽带振动的抑制。
20.2)本发明通过对超材料人工周期性结构进行布置并嵌入径向轴承系统，以实现转子系统的支撑部件与减振设备一体化的设计，该装置具有结构紧凑、安装方便等特点，可以满足不同安装环境的需求。
21.3)本发明结构中的两级超材料减振层可针对目标的振动控制需求进行精细化设计，可通过改变局域共振型超材料减振层和点阵型超材料减振层的晶胞结构参数、阵列排布方式来调节减振频段的范围，使该径向轴承系统的应用面广，适应性强。
附图说明
22.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
23.图1(a)是本发明实施例提供的径向轴承系统结构示意图。
24.图1(b)是本发明实施例提供的径向轴承系统俯视图。
25.图2(a)为本发明实施例提供的局域共振型超材料晶胞结构图。
26.图2(b)为本发明实施例提供的局域共振型超材料晶胞剖面图。
27.图3(a)至(c)为本发明实施例提供的若干局域共振型超材料阵列方式示意图。
28.图4(a)至(b)为本发明实施例提供的若干点阵型超材料减振层结构示意图。
29.图5为本发明实施例提供的局域共振型超材料单胞结构的本征模态图。
30.图6为本发明实施例提供的若干超材料结构减振能力示意图。
31.图7(a)至(b)为本发明实施例提供的不同结构参数下局域共振型超材料禁带特性图。
32.图8(a)至(b)为本发明实施例提供的两种局域共振型超材料阵列方式示意图。
33.图9至为本发明实施例提供的两种局域共振型超材料阵列的传输损失对比图。
34.其中：1外壳；2局域共振型超材料减振层；3衬套；4轴承外衬；5轴承内衬；6点阵型超材料减振层；7轴承端盖；8螺栓孔；9螺栓孔；10螺栓孔；11基体；12包覆层；13散射体。
具体实施方式
35.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
36.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
37.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
38.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
39.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
40.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
41.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
42.以下结合实施例对本技术的特征和性能作进一步的详细描述。
43.实施例1：
44.参照图1(a)和图1(b)所示，本技术提供的低频宽带多级超材料径向减振轴承系统，包括轴承座和与轴承座相连的轴承底座，所述轴承座包括由内至外依次设置的衬套3、局域共振型超材料减振层4和外壳1，其中，衬套3位环形筒状，套装在轴承外衬4和轴承内衬5外，所述局域共振型超材料减振层4围合在衬套3的四周，形成包围型结构。所述轴承底座包括阵型超材料减振层6。点阵型超材料减振层6与外壳1对应位置上开有四个螺栓孔9用以将径向轴承系统固定在安装平面上。外壳1，局域共振型超材料减振层2以及衬套3为上、下分体式结构，通过在外壳1左右两端的四个螺栓孔10来连接上下两个部分。轴承端盖7布置在轴承两端，通过八个螺栓孔8固定在轴承座上。
45.参照图2(a)和图2(b)所示，本发明所述局域共振型材料单体晶胞包括多面体体结构的基体11，多面体结构可以为四面体(三角形体)，六面体(方形或正方形)或八面体(三角形体阵列式叠加成一个大的棱形)等等，本实施例以基体为六面体为例进行说明。在基体内的中间位置设有刚性材料制成的散射体13，所述散射体外周设有包覆层12。该单体晶胞通过3d打印技术进行制造，首先在刚性散射体表面均匀涂覆上一层高弹性、高阻尼的包覆层，将其放入模具填充进基体。
46.参照图3(a)，本发明所述的局域共振型超材料减振层由多个呈均匀的阵列分布的单体晶胞阵列构成，各个单晶胞中散射体的外径一致。
47.参照图4(a)所示，所述点阵型超材料减振层包括多个呈阵列分布的单胞结构单元，其中，胞元为普通体心立方结构(bcc)，胞元大小相同，呈多层阵列分布，形成点阵型超材料减振层。
48.参照图5所示，所述的局域共振型超材料单胞在带隙内频率的弹性波的激励下，包覆层与散射体产生共振，产生变形与位移，并与基体中的弹性波长波行波相互作用，抑制了弹性波在超材料中的传递，体现局域共振特性。
49.参照图6所示，将局域共振结构与点阵结构超材料进行阵列并验证其振动传递方式，各频率的弹性波在传递的过程中，局域共振结构与点阵结构超材料分别产生不同的带隙。两个结构组合阵列下，位于两个带隙频率范围的振动均被衰减，体现带隙可叠加效应。
50.本发明的径向轴承系统主要利用超材料局域共振特性和带隙叠加效应，使其具备小尺寸控制大波长能力。多种超材料单元的阵列排布可拓宽减振范围，以实现对旋转机械的低频，宽带振动的抑制。
51.本发明通过对超材料人工周期性结构进行布置并嵌入径向轴承系统，以实现转子系统的支撑部件与减振设备一体化的设计，该装置具有结构紧凑、安装方便等特点，可以本发明结构中的两级超材料减振层可针对目标的振动控制需求进行精细化设计，可通过改变局域共振型超材料减振层和点阵型超材料减振层的晶胞结构参数、阵列排布方式来调节减振频段的范围，使该径向轴承系统的应用面广，适应性强。以局域共振型超材料为例，其基体采用赛龙材料，包覆层采用硅橡胶，散射体采用结构钢，各组分的材料参数如表1所示。在通过晶胞结构参数调节减振频段方面，在基体尺寸不变的条件下，分别改变材料的包覆层厚度s和散射体半径r2，请参阅图7，可知材料的禁带的起始频率、截止频率和带宽y均发生改变，其中散射体对材料禁带的影响更大，该工况下材料的带宽与包覆层厚度之间的关系
如式(1)所示，其(带宽)与散射体半径之前的关系如式(2)所示；在通过阵列排布方式调节减振频段方面，根据散射体半径设计三个不同的晶胞结构，组成两种阵列方式，请参阅图8所示，针对两种阵列结构传输损失进行对比，请参阅图9，可知不同的阵列方式对材料的传输损失影响显著，相对而言，abc型结构减振效果更强，减振频带更宽。总体来看，通过设计晶胞的结构参数和阵列方式可有效的改变超材料的减振频带范围与减振能力，结合多参数优化算法，例如响应面优化法，选取超材料晶胞结构特征尺寸作为优化参数，以振动控制需求作为优化目标，开展晶胞结构精细化设计。
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(1)
[0053][0054]
表1材料参数
[0055][0056][0057]
实施例2：
[0058]
参照图3(b)和图4(b)所示，本实施例与实施例一结构基本相同，不同之处在于：一、局域共振型超材料减振层2的单胞结构，具体为：各个单晶胞中散射体的外径不一致，其外径上涂覆一层高阻尼覆层材料，将其填充至基体中间形成六面体晶胞，并高按照散射体大小，横向方向，其由小到大排布形成超材料减振层2。二、所述点阵型超材料减振层的胞元为三周期极小曲面结构(iwp)，胞元大小相同，呈多层阵列分布，形成点阵型超材料减振层。
[0059]
实施例3：
[0060]
参照图3(c)所示，本实施例与实施例一结构基本相同，不同之处在于：局域共振型超材料减振层2的单胞结构，具体为：各个单晶胞中散射体的外径不一致，其外径上涂覆一层高阻尼覆层材料，将其填充至基体中间形成六面体晶胞，并按照散射体大小，横向方向，其由大到小排布形成超材料减振层2。
[0061]
以上所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。例如本技术中的三种类型的局域共振型超材料减振层的单胞结构可以和两种类型的点阵型超材料减振层的胞元结构随意组合，形成不同的减振轴承系统，具体的设计依实际工况而定。即本发明结构中的两级超材料减振层可针对目标的振动控制需求进行精细化设计，可通过改变局域共振型超材料减振层和点阵型超材料减振层的晶胞结构参数、阵列排布方式来调节减振频段的范围，使该径向轴承系统的应用面广，适应性强。本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。

技术特征：
1.低频宽带多级超材料径向减振轴承系统，包括轴承座和与轴承座相连的轴承底座，其特征在于：所述轴承座包括由内至外依次设置的衬套、局域共振型超材料减震层和外壳，所述轴承底座包括阵型超材料减振层。2.根据权利要求1所述的低频宽带多级超材料径向减振轴承系统，其特征在于，所述轴承座为分体式结构，分为上、下两个部分。3.根据权利要求1或2所述的低频宽带多级超材料径向减振轴承系统，其特征在于，所述局域共振型超材料减振层由多个单体晶胞阵列构成，所述单体晶胞包括多面体结构的基体，在基体内设有散射体，所述散射体外周设有包覆层。4.根据权利要求3所述的低频宽带多级超材料径向减振轴承系统，其特征在于，所述散射体安设在基体的中间，为刚性材料制成，各个单晶胞呈均匀的阵列分布。5.根据权利要求3所述的低频宽带多级超材料径向减振轴承系统，其特征在于，各个单晶胞中散射体的外径不一致，按照散射体大小，横向方向，其由小到大排布形成超材料减振层。6.根据权利要求1或2所述的低频宽带多级超材料径向减振轴承系统，其特征在于，所述点阵型超材料减振层包括多个呈阵列分布的单胞结构单元，其中，胞元为体心立方结构，胞元大小相同，呈多层阵列分布，形成点阵型超材料减振层。7.根据权利要求1或2所述的低频宽带多级超材料径向减振轴承系统，其特征在于，所述点阵型超材料减振层包括多个呈阵列分布的单胞结构单元，其中，胞元为三周期极小曲面结构，胞元大小相同，呈多层阵列分布，形成点阵型超材料减振层。8.根据权利要求6所述的低频宽带多级超材料径向减振轴承系统，其特征在于，所述衬套内设有轴承内衬和轴承外衬。9.根据权利要求8所述的低频宽带多级超材料径向减振轴承系统，其特征在于，在外壳上对应轴承内衬和轴承外衬的两端分别设有轴承端盖，所述轴承端盖通过紧固件固定在轴承座上。10.根据权利要求1或2所述的低频宽带多级超材料径向减振轴承系统，其特征在于，所述局域共振型超材料减振层围合在衬套的四周，形成包围型结构。

技术总结
本申请提供了一种低频宽带多级超材料径向减振轴承系统，包括轴承座和与轴承座相连的轴承底座，其特征在于：所述轴承座包括由内至外依次设置的衬套、局域共振型超材料减震层和外壳，所述轴承底座包括阵型超材料减振层。本发明轴承座中引入局域共振型声学超材料和点阵型声学超材料，结合超材料特殊性质，在径向轴承系统中设置两个超材料减振层，使其能够抑制转子系统自激振动和外界激励的双向振动传递，并具有优异的低频宽带减振能力。并具有优异的低频宽带减振能力。并具有优异的低频宽带减振能力。


技术研发人员：欧阳武 刘祺霖 陈浩东 金勇
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.03.16
技术公布日：2023/7/18