挤压油膜阻尼器油膜阻尼系数识别及分析

周海仑　冯国全　张　明　艾延廷

1.沈阳航空航天大学辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室，沈阳，1101362.中国航空工业集团公司沈阳发动机设计研究所，沈阳，110015



挤压油膜阻尼器油膜阻尼系数识别及分析

周海仑1冯国全2张明1艾延廷1

1.沈阳航空航天大学辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室，沈阳，1101362.中国航空工业集团公司沈阳发动机设计研究所，沈阳，110015

为了进行挤压油膜阻尼器油膜阻尼系数识别的实验研究，首先,利用信号发生器和功率放大器对双向激励实验器进行激振；然后，借助阻抗头获得激励和响应数据；最后，基于机械阻抗原理，通过最小二乘法拟合，得到挤压油膜阻尼器的油膜阻尼系数。通过改变油膜宽度和油膜间隙，研究不同挤压油膜阻尼器参数对油膜阻尼的影响。研究结果表明，随着油膜宽度的线性增大，油膜阻尼呈现非线性增大的趋势。可以通过增大油膜宽度和油膜阻尼，来提高阻尼器的减振性能。随着油膜间隙的线性增大，油膜阻尼呈现非线性减小的趋势，减振性能下降。

挤压油膜阻尼器；油膜阻尼；机械阻抗法；双向激励

0　引言

在航空发动机中，挤压油膜阻尼器(squeeze film damper，SFD)置于滚动轴承与轴承座之间，它已被证明能有效地抑制和隔离转子振动[1]。然而有关SFD的一些机理至今仍不十分清楚，有待于进一步研究。目前实际设计SFD的方法是采用经验、理论和试验结合的试凑法。合理选择阻尼器的各项设计参数，是使阻尼器在工作过程中发挥良好减振作用的关键环节，而阻尼器的动力特性实验研究对阻尼器的设计有着很重要的指导作用[2]。

黄太平等[3]利用双向激励实验器结合导纳圆法进行了SFD等效阻尼的测试。李舜酩等[2]利用双向激励实验器对位移导纳的幅频特性进行了分析，但并未讨论相应的刚度和阻尼系数。文献[4-6]采用脉冲激励法结合对数衰减率，进行了SFD油膜阻尼的测试。马艳红等[7]从理论上分析了一种带有金属橡胶外环的自适应挤压油膜阻尼器的油膜阻尼，认为在过临界时该阻尼器能比传统挤压油膜阻尼器产生更大的阻尼，但是关于该阻尼器阻尼测试的研究鲜有报道。周海仑等[8]借助于转子系统以及单自由度系统的幅频响应特性，进行了浮环式挤压油膜阻尼器的减振机理研究，然而对于直接影响该阻尼器减振效果的油膜阻尼并没有进行相关的实验测试。在国外，Siew等[9]利用双向激励实验器进行了中间供油型SFD动力特性的研究。文献[10-14]利用水平放置的双向激励实验器，借助于机械阻抗法进行了SFD油膜阻尼系数等动力学特性系数的测试，研究了SFD结构参数对减振性能的影响，为了模拟重力产生的静偏心，通过施加静载荷的方式来实现，然而芯棒的振动必然会对静载荷的施加产生影响。与国外基于机械阻抗的测试方法相比，国内基于导纳圆或脉冲激励进行油膜动力学特性系数的测试方法，没有考虑到轴颈进动速度以及动偏心对SFD动力学特性的影响。因此，本文基于机械阻抗法，利用垂直放置的双向激励实验器进行SFD油膜阻尼系数的实验测试研究，为SFD和改进型SFD减振机理的研究以及SFD的使用和设计提供参考，其中由于发动机转子重量使轴颈产生的静载荷，可以通过改变双向激励实验器芯棒质量和弹性支承的刚度来实现，从而更加真实地模拟SFD的工况。一般情况下，SFD的油膜刚度远小于弹性支承的刚度，因此，本文暂不对SFD的油膜刚度特性进行讨论。

1　油膜阻尼的测试及计算

1.1基于机械阻抗法的油膜阻尼测试[15-17]

弹性支承与SFD组成的转子支承系统，在相互垂直的方向上受到外部激励时，支承系统的运动方程为

(1)

式中，fi为外部激励力量，i=X,Y；Mh为测试零件的质量；Khi、Chi分别为弹性支承刚度和阻尼系数，i=X,Y；Kij、Cij分别为油膜刚度和阻尼系数，i，j=X,Y。

由于油膜的质量很小，故不考虑油膜的惯性力系数。测试系统的刚度系数Khi和阻尼系数Chi是在无供油条件下测得的。

实验过程中使用信号发生器产生两个独立且相位差为90°的正弦信号，并在系统相互垂直的两个方向上产生激励。由于获得的信号为时域信号，处理起来范围有限，而且结果不准确，故需要将获得的时域信号通过傅里叶变换转变为频域信号，从而使数据处理更加方便。经过离散傅里叶变换后系统的运动方程可以写成：

(2)

或者用矩阵的形式表示：

A=KXX+KhX-Mhω2+iω(CXX+ChX)

B=KYY+KhY-Mhω2+iω(CYY+ChY)

定义Hij( i，j=X,Y)为复阻抗，即

当i=j=X，Y时δij=1，否则δij=0。

复阻抗H是由实部和虚部组成的，其实部和虚部都是关于激振频率ω的函数。其中H的实部表示动刚度，H的虚部与系统的阻尼系数成正比，H的虚部和实部与激振频率的关系如图1所示。根据测出的复阻抗集合和各自的频率，通过曲线拟合复阻抗的实部和虚部，即可得到相应的刚度和阻尼。

图1　理想复阻抗实部和虚部曲线

1.2实验设备

本实验采用双向激励实验器[18-20]，如图2～图4所示，该实验设备主要由激振器、支座、油膜衬套、芯棒、弹性支承、SFD、传力叉、阻抗头、信号发生器、功率放大器以及供油、回油及冷却装置等构成。

图2　双向激励实验器实物图

图3　供油、回油和冷却装置

图4　双向激励实验器结构示意图

1.3油膜阻尼的计算

图5　无端封中心周向槽供油

本文研究的SFD采用无端封中心周向槽供油，如图5所示。油膜宽度L最小为6 mm，最大为10 mm，油膜内直径D为43 mm，由此可得0.1395

(4)

式中，μ为滑油的动力黏度；R为油膜半径；δ为油膜间隙；ε为轴颈的偏心率，表示轴颈的偏心距与油膜间隙之比。

2　油膜阻尼测试及误差分析

为了进行SFD油膜阻尼测试研究以及SFD参数对油膜阻尼影响的研究，加工了不同油膜宽度(L分别为6 mm，7 mm，8 mm，9 mm，10 mm)和不同油膜间隙(δ分别为0.1 mm，0.15 mm，0.2 mm，0.25 mm，0.3 mm)的油膜衬套，如图6所示。其中，水平放置的是不同油膜间隙的衬套，竖直放置的是不同油膜宽度的衬套。在进行SFD油膜阻尼的测试时，施加的激振力保证芯棒做半径为0.01 mm的圆进动。

图6　实验选用油套实物图

首先，双向激励实验器安装油膜间隙δ为0.2 mm，宽度L分别为6 mm，7 mm，8 mm，9 mm，10 mm的油膜衬套。信号发生器可以产生相同频率且相位差为90°的两路正弦信号，经过功率放大器驱动激振器；激振器通过柔性杆、阻抗头及传力叉连接到芯棒上。通过控制信号发生器的输出信号的频率和功率放大器的功率，分别控制试验过程中的激振频率和激振力的大小；柔性杆为激振器与试件之间的一细长金属杆，由于柔性杆具有较高的纵向刚度和相当低的横向刚度，它可以有效地将激振力沿杆的方向传递给试件，而且能大大消除横向作用力的影响，提高精度。

基于机械阻抗原理，利用最小二乘法分别拟合出X和Y方向激振频率与复阻抗的实部及虚部的关系曲线，从而得到油膜的动力特性系数。图7～图11所示为X方向的拟合曲线，Y方向具有相似的拟合曲线所以不再列出。

(a)实部与频率的关系

(b)虚部与频率的关系图7　L=6 mm时测量结果

(a)实部与频率的关系

(b)虚部与频率的关系图8　L=7 mm时测量结果

(a)实部与频率的关系

(b)虚部与频率的关系图9　L=8 mm时测量结果

(a)实部与频率的关系

(b)虚部与频率的关系图10　L=9 mm时测量结果

(a)实部与频率的关系

(b)虚部与频率的关系图11　L=10 mm时测量结果

通过对不同油膜宽度的SFD进行测试，利用最小二乘法可以拟合得到不同油膜宽度对应的油膜阻尼，油膜宽度和油膜阻尼的关系如图12所示。图中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)计算得到的等效阻尼。从图12中可以看出，油膜阻尼的测试结果和理论计算结果随油膜宽度变化的趋势是一致的。随着油膜宽度的线性增大，油膜阻尼呈非线性增大，减振性能得到提高。由此可知，在空间允许的情况下，通过增大油膜宽度提高SFD的减振性能，是一条重要途径。但是，理论值和实验值之间存在一定的差异，这可能主要是由于实际的油膜并不完全满足短轴承和半油膜边界条件，实验与理论值之间的差异也说明了进行实验测试SFD油膜阻尼的重要性。

图12　油膜宽度与阻尼关系曲线

相似地，双向激励实验器在安装不同油膜间隙的SFD时，可以测试得到相应的油膜阻尼。安装宽度L=9 mm，油膜间隙δ分别为0.1 mm，0.15 mm，0.2 mm，0.25 mm，0.3 mm的油套，测试结果如图13所示。可以看出，在较大的油膜间隙情况下，计算值与实验值的变化趋势是一致的。随着油膜间隙的线性增大，油膜阻尼呈现非线性减小的趋势。

图13　油膜间隙与阻尼关系曲线

3　结语

随着油膜宽度的线性增大，油膜阻尼呈现非线性增大的趋势。由此可知，在空间允许的情况下，可以通过增大油膜宽度和油膜阻尼来提高SFD的减振性能。随着油膜间隙的线性增大，油膜阻尼呈现非线性减小的趋势，减振性能下降。但是在油膜间隙较小的情况下，方向相互垂直的油膜阻尼呈现明显的非对称性，其对加工的要求较高。

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(编辑陈勇)

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

国家自然科学基金资助项目(51505300)；航空科学基金资助项目(2014ZB54008)；辽宁省自然科学基金资助项目(2015020126)

V231.96

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

周海仑，男，1983年生。沈阳航空航天大学航空航天工程学部副教授、博士。主要研究方向为挤压油膜阻尼器、转子动力学和航空发动机整机振动。冯国全，男，1967年生。中国航空工业集团公司沈阳发动机设计研究所研究员。张明，男，1991年生。沈阳航空航天大学航空航天工程学部硕士研究生。艾延廷，男，1963年生。沈阳航空航天大学航空航天工程学部教授。