整体式挤压油膜阻尼器结构刚度的影响因素研究

李年祺

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065）

设备与自控

整体式挤压油膜阻尼器结构刚度的影响因素研究

李年祺

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065）

本文通过模拟实验和理论分析，重点讨论了新型整体式挤压油膜阻尼器在不同结构下的刚度的变化规律，详细探究了弹性支撑S环厚度、弹性支撑S环分布角度以及整体式挤压油膜阻尼器整体厚度这3个变量的变化对阻尼器整体刚度的影响。

振动；阻尼器；整体式挤压油膜阻尼器；非线性；刚度

随着现代工业的发展，化工生产、机械加工、装备制造等领域都出现了高速转子系统。工业发展趋势要求转子的转速不断增高，同时也对转子系统的尺寸和结构有了更加精细的要求。而高速转子系统在工业应用中所面临的最大问题就是稳定性问题。当下很多的转子工作转速为柔性设计，即转子系统工作转速超过其临界转速。转子系统在接近和通过临界区的时候会产生共振，对机组的正常运行和操作人员的人身安全构成很大威胁。所以，如何对机组的振动进行有效控制具有很大的实际意义。

挤压油膜阻尼器的主要优点是结构简单、重量轻、体积小、减震效果好，可解决通过临界区域时的振动问题。通过减小转子振动，可推迟自激振动失稳的发生，借以提高失稳转速，避免转子在工作范围内失稳。挤压油膜阻尼器一般安装在转子机械外罩和配合轴承之间，可以有效减小转子转动产生的整体振动。基于以上优点，挤压油膜阻尼器在被发明之后得到了广泛的应用，但人们也渐渐发现了它所存在的问题与不足，最主要的就是油膜力和刚度的非线性问题。由于非线性的大大增加而出现的双稳态现象、阶越现象等，都对实际生产使用有很大的危害。因此我们在使用过程中也在不断完善阻尼器的结构，优化阻尼器的性能，并根据不同的研究成果设计出了多种用于不同工况的挤压油膜阻尼器。

1 挤压油膜阻尼器原理

1.1 挤压油膜阻尼器基本结构

挤压油膜阻尼器的设计原理就是把轴承与轴承座的配合改为间隙配合，并向该间隙供以具有一定压力的润滑油, 就形成了挤压油膜阻尼器。转轴在运动中产生的不平衡力引起的轴颈运动挤压油膜环产生油膜力，利用该油膜力不仅可以把转子托起,还能通过挤压和剪切油膜来减振。挤压油膜阻尼器通常通过油膜间隙处的进油口或者环向油槽供油，并利用活塞环和橡胶O型环进行端部密封。

1.2 挤压油膜阻尼器分类

工业使用中，主要应用了两种挤压油膜阻尼器，根据有无定心支撑具体分为同心型挤压油膜阻尼器和非同心型挤压油膜阻尼器。

同心型挤压油膜阻尼器与非同心型最大的区别在于它多了一个定心的弹性支撑，因此具备以下几个优势：一是由定心弹性支承提供静承载能力；二是通过定心弹支的预加载荷作用可以使轴颈在静载时保持良好的定心状态，同时防止油膜环自转。定心弹支最重要的作用就是可以调节转子系统的临界转速，通过施加外加刚度来改变转子频率。在使用过程中，主要发展出了鼠笼式弹性支撑、O型环弹性支撑、整体式弹性支撑等3类同心型挤压油膜阻尼器支撑设计。

非同心型挤压油膜阻尼器没有定心的弹性支撑，所以阻尼器的轴颈在使用时是位于系统底部的。当转子系统转速增加后，阻尼器才会慢慢到达工作位置。因此，非同心型挤压油膜阻尼器的刚度会呈现出非常明显的非线性现象，对工程使用是十分不利的。

1.3 非线性问题

非线性问题是转子系统问题中的一个主要问题。综合来说，引起挤压油膜阻尼器非线性的原因有很多，油膜自身特性、钢性结构不同结构下的系统刚度、密封方式的选取、转子系统的不平衡等等都会引起非线性的问题。多稳态的出现使我们无法准确掌握系统的具体工作状态，需要通过实验来决定实际生产中我们需要的是哪种稳态。在挤压油膜阻尼器的应用中就出现了双稳态现象，因此导致阻尼器-转子系统的刚度和阻尼性能不稳定。

2 模拟分析

2.1 模型建立

本文选取如图1所示的应用于高速转子试验台的整体式挤压油膜阻尼器，探究了阻尼器结构参数与刚度的关系。运用ANSYS有限元建模模拟分析，基于有限元法在变化的模型上施加规律变化的固定载荷，通过控制变量的方法得到阻尼器的不同结构在相同受力情况下的受力-位移图像，同时也可以求出阻尼器的刚度。

图1 整体式挤压油膜阻尼器结构简图

由图1可知，整体式挤压油膜阻尼器通常是与轴承同时使用的，但在这次分析中，轴承对阻尼器自身的刚度没有直接影响，所以在建模过程中不考虑轴承的作用。表1为该阻尼器的基本结构参数。

表1 整体式挤压油膜阻尼器基本结构参数

运用ANSYS建模时，根据阻尼器材料性质，设定材料属性时选择线性弹性材料，弹性模量设置为2×106Pa,泊松比设置为0.3，密度7800kg·m-3。建模后利用网格划分工具对模型进行网格划分，以获取更加准确的结果。对模型进行分块划分，把模型分为内、外环和单独的S环结构，分块多次进行网格划分，得到数目足够的单元数量，并对S环处网格进行加密。经网格无关性检验后，网格划分符合要求。

图2 阻尼器建模网格划分

整体式挤压油膜阻尼器在工作时位于轴承与轴承座之间，所以施加的约束为外环表面的全约束。关于阻尼器负载施加的问题现在在学界还有比较大的争议。这次试验采用的是静载的方式，在阻尼器内环表面施加连续均匀的压力。由于整体式挤压油膜阻尼器的刚度值在水平面（X方向）和垂直面（Y方向）内有一定的差别，所以在施加负载时，分别在内环内表面的右半面和下半面加载，以此来研究阻尼器在X和Y方向上的刚度。根据工况需求，每组实验施加载荷从500N均匀增加至2000N，通过计算受力面积，得出连续的压力值大小。

通过对整体式挤压油膜阻尼器原始尺寸进行模拟计算，得出阻尼器在X、Y方向上的刚度均为5×107N·m-1，与实际性能指标一致，验证模型正确，可以用于后续计算分析。

2.2 数据模拟结果与分析

根据阻尼器实际尺寸和工作性能要求，控制阻尼器其他尺寸不变，分别以阻尼器主要结构参数S环厚度B、S环分布角度θ、阻尼器整体厚度T为研究变量，对变量在可用范围内依次取值，分析在相同载荷范围内，结构尺寸改变与阻尼器刚度变化的关系。模拟结果见图3～图5。

图3 S环厚度与阻尼器X、Y方向上刚度的关系

图4 S环分布角度与阻尼器X、Y方向上刚度的关系

图5 阻尼器厚度与阻尼器X、Y方向上刚度的关系

由图3结果可以得到，当整体式挤压油膜阻尼器S环厚度发生变化时，阻尼器在X、Y方向上的刚度随S环厚度的变化呈现出相似的线性变化规律。由图4结果可以得到，当整体式挤压油膜阻尼器S环分部角度发生变化时，阻尼器的刚度呈现出明显的非线性变化，且X、Y方向变化规律接近一致。但是由图中曲线可以看出，当S环分布角度在14°～20°时，阻尼器在X、Y方向上的刚度都具有一定的线性规律，选取该范围内的角度可以对阻尼器性能进行较准确的计算。由图5结果可以得到，当整体式挤压油膜阻尼器整体厚度发生变化时，阻尼器在X、Y方向上的变化规律不一致，且都呈现出强烈的非线性响应，所以要考虑在此范围内的非线性影响。

3 结论

1）整体式挤压油膜阻尼器作为具有定心支撑的阻尼器，具有良好的阻尼减振性能，当其结构参数出现变化时，阻尼器的刚度性能也会随之改变，且多呈现出线性与非线性结合的变化规律。通过模拟实验结果，我们得到了刚度变化过程中线性变化的取值范围，为阻尼器的制造和选型提供了理论依据。

2）当整体式挤压油膜阻尼器结构参数发生变化时，其刚度变化值与标准值5×107N·m-1相比较时，可以明显得到结构参数对刚度数值大小的影响。由结果可以看出，S环分布角度和阻尼器厚度在一定变化范围内可以提供更大的阻尼器刚度，所以在针对不同性能需求时，可以据此来选择需要改变的结构参数。

3）整体式挤压油膜阻尼器作为应对高速转子系统振动的有效手段，其结构简单，尺寸较小且性能优良，目前亟待解决的就是其工作过程中出现的非线性现象。而目前国内对整体式挤压油膜阻尼器的研究还处于起步阶段，所以在未来的工业发展中，整体式挤压油膜阻尼器将会有更大的应用空间。

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Research on Impacts of Structural Stiffness of Integral Squeeze Film Damper

LI Nianqi
(Xi’an Shiyou University , Xi’an 710065, China)

In industrial, using dampers to reduce vibration was a normal method to improve stability of equipments. The most popular damper was squeeze film dampers(SFD). SFDs could change the stiffness of rotor system and absorbed vibration. Nolinear was the biggest problem of SFDs. With the developments of SFDs, engineers had created many different type of SFD according to different working place and working requirements, they were keeping enlarge the amounts of SFDs and making SFDs were much better than before. In this article, some modeling and simulation calculation in the stiffness of ISFD were carried out. Three variable quantity were set: B(thickness of S spring); T(thickness of ISFD); θ(the span of S spring on outer circle). This simulation could be a good database for further research.

vibration; damper; integral squeeze film dampers; nolinear; stiffness

TH 703.62

A

1671-9905(2017)08-0057-03

李年祺(1993-)，男，湖南岳阳人，硕士，主要从事转子振动及富氧燃烧相关方面的研究

2017-05-02