擠壓油膜阻尼器油膜阻尼系數(shù)識別及分析

周海侖　馮國全　張　明　艾延廷

1.沈陽航空航天大學遼寧省航空推進系統(tǒng)先進測試技術重點實驗室，沈陽，1101362.中國航空工業(yè)集團公司沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽，110015

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擠壓油膜阻尼器油膜阻尼系數(shù)識別及分析

周海侖1馮國全2張明1艾延廷1

1.沈陽航空航天大學遼寧省航空推進系統(tǒng)先進測試技術重點實驗室，沈陽，1101362.中國航空工業(yè)集團公司沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽，110015

為了進行擠壓油膜阻尼器油膜阻尼系數(shù)識別的實驗研究，首先,利用信號發(fā)生器和功率放大器對雙向激勵實驗器進行激振；然后，借助阻抗頭獲得激勵和響應數(shù)據(jù)；最后，基于機械阻抗原理，通過最小二乘法擬合，得到擠壓油膜阻尼器的油膜阻尼系數(shù)。通過改變油膜寬度和油膜間隙，研究不同擠壓油膜阻尼器參數(shù)對油膜阻尼的影響。研究結果表明，隨著油膜寬度的線性增大，油膜阻尼呈現(xiàn)非線性增大的趨勢?？梢酝ㄟ^增大油膜寬度和油膜阻尼，來提高阻尼器的減振性能。隨著油膜間隙的線性增大，油膜阻尼呈現(xiàn)非線性減小的趨勢，減振性能下降。

擠壓油膜阻尼器；油膜阻尼；機械阻抗法；雙向激勵

0　引言

在航空發(fā)動機中，擠壓油膜阻尼器(squeeze film damper，SFD)置于滾動軸承與軸承座之間，它已被證明能有效地抑制和隔離轉(zhuǎn)子振動[1]。然而有關SFD的一些機理至今仍不十分清楚，有待于進一步研究。目前實際設計SFD的方法是采用經(jīng)驗、理論和試驗結合的試湊法。合理選擇阻尼器的各項設計參數(shù)，是使阻尼器在工作過程中發(fā)揮良好減振作用的關鍵環(huán)節(jié)，而阻尼器的動力特性實驗研究對阻尼器的設計有著很重要的指導作用[2]。

黃太平等[3]利用雙向激勵實驗器結合導納圓法進行了SFD等效阻尼的測試。李舜酩等[2]利用雙向激勵實驗器對位移導納的幅頻特性進行了分析，但并未討論相應的剛度和阻尼系數(shù)。文獻[4-6]采用脈沖激勵法結合對數(shù)衰減率，進行了SFD油膜阻尼的測試。馬艷紅等[7]從理論上分析了一種帶有金屬橡膠外環(huán)的自適應擠壓油膜阻尼器的油膜阻尼，認為在過臨界時該阻尼器能比傳統(tǒng)擠壓油膜阻尼器產(chǎn)生更大的阻尼，但是關于該阻尼器阻尼測試的研究鮮有報道。周海侖等[8]借助于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)以及單自由度系統(tǒng)的幅頻響應特性，進行了浮環(huán)式擠壓油膜阻尼器的減振機理研究，然而對于直接影響該阻尼器減振效果的油膜阻尼并沒有進行相關的實驗測試。在國外，Siew等[9]利用雙向激勵實驗器進行了中間供油型SFD動力特性的研究。文獻[10-14]利用水平放置的雙向激勵實驗器，借助于機械阻抗法進行了SFD油膜阻尼系數(shù)等動力學特性系數(shù)的測試，研究了SFD結構參數(shù)對減振性能的影響，為了模擬重力產(chǎn)生的靜偏心，通過施加靜載荷的方式來實現(xiàn)，然而芯棒的振動必然會對靜載荷的施加產(chǎn)生影響。與國外基于機械阻抗的測試方法相比，國內(nèi)基于導納圓或脈沖激勵進行油膜動力學特性系數(shù)的測試方法，沒有考慮到軸頸進動速度以及動偏心對SFD動力學特性的影響。因此，本文基于機械阻抗法，利用垂直放置的雙向激勵實驗器進行SFD油膜阻尼系數(shù)的實驗測試研究，為SFD和改進型SFD減振機理的研究以及SFD的使用和設計提供參考，其中由于發(fā)動機轉(zhuǎn)子重量使軸頸產(chǎn)生的靜載荷，可以通過改變雙向激勵實驗器芯棒質(zhì)量和彈性支承的剛度來實現(xiàn)，從而更加真實地模擬SFD的工況。一般情況下，SFD的油膜剛度遠小于彈性支承的剛度，因此，本文暫不對SFD的油膜剛度特性進行討論。

1　油膜阻尼的測試及計算

1.1基于機械阻抗法的油膜阻尼測試[15-17]

彈性支承與SFD組成的轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)，在相互垂直的方向上受到外部激勵時，支承系統(tǒng)的運動方程為

(1)

式中，fi為外部激勵力量，i=X,Y；Mh為測試零件的質(zhì)量；Khi、Chi分別為彈性支承剛度和阻尼系數(shù)，i=X,Y；Kij、Cij分別為油膜剛度和阻尼系數(shù)，i，j=X,Y。

由于油膜的質(zhì)量很小，故不考慮油膜的慣性力系數(shù)。測試系統(tǒng)的剛度系數(shù)Khi和阻尼系數(shù)Chi是在無供油條件下測得的。

實驗過程中使用信號發(fā)生器產(chǎn)生兩個獨立且相位差為90°的正弦信號，并在系統(tǒng)相互垂直的兩個方向上產(chǎn)生激勵。由于獲得的信號為時域信號，處理起來范圍有限，而且結果不準確，故需要將獲得的時域信號通過傅里葉變換轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號，從而使數(shù)據(jù)處理更加方便。經(jīng)過離散傅里葉變換后系統(tǒng)的運動方程可以寫成：

(2)

或者用矩陣的形式表示：

A=KXX+KhX-Mhω2+iω(CXX+ChX)

B=KYY+KhY-Mhω2+iω(CYY+ChY)

定義Hij( i，j=X,Y)為復阻抗，即

當i=j=X，Y時δij=1，否則δij=0。

復阻抗H是由實部和虛部組成的，其實部和虛部都是關于激振頻率ω的函數(shù)。其中H的實部表示動剛度，H的虛部與系統(tǒng)的阻尼系數(shù)成正比，H的虛部和實部與激振頻率的關系如圖1所示。根據(jù)測出的復阻抗集合和各自的頻率，通過曲線擬合復阻抗的實部和虛部，即可得到相應的剛度和阻尼。

圖1　理想復阻抗實部和虛部曲線

1.2實驗設備

本實驗采用雙向激勵實驗器[18-20]，如圖2～圖4所示，該實驗設備主要由激振器、支座、油膜襯套、芯棒、彈性支承、SFD、傳力叉、阻抗頭、信號發(fā)生器、功率放大器以及供油、回油及冷卻裝置等構成。

圖2　雙向激勵實驗器實物圖

圖3　供油、回油和冷卻裝置

圖4　雙向激勵實驗器結構示意圖

1.3油膜阻尼的計算

圖5　無端封中心周向槽供油

本文研究的SFD采用無端封中心周向槽供油，如圖5所示。油膜寬度L最小為6 mm，最大為10 mm，油膜內(nèi)直徑D為43 mm，由此可得0.1395

(4)

式中，μ為滑油的動力黏度；R為油膜半徑；δ為油膜間隙；ε為軸頸的偏心率，表示軸頸的偏心距與油膜間隙之比。

2　油膜阻尼測試及誤差分析

為了進行SFD油膜阻尼測試研究以及SFD參數(shù)對油膜阻尼影響的研究，加工了不同油膜寬度(L分別為6 mm，7 mm，8 mm，9 mm，10 mm)和不同油膜間隙(δ分別為0.1 mm，0.15 mm，0.2 mm，0.25 mm，0.3 mm)的油膜襯套，如圖6所示。其中，水平放置的是不同油膜間隙的襯套，豎直放置的是不同油膜寬度的襯套。在進行SFD油膜阻尼的測試時，施加的激振力保證芯棒做半徑為0.01 mm的圓進動。

圖6　實驗選用油套實物圖

首先，雙向激勵實驗器安裝油膜間隙δ為0.2 mm，寬度L分別為6 mm，7 mm，8 mm，9 mm，10 mm的油膜襯套。信號發(fā)生器可以產(chǎn)生相同頻率且相位差為90°的兩路正弦信號，經(jīng)過功率放大器驅(qū)動激振器；激振器通過柔性桿、阻抗頭及傳力叉連接到芯棒上。通過控制信號發(fā)生器的輸出信號的頻率和功率放大器的功率，分別控制試驗過程中的激振頻率和激振力的大??；柔性桿為激振器與試件之間的一細長金屬桿，由于柔性桿具有較高的縱向剛度和相當?shù)偷臋M向剛度，它可以有效地將激振力沿桿的方向傳遞給試件，而且能大大消除橫向作用力的影響，提高精度。

基于機械阻抗原理，利用最小二乘法分別擬合出X和Y方向激振頻率與復阻抗的實部及虛部的關系曲線，從而得到油膜的動力特性系數(shù)。圖7～圖11所示為X方向的擬合曲線，Y方向具有相似的擬合曲線所以不再列出。

(a)實部與頻率的關系

(b)虛部與頻率的關系圖7　L=6 mm時測量結果

(a)實部與頻率的關系

(b)虛部與頻率的關系圖8　L=7 mm時測量結果

(a)實部與頻率的關系

(b)虛部與頻率的關系圖9　L=8 mm時測量結果

(a)實部與頻率的關系

(b)虛部與頻率的關系圖10　L=9 mm時測量結果

(a)實部與頻率的關系

(b)虛部與頻率的關系圖11　L=10 mm時測量結果

通過對不同油膜寬度的SFD進行測試，利用最小二乘法可以擬合得到不同油膜寬度對應的油膜阻尼，油膜寬度和油膜阻尼的關系如圖12所示。圖中CX表示X方向的阻尼，CY表示Y方向的阻尼，C表示利用式(4)計算得到的等效阻尼。從圖12中可以看出，油膜阻尼的測試結果和理論計算結果隨油膜寬度變化的趨勢是一致的。隨著油膜寬度的線性增大，油膜阻尼呈非線性增大，減振性能得到提高。由此可知，在空間允許的情況下，通過增大油膜寬度提高SFD的減振性能，是一條重要途徑。但是，理論值和實驗值之間存在一定的差異，這可能主要是由于實際的油膜并不完全滿足短軸承和半油膜邊界條件，實驗與理論值之間的差異也說明了進行實驗測試SFD油膜阻尼的重要性。

圖12　油膜寬度與阻尼關系曲線

相似地，雙向激勵實驗器在安裝不同油膜間隙的SFD時，可以測試得到相應的油膜阻尼。安裝寬度L=9 mm，油膜間隙δ分別為0.1 mm，0.15 mm，0.2 mm，0.25 mm，0.3 mm的油套，測試結果如圖13所示?？梢钥闯?，在較大的油膜間隙情況下，計算值與實驗值的變化趨勢是一致的。隨著油膜間隙的線性增大，油膜阻尼呈現(xiàn)非線性減小的趨勢。

圖13　油膜間隙與阻尼關系曲線

3　結語

隨著油膜寬度的線性增大，油膜阻尼呈現(xiàn)非線性增大的趨勢。由此可知，在空間允許的情況下，可以通過增大油膜寬度和油膜阻尼來提高SFD的減振性能。隨著油膜間隙的線性增大，油膜阻尼呈現(xiàn)非線性減小的趨勢，減振性能下降。但是在油膜間隙較小的情況下，方向相互垂直的油膜阻尼呈現(xiàn)明顯的非對稱性，其對加工的要求較高。

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(編輯陳勇)

Damping Coefficient Identification and Analysis for Squeeze Film Dampers

Zhou Hailun1Feng Guoquan2Zhang Ming1Ai Yanting1

1. Liaoning KeyLaboratory of Advanced Test Technology for Aerospace Propulsion System, Shenyang Aerospace University, Shenyang, 110136 2. Shenyang Engine Design and Research Institute, Aviation Industry Corporation of China, Shenyang，110015

In order to identify damping coefficients of SFD, the experimental tests were researched. Firstly, the bidirection excitation rig was excited by signal generator and power amplifier. Then the excitation and response data were obtained by impedance head. Lastly, damping coefficients of SFD were obtained by the least squares fit based on the principles of mechanical impedance. The influence of SFD parameters on damping coefficients was researched by changing oil width and clearance. The experimental tests show that the oil damping presents a trend of nonlinear increase with the increase of oil width. Oil damping can be increased by increasing the oil width, then the damping performance of the damper is improved. With the increase of the oil film gap, oil damping presents a trend of nonlinear decrease, and damping performance is declined.

squeeze film damper(SFD); oil damping; mechanical impedance; bidirection excitation

2016-01-20

國家自然科學基金資助項目(51505300)；航空科學基金資助項目(2014ZB54008)；遼寧省自然科學基金資助項目(2015020126)

V231.96

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.15.005

周海侖，男，1983年生。沈陽航空航天大學航空航天工程學部副教授、博士。主要研究方向為擠壓油膜阻尼器、轉(zhuǎn)子動力學和航空發(fā)動機整機振動。馮國全，男，1967年生。中國航空工業(yè)集團公司沈陽發(fā)動機設計研究所研究員。張明，男，1991年生。沈陽航空航天大學航空航天工程學部碩士研究生。艾延廷，男，1963年生。沈陽航空航天大學航空航天工程學部教授。