彈支擠壓油膜阻尼器動(dòng)力特性試驗(yàn)方法研究

李果

摘 要：本文介紹了彈支擠壓油膜阻尼器試驗(yàn)器的基本構(gòu)成及工作方式，重點(diǎn)分析了彈支擠壓油膜阻尼器動(dòng)力特性試驗(yàn)方法，為后續(xù)動(dòng)力特性試驗(yàn)的開展提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：彈支擠壓油膜阻尼器;動(dòng)力特性;試驗(yàn)器;試驗(yàn)方法

Abstract：Introducing the text equipment of basic composition、working principle and Analysing the test method for squeeze film damper with elastic supporter， Providing guidance for carrying out follow-up experiments 0f dynamic characteristic test。

Key words：squeeze film damper （SFD） with Elastic Supporter; dynamic characteristic; text equipment; test method

1 引言

擠壓油膜阻尼器（SFD）由軸向位置與長度一致的兩個(gè)剛性同心圓環(huán)組成的裝置（見圖1.1），其中內(nèi)環(huán)的外壁和外環(huán)的內(nèi)壁之間存在微小的半徑間隙，形成油膜腔，當(dāng)往油膜腔內(nèi)注入粘性滑油后，在兩個(gè)圓環(huán)發(fā)生相對(duì)圓周振動(dòng)的情況下，間隙中的滑油將因受到擠壓作用而表現(xiàn)出特殊的力學(xué)特性，而該特性對(duì)于內(nèi)外環(huán)之間的相對(duì)圓周振動(dòng)通常具有明顯的阻尼作用。

圖1.1 擠壓油膜阻尼器結(jié)構(gòu)圖

作為一種簡單高效的轉(zhuǎn)子振動(dòng)阻尼裝置，帶有彈性支承器的擠壓油膜阻尼器（以下簡稱“彈支擠壓油膜阻尼器”）在近代中小型高轉(zhuǎn)速航空燃?xì)廨啓C(jī)上得到了日益普遍的應(yīng)用。國內(nèi)外多種發(fā)動(dòng)機(jī)成功使用彈支擠壓油膜阻尼器的事實(shí)證明，在結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇適當(dāng)?shù)那闆r下，彈支擠壓油膜阻尼器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子及整機(jī)振動(dòng)具有明顯的抑制作用，一般可以使發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)量減少60%以上，并可以有效地減少發(fā)動(dòng)機(jī)軸承以及整個(gè)承力系統(tǒng)的振動(dòng)載荷，從而有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性、可靠性與工作壽命[1]。

然而，彈支擠壓油膜阻尼器的動(dòng)力學(xué)特性是由固體和粘性液體之間在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下相互作用的結(jié)果，不僅具有較為明顯的非線性特征，其工作原理亦十分復(fù)雜[1]。僅采用數(shù)值計(jì)算或理論分析的方法對(duì)其工作性能進(jìn)行預(yù)估，在目前很難獲得令人滿意的結(jié)果。

事實(shí)上，結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)膹椫D壓油膜阻尼器不僅不能有效地抑制轉(zhuǎn)子及發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的振動(dòng)，反而可能導(dǎo)致更為嚴(yán)重的振動(dòng)問題，甚至引起轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，產(chǎn)生自激振動(dòng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性造成嚴(yán)重威脅。目前國內(nèi)雖有彈支擠壓油膜阻尼器的總體設(shè)計(jì)方法，但對(duì)擠壓油膜阻尼器的幾個(gè)主要參數(shù)的選取還主要采用試湊法為主，并沒有一個(gè)明確的擠壓油膜阻尼器參數(shù)選取規(guī)范。

因此，對(duì)彈支擠壓油膜阻尼器開展動(dòng)力特性試驗(yàn)方法的研究，有利于動(dòng)力特性試驗(yàn)的成功及合理選擇彈支擠壓油膜阻尼器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，有效發(fā)揮其阻尼減振功能，確保發(fā)動(dòng)機(jī)的整體安全性。

2 彈支擠壓油膜阻尼器試驗(yàn)器介紹

彈支擠壓油膜阻尼器試驗(yàn)器是根據(jù)彈支及彈支擠壓油膜阻尼器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作方式設(shè)計(jì)與研制的用于彈支擠壓油膜阻尼器動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)的專用設(shè)備。試驗(yàn)器具有結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、功能獨(dú)特、使用維護(hù)方便等一系列特點(diǎn)。其研制成功以及不斷完善，不僅將對(duì)彈支擠壓油膜阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇提供重要幫助，同時(shí)也將為彈支擠壓油膜阻尼器設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮重要作用。

2.1試驗(yàn)器的基本組成

彈支擠壓油膜阻尼器試驗(yàn)器由機(jī)械主體部分、測試控制系統(tǒng)和供油系統(tǒng)三大部分組成。

機(jī)械主體部分則由B&K-4826永磁激振器、冷卻風(fēng)機(jī)、激振桿、力傳感器、傳力板、傳力叉、剛性支架、被試系統(tǒng)（由一根具有一定慣性質(zhì)量和很高剛度的慣性芯棒、一個(gè)被試彈性支承器和一個(gè)被試擠壓油膜阻尼器共同組成）等主要部分組成。其主體結(jié)構(gòu)及外觀整體分別如圖2.1所示。

測試控制系統(tǒng)由波形發(fā)生器、功率放大器、電荷放大器、傳感器、示波記錄儀和相關(guān)軟件組成，用于對(duì)試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行控制、監(jiān)測、記錄和分析等。測試控制系統(tǒng)及其連接方式見圖2.2。

供油系統(tǒng)主要由供油泵、管路加熱器、風(fēng)冷電機(jī)和油溫油壓控制器組成。其結(jié)構(gòu)原理圖見圖2.3， 該供油系統(tǒng)所有的元?dú)饧技稍谝粋€(gè)油車上，其輸出滑油壓在0～1MPa之間連續(xù)可調(diào)，輸出油溫在常溫～130℃連續(xù)可調(diào)。整個(gè)供油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操縱方便。

2.2試驗(yàn)器的工作方式

1）采用兩臺(tái)激振方向相互垂直的永磁激振器作為振動(dòng)激勵(lì)源;

2）當(dāng)兩臺(tái)激振器同時(shí)工作，并分別輸出兩個(gè)頻率與幅值一致、相位角相差90°的激振力時(shí)，根據(jù)矢量合成原理，這兩個(gè)激振力矢量將合成為一個(gè)幅值恒定，方向不斷旋轉(zhuǎn)的等效旋轉(zhuǎn)載荷，其特性能夠有效地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)件對(duì)支承件所施加的載荷;

3）在等效旋轉(zhuǎn)載荷的激勵(lì)下，被試系統(tǒng)將產(chǎn)生類似于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng);

4）振動(dòng)激勵(lì)與振動(dòng)響應(yīng)之間狀態(tài)參數(shù)的關(guān)系及其變化規(guī)律，構(gòu)成了了解與掌握被試系統(tǒng)中彈支擠壓油膜阻尼器的減振特性，以及被試系統(tǒng)的其他動(dòng)力特性的有效依據(jù);

5）供油系統(tǒng)可提供一定范圍內(nèi)不同溫度和壓力下連續(xù)穩(wěn)定的滑油。

3 彈支擠壓油膜阻尼器動(dòng)力特性試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)被試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)被試系統(tǒng)由芯棒、擋板、鼠籠彈支、安裝座、阻尼環(huán)、傳力板、傳力叉等幾個(gè)零件構(gòu)成。在試驗(yàn)過程中，被試系統(tǒng)在加載系統(tǒng)的加載下和供油系統(tǒng)的供油下，將模擬擠壓油膜阻尼器在各個(gè)狀態(tài)下的工作情況，從而進(jìn)行擠壓油膜阻尼器動(dòng)力特性試驗(yàn)。

（1）芯棒的設(shè)計(jì)

芯棒的主要作用是模擬擠壓油膜阻尼器實(shí)際工作中的軸承，具體如圖3.1所示，采用空心結(jié)構(gòu)，是為了減輕其質(zhì)量進(jìn)而減小被試系統(tǒng)總質(zhì)量，從而提高被試系統(tǒng)的固有頻率，芯棒兩端鉆的是M5的螺紋孔，方便與傳力板進(jìn)行連接。臺(tái)階側(cè)面鉆的四個(gè)螺紋孔用于安裝擋圈，擋板與芯棒最凸出部分將鼠籠彈支卡住，防止其與芯棒發(fā)生軸向移動(dòng)。

（2）擋圈

擋圈與芯棒連接，防止鼠籠彈支沿芯棒軸向移動(dòng)，具體結(jié)構(gòu)見圖3.2。

（3）鼠籠彈支

鼠籠彈支主要作用有兩個(gè)，一個(gè)是為整個(gè)系統(tǒng)提供彈性支撐，另一個(gè)作用就是與阻尼環(huán)具有一定間隙，形成油膜環(huán)，具體結(jié)構(gòu)見圖3.3。

（4）安裝座

安裝座的主要目的是將鼠籠彈支、芯棒、阻尼環(huán)安裝在試驗(yàn)器剛性支架上，具體結(jié)構(gòu)如圖3.4所示，8個(gè)較大的光孔均布在安裝座的外端，通過這8個(gè)光孔，利用螺栓連接，將安裝座安裝在剛性支架上，安裝座的正面鉆有8個(gè)螺紋孔，螺紋孔之間的距離與鼠籠彈支對(duì)應(yīng)的8個(gè)光孔之間的距離一致，以便于鼠籠彈支通過螺釘安裝在安裝座上而不偏心。安裝座的另一側(cè)均勻的鉆有8個(gè)螺紋孔，用以安裝阻尼環(huán)，其位置同心度與另一端螺紋孔相同，這樣就有效的保證了阻尼環(huán)與鼠籠彈支的同心度。

（5）阻尼環(huán)

阻尼環(huán)的內(nèi)徑與鼠籠彈支的外經(jīng)具有一定的間隙，產(chǎn)生油膜腔，構(gòu)成一個(gè)擠壓油膜阻尼器，具體結(jié)構(gòu)見圖3.5，阻尼環(huán)端面均布8個(gè)大小一致的光孔，通過螺釘連接到安裝座上，單獨(dú)一個(gè)較大的為M8的螺紋盲孔，作為供油孔，里面與一個(gè)Ф2的小孔相連，外端與供油系統(tǒng)的供油管接頭相連。內(nèi)環(huán)正中間開有小槽，以便滑油迅速均勻的充滿油膜腔。有臺(tái)階一端與安裝座相應(yīng)的臺(tái)階形成面配合。試驗(yàn)過程中，通過更換不同尺寸的阻尼環(huán)而達(dá)到改變油膜間隙和油膜承載長度的目的。

（6）傳力板

傳力板在系統(tǒng)中有兩個(gè)作用，一是將加載系統(tǒng)提供的激力傳遞到芯棒上，二是為測試系統(tǒng)的加速度傳感器提供安裝位置，具體結(jié)構(gòu)如圖3.6所示。傳力板的8個(gè)光孔與芯棒的螺紋孔通過螺釘連接，里面凸出的外圓與芯棒內(nèi)孔形成小許過盈配合，正方形臺(tái)階上的四個(gè)面上分別鉆有兩個(gè)螺紋孔，其中相臨兩個(gè)面的螺紋孔用于安裝振動(dòng)傳感器，另外兩個(gè)面的螺紋孔則是為傳力叉連接所需。

（7）傳力叉

傳力叉主要的作用就是將激振器產(chǎn)生的激振力均勻傳遞到彈性支撐點(diǎn)左右兩側(cè)。具體結(jié)構(gòu)如圖3.7所示，傳力叉正中間所開的孔與激振器的激振桿相連，傳力叉上端左右兩側(cè)與兩個(gè)傳力板相連，將產(chǎn)生的激振力傳到兩個(gè)傳力板上。

試驗(yàn)器上的被試系統(tǒng)主要由這幾個(gè)零部件構(gòu)成，在試驗(yàn)過程中可以通過供油系統(tǒng)改變油膜環(huán)進(jìn)口的壓力和溫度及更換阻尼環(huán)來得到不同狀態(tài)下的參數(shù)，所有零部件的裝配關(guān)系如圖3.8所示。

3.2 試驗(yàn)方法

在組合試驗(yàn)被試系統(tǒng)之前，應(yīng)先測量鼠籠彈支的支撐剛度K、實(shí)際有效的軸向長度以及外徑半徑，測量與其相匹配的阻尼環(huán)實(shí)際軸向長度和內(nèi)徑半徑，組合后測量被試系統(tǒng)的質(zhì)量M，這樣可以求出被試系統(tǒng)的固有頻率，被試系統(tǒng)的有效油膜長度L（、較小的那個(gè)值）及油膜半徑間隙R=-。

完成上述測量后，將設(shè)計(jì)好的試驗(yàn)轉(zhuǎn)接段（被試系統(tǒng)）安裝到上述彈支擠壓油膜阻尼器試驗(yàn)器上，同時(shí)在鼠籠彈支左右兩側(cè)的兩個(gè)傳力板的左上方45°和右上方45°方向各安裝一個(gè)加速度傳感器（見圖3.9所示），將加速度傳感器安裝在45°方向原因是加速度傳感器方向必須與激振力方向平行。由于左右兩側(cè)有兩個(gè)傳力板，每個(gè)板上有兩個(gè)傳感器，再對(duì)同一方向的位移導(dǎo)納進(jìn)行平均;所以每次試驗(yàn)都可以得到2條位移導(dǎo)納曲線，試驗(yàn)后可分別命名為左位移導(dǎo)納，右位移導(dǎo)納。彈支擠壓油膜阻尼器動(dòng)力特性試驗(yàn)具體方法如下：

1）在未通油的情況下，使用激振器對(duì)芯棒施加激振力，在固定的激振力大小的情況下，逐步增加激振頻率，在試驗(yàn)中測的各個(gè)頻率下的加速度大小，通過積分計(jì)算，求出其位移，并得到在不同頻率下的位移導(dǎo)納—頻率圖和相位角—頻率圖。

2）對(duì)被試系統(tǒng)提供滑油，控制滑油溫度不變，改變滑油壓力，在固定的激振力大小的情況下，逐步增加激振頻率，在試驗(yàn)中測的各個(gè)頻率下的加速度大小，通過積分計(jì)算，求出其位移，可得到不同壓力下的位移導(dǎo)納—頻率圖和相位角—頻率圖。

3）控制滑油壓力不變，改變滑油溫度，在固定的激振力大小的情況下，逐步增加激振頻率，在試驗(yàn)中測的各個(gè)頻率下的加速度大小，通過積分計(jì)算，求出其位移，可得到不同溫度下的位移導(dǎo)納—頻率圖和相位角—頻率圖。

4）控制滑油壓力和溫度不變，改變激振力大小，逐步增加激振頻率，在試驗(yàn)中測的不同激振力下各個(gè)頻率的加速度大小，通過積分計(jì)算，求出其位移，可得到不同激振力下的位移導(dǎo)納—頻率圖和相位角—頻率圖。

5）完成步驟4后更換阻尼環(huán)，即改變油膜間隙和油膜承載長度，重復(fù)步驟1、步驟2和步驟3，可得到在該阻尼環(huán)對(duì)應(yīng)油膜間隙和油膜承載長度下的位移導(dǎo)納—頻率圖和相位角—頻率圖。

4 總結(jié)

本文介紹了彈支擠壓油膜阻尼器試驗(yàn)器的基本構(gòu)成及工作方式，闡述了彈支擠壓油膜阻尼器動(dòng)力特性試驗(yàn)的被試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及組成，重點(diǎn)分析了彈支擠壓油膜阻尼器動(dòng)力特性試驗(yàn)方法，為后續(xù)動(dòng)力特性試驗(yàn)的開展提供了指導(dǎo)。

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