彈支擠壓油膜阻尼器試驗(yàn)器改進(jìn)設(shè)計研究

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、工作原理、基本功能及其不足之處;提出了擠壓油膜阻尼器試驗(yàn)器的改進(jìn)設(shè)計方案并改進(jìn)了現(xiàn)有試驗(yàn)器;在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了擠壓油膜阻尼器動力特性試驗(yàn)，證明了改進(jìn)設(shè)計方案有效。

關(guān)鍵詞：擠壓油膜阻尼器;動力特性;試驗(yàn)器;改進(jìn)設(shè)計

Abstract：Introducing the text equipment of basic composition、working principle、 basic function and its shortcoming which for the elastic supported squeeze film damper（SFD） ;Put forward about the improved design scheme for this testing machine and improved it; On this basis，a number of experiments on dynamic characteristic of the squeeze film damper（SFD） have been done，which prove the efficient of the improved design scheme.

Key words：squeeze film damper （SFD）; dynamic characteristic; text equipment; improved design

1 引言

作為一種簡單高效的轉(zhuǎn)子振動阻尼裝置，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發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子及整機(jī)振動具有明顯的抑制作用，一般可以使發(fā)動機(jī)振動量減少60%以上，并可以有效地減少發(fā)動機(jī)軸承以及整個承力系統(tǒng)的振動載荷，從而有利于提高發(fā)動機(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)值計算或理論分析的方法對其工作性能進(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)動機(jī)整機(jī)的振動，反而可能導(dǎo)致更為嚴(yán)重的振動問題，甚至引起轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，產(chǎn)生自激振動，對發(fā)動機(jī)的安全性造成嚴(yán)重威脅。

因此，采用專門的試驗(yàn)手段和設(shè)備，對彈支擠壓油膜阻尼器的動態(tài)特性進(jìn)行分析和研究，有利于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)動機(jī)的整體安全性。

2 現(xiàn)有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)計與研制的用于彈支擠壓油膜阻尼器動態(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，同時也將為彈支擠壓油膜阻尼器設(shè)計技術(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)械主體部分和測試控制系統(tǒng)兩大部分組成。

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、一個被試彈性支承器和一個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。

2.2試驗(yàn)器的工作原理

試驗(yàn)器的具體工作原理如下：

1）被試系統(tǒng)理論固有頻率f0

在無阻尼、無激勵的自由狀態(tài)下，被試系統(tǒng)的動力學(xué)平衡方程為：

由此可得被試系統(tǒng)的計算固有頻率應(yīng)為：

其中K、M分別為被試系統(tǒng)中彈支的靜態(tài)剛度系數(shù)和慣性芯棒的質(zhì)量;

2）被試系統(tǒng)激振力狀態(tài)與振動響應(yīng)狀態(tài)參數(shù)

被試系統(tǒng)激振力狀態(tài)與振動響應(yīng)狀態(tài)由圖2.3所示的參數(shù)進(jìn)行描述;各狀態(tài)參數(shù)間存在以下關(guān)系：

芯棒質(zhì)心橫向位移響應(yīng)相位角：

對于一個結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的被試系統(tǒng)，F(xiàn)x、Fy、ux、uy、α、β是激振頻率ω和觀測時刻t的函數(shù)，而Fr、ur、Cu以及θ的值及其相互之間的關(guān)系則僅隨激振頻率ω的變化而變化;

3）等效旋轉(zhuǎn)載荷的模擬能力

采用兩個單向激振力等效模擬發(fā)動機(jī)的旋轉(zhuǎn)載荷時，若激振力的幅值為F0，則F0對的模擬能力應(yīng)為：

因此，激振力對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡載荷的模擬能力將隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速而變化，且與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的平方呈反比關(guān)系。

由于本試驗(yàn)器的激振器的極限輸出能力為F0=400N，故此，激振力對不同轉(zhuǎn)速下不平衡載荷的模擬能力將按照表2.1所示規(guī)律變化。

2.3 試驗(yàn)器的基本功能

試驗(yàn)器的基本功能在于對包含彈支擠壓油膜阻尼器的被試系統(tǒng)進(jìn)行動力特性試驗(yàn)分析，其要點(diǎn)如下：

1）被試系統(tǒng)為由激振裝置、慣性芯棒、彈性支承器與擠壓油膜阻尼器組成的單自由度振動系統(tǒng)，其理論模型為單質(zhì)點(diǎn)振動模型;

2）由雙通道波形發(fā)生器、兩臺單通道功率放大器組成激振載荷控制系統(tǒng)，對運(yùn)動方向相互垂直的兩臺永磁激振器進(jìn)行載荷控制，包括激振頻率、激振力幅值和激振力的相位角等參數(shù)進(jìn)行控制;

3）被試系統(tǒng)在方向相互垂直的兩臺永磁激振器激勵下，在其自身運(yùn)動平面內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)迫振動;當(dāng)兩個激振器的激振載荷與激振頻率一致、而相位相差90°時，其產(chǎn)生的兩個激振力矢量將組成一個幅值恒定、方向角不斷旋轉(zhuǎn)的等效旋轉(zhuǎn)載荷，其特性能夠有效地模擬發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動件對支承件所施加的載荷;

4）試驗(yàn)過程中，能夠?qū)ふ衿鳟a(chǎn)生的激振力矢量、被試系統(tǒng)在激振力激勵下產(chǎn)生的振動加速度響應(yīng)、被試彈支中彈條產(chǎn)生的應(yīng)變響應(yīng)等動態(tài)信號進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測與記錄;

5）通過對各種試驗(yàn)參數(shù)條件下所獲動態(tài)信號的分析，可以揭示振動激勵、被試系統(tǒng)、振動響應(yīng)三者之間的影響關(guān)系及其變化規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)對被試系統(tǒng)中彈支擠壓油膜阻尼器的減振特性，以及被試系統(tǒng)的其他動力特性的考核、分析與評估，并進(jìn)而為發(fā)動機(jī)減振裝置的研制與設(shè)計提供必要的試驗(yàn)依據(jù)。

通過改變被試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，該實(shí)驗(yàn)器能完成擠壓油膜阻尼器在常溫常壓下不同試驗(yàn)參數(shù)（油膜間隙、油膜半徑、油膜承載長度、激勵等）的動態(tài)特性試驗(yàn)。然而，該試驗(yàn)器也有不完善之處，就是缺少一套穩(wěn)定的供油系統(tǒng)，不能完成變油溫油壓下的動態(tài)特性試驗(yàn)。

3 擠壓油膜阻尼器試驗(yàn)器的改進(jìn)設(shè)計

根據(jù)所內(nèi)對擠壓油膜阻尼器試驗(yàn)器試驗(yàn)?zāi)芰Πl(fā)展的迫切需求（如文獻(xiàn)2所述），亟待了解擠壓油膜阻尼器在不同油膜溫度和油膜壓力下的動力特性。因此，對現(xiàn)有的擠壓油膜阻尼器試驗(yàn)器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，為擠壓油膜阻尼器在不同油膜溫度和油膜壓力下的動力特性試驗(yàn)提供試驗(yàn)器支持。

3.1 擠壓油膜阻尼器試驗(yàn)器的改進(jìn)方案

在本著簡潔、經(jīng)濟(jì)同時又能滿足試驗(yàn)?zāi)芰σ蟮脑瓌t下，結(jié)合現(xiàn)有可調(diào)動的試驗(yàn)設(shè)備資源，將一套獨(dú)立的油源系統(tǒng)與現(xiàn)有彈支擠壓油膜阻尼器試驗(yàn)器進(jìn)行組合，作為其供油系統(tǒng)。該油源系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)為油溫：常溫～130℃，油壓：0～1MPa，其油泵和本地控制系統(tǒng)都集成在油源車上，與現(xiàn)有試驗(yàn)器組合方便簡單。油源系統(tǒng)供油結(jié)構(gòu)原理見圖3.1。

油源系統(tǒng)和被試系統(tǒng)是通過如圖3.2所示的油管接頭相連接起來，油管接頭一端是M8的螺紋管，與圖3.3所示的擠壓油膜阻尼器外環(huán)相連，另一端為M22的螺紋口，與油源系統(tǒng)的供油管相連。中間兩個圓柱凸臺分別安裝壓力傳感器和溫度傳感器，監(jiān)測油膜進(jìn)口時的壓力和溫度。

由于進(jìn)口油膜具有一定的壓力，使滑油流量增大，則需對原有的儲油槽進(jìn)行擴(kuò)孔排流，通過油管將其引回油箱。

由于油源系統(tǒng)是一套獨(dú)立的控制系統(tǒng)，因此試驗(yàn)器在改進(jìn)之后其工作原理和工作方式?jīng)]有發(fā)生變化，只是試驗(yàn)器的基本功能在原有的基礎(chǔ)上多了供油系統(tǒng)能為其提供在一定范圍內(nèi)變化的油溫和油壓。改進(jìn)后擠壓油膜阻尼器試驗(yàn)器整體外觀圖如圖3.4所示。

3.2 試驗(yàn)器改進(jìn)后的試驗(yàn)?zāi)芰?/p>

為驗(yàn)證試驗(yàn)器改進(jìn)是否有效，進(jìn)行了相關(guān)的擠壓油膜阻尼器動力特性試驗(yàn)。圖3.5給出了擠壓油膜阻尼器在恒定壓力下不同溫度的幅頻特性曲線，圖3.6則為恒定溫度下不同壓力的幅頻特性曲線圖。

試驗(yàn)過程中，油膜進(jìn)口壓力在0～1MPa之間變化和溫度在常溫～90℃之間變化都比較穩(wěn)定，控制精度較高，滑油循環(huán)流動性也比較穩(wěn)定。試驗(yàn)表明改進(jìn)后的擠壓油膜阻尼器試驗(yàn)器能夠完成一定范圍內(nèi)不同油膜壓力和油膜溫度下的動力特性試驗(yàn)。

4 總結(jié)

本文首先介紹了現(xiàn)有擠壓油膜阻尼器試驗(yàn)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、基本功能以及不足之處。然后，提出了試驗(yàn)器的改進(jìn)方案，并改進(jìn)了現(xiàn)有試驗(yàn)器。最終，順利完成了擠壓油膜阻尼器在不同油膜溫度和油膜壓力下的動力特性試驗(yàn)，驗(yàn)證了試驗(yàn)器改進(jìn)方案的有效性，提高了現(xiàn)有擠壓油膜阻尼器試驗(yàn)器的試驗(yàn)?zāi)芰Γ瑸槲宜娇瞻l(fā)動機(jī)的研制提供了試驗(yàn)器支持。

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