弹支挤压油膜阻尼器动力特性试验方法研究

李果

摘 要：本文介绍了弹支挤压油膜阻尼器试验器的基本构成及工作方式，重点分析了弹支挤压油膜阻尼器动力特性试验方法，为后续动力特性试验的开展提供指导。

关键词：弹支挤压油膜阻尼器;动力特性;试验器;试验方法

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

挤压油膜阻尼器（SFD）由轴向位置与长度一致的两个刚性同心圆环组成的装置（见图1.1），其中内环的外壁和外环的内壁之间存在微小的半径间隙，形成油膜腔，当往油膜腔内注入粘性滑油后，在两个圆环发生相对圆周振动的情况下，间隙中的滑油将因受到挤压作用而表现出特殊的力学特性，而该特性对于内外环之间的相对圆周振动通常具有明显的阻尼作用。

图1.1 挤压油膜阻尼器结构图

作为一种简单高效的转子振动阻尼装置，带有弹性支承器的挤压油膜阻尼器（以下简称“弹支挤压油膜阻尼器”）在近代中小型高转速航空燃气轮机上得到了日益普遍的应用。国内外多种发动机成功使用弹支挤压油膜阻尼器的事实证明，在结构参数选择适当的情况下，弹支挤压油膜阻尼器对发动机转子及整机振动具有明显的抑制作用，一般可以使发动机振动量减少60%以上，并可以有效地减少发动机轴承以及整个承力系统的振动载荷，从而有利于提高发动机的安全性、可靠性与工作寿命[1]。

然而，弹支挤压油膜阻尼器的动力学特性是由固体和粘性液体之间在高速旋转状态下相互作用的结果，不仅具有较为明显的非线性特征，其工作原理亦十分复杂[1]。仅采用数值计算或理论分析的方法对其工作性能进行预估，在目前很难获得令人满意的结果。

事实上，结构参数设计不当的弹支挤压油膜阻尼器不仅不能有效地抑制转子及发动机整机的振动，反而可能导致更为严重的振动问题，甚至引起转子失稳，产生自激振动，对发动机的安全性造成严重威胁。目前国内虽有弹支挤压油膜阻尼器的总体设计方法，但对挤压油膜阻尼器的几个主要参数的选取还主要采用试凑法为主，并没有一个明确的挤压油膜阻尼器参数选取规范。

因此，对弹支挤压油膜阻尼器开展动力特性试验方法的研究，有利于动力特性试验的成功及合理选择弹支挤压油膜阻尼器的结构参数，有效发挥其阻尼减振功能，确保发动机的整体安全性。

2 弹支挤压油膜阻尼器试验器介绍

弹支挤压油膜阻尼器试验器是根据弹支及弹支挤压油膜阻尼器的结构特点和工作方式设计与研制的用于弹支挤压油膜阻尼器动态特性试验的专用设备。试验器具有结构紧凑、布局合理、功能独特、使用维护方便等一系列特点。其研制成功以及不断完善，不仅将对弹支挤压油膜阻尼器结构参数的选择提供重要帮助，同时也将为弹支挤压油膜阻尼器设计技术的发展发挥重要作用。

2.1试验器的基本组成

弹支挤压油膜阻尼器试验器由机械主体部分、测试控制系统和供油系统三大部分组成。

机械主体部分则由B&K-4826永磁激振器、冷却风机、激振杆、力传感器、传力板、传力叉、刚性支架、被试系统（由一根具有一定惯性质量和很高刚度的惯性芯棒、一个被试弹性支承器和一个被试挤压油膜阻尼器共同组成）等主要部分组成。其主体结构及外观整体分别如图2.1所示。

测试控制系统由波形发生器、功率放大器、电荷放大器、传感器、示波记录仪和相关软件组成，用于对试验状态进行控制、监测、记录和分析等。测试控制系统及其连接方式见图2.2。

供油系统主要由供油泵、管路加热器、风冷电机和油温油压控制器组成。其结构原理图见图2.3， 该供油系统所有的元气件都集成在一个油车上，其输出滑油压在0～1MPa之间连续可调，输出油温在常温～130℃连续可调。整个供油系统结构简单，操纵方便。

2.2试验器的工作方式

1）采用两台激振方向相互垂直的永磁激振器作为振动激励源;

2）当两台激振器同时工作，并分别输出两个频率与幅值一致、相位角相差90°的激振力时，根据矢量合成原理，这两个激振力矢量将合成为一个幅值恒定，方向不斷旋转的等效旋转载荷，其特性能够有效地模拟发动机转动件对支承件所施加的载荷;

3）在等效旋转载荷的激励下，被试系统将产生类似于发动机转子支承系统的振动响应;

4）振动激励与振动响应之间状态参数的关系及其变化规律，构成了了解与掌握被试系统中弹支挤压油膜阻尼器的减振特性，以及被试系统的其他动力特性的有效依据;

5）供油系统可提供一定范围内不同温度和压力下连续稳定的滑油。

3 弹支挤压油膜阻尼器动力特性试验方法

3.1 试验被试系统设计

试验被试系统由芯棒、挡板、鼠笼弹支、安装座、阻尼环、传力板、传力叉等几个零件构成。在试验过程中，被试系统在加载系统的加载下和供油系统的供油下，将模拟挤压油膜阻尼器在各个状态下的工作情况，从而进行挤压油膜阻尼器动力特性试验。

（1）芯棒的设计

芯棒的主要作用是模拟挤压油膜阻尼器实际工作中的轴承，具体如图3.1所示，采用空心结构，是为了减轻其质量进而减小被试系统总质量，从而提高被试系统的固有频率，芯棒两端钻的是M5的螺纹孔，方便与传力板进行连接。台阶侧面钻的四个螺纹孔用于安装挡圈，挡板与芯棒最凸出部分将鼠笼弹支卡住，防止其与芯棒发生轴向移动。

（2）挡圈

挡圈与芯棒连接，防止鼠笼弹支沿芯棒轴向移动，具体结构见图3.2。

（3）鼠笼弹支

鼠笼弹支主要作用有两个，一个是为整个系统提供弹性支撑，另一个作用就是与阻尼环具有一定间隙，形成油膜环，具体结构见图3.3。

（4）安装座

安装座的主要目的是将鼠笼弹支、芯棒、阻尼环安装在试验器刚性支架上，具体结构如图3.4所示，8个较大的光孔均布在安装座的外端，通过这8个光孔，利用螺栓连接，将安装座安装在刚性支架上，安装座的正面钻有8个螺纹孔，螺纹孔之间的距离与鼠笼弹支对应的8个光孔之间的距离一致，以便于鼠笼弹支通过螺钉安装在安装座上而不偏心。安装座的另一侧均匀的钻有8个螺纹孔，用以安装阻尼环，其位置同心度与另一端螺纹孔相同，这样就有效的保证了阻尼环与鼠笼弹支的同心度。

（5）阻尼环

阻尼环的内径与鼠笼弹支的外经具有一定的间隙，产生油膜腔，构成一个挤压油膜阻尼器，具体结构见图3.5，阻尼环端面均布8个大小一致的光孔，通过螺钉连接到安装座上，单独一个较大的为M8的螺纹盲孔，作为供油孔，里面与一个Ф2的小孔相连，外端与供油系统的供油管接头相连。内环正中间开有小槽，以便滑油迅速均匀的充满油膜腔。有台阶一端与安装座相应的台阶形成面配合。试验过程中，通过更换不同尺寸的阻尼环而达到改变油膜间隙和油膜承载长度的目的。

（6）传力板

传力板在系统中有两个作用，一是将加载系统提供的激力传递到芯棒上，二是为测试系统的加速度传感器提供安装位置，具体结构如图3.6所示。传力板的8个光孔与芯棒的螺纹孔通过螺钉连接，里面凸出的外圆与芯棒内孔形成小许过盈配合，正方形台阶上的四个面上分别钻有两个螺纹孔，其中相临两个面的螺纹孔用于安装振动传感器，另外两个面的螺纹孔则是为传力叉连接所需。

（7）传力叉

传力叉主要的作用就是将激振器产生的激振力均匀传递到弹性支撑点左右两侧。具体结构如图3.7所示，传力叉正中间所开的孔与激振器的激振杆相连，传力叉上端左右两侧与两个传力板相连，将产生的激振力传到两个传力板上。

试验器上的被试系统主要由这几个零部件构成，在试验过程中可以通过供油系统改变油膜环进口的压力和温度及更换阻尼环来得到不同状态下的参数，所有零部件的装配关系如图3.8所示。

3.2 试验方法

在组合试验被试系统之前，应先测量鼠笼弹支的支撑刚度K、实际有效的軸向长度以及外径半径，测量与其相匹配的阻尼环实际轴向长度和内径半径，组合后测量被试系统的质量M，这样可以求出被试系统的固有频率，被试系统的有效油膜长度L（、较小的那个值）及油膜半径间隙R=-。

完成上述测量后，将设计好的试验转接段（被试系统）安装到上述弹支挤压油膜阻尼器试验器上，同时在鼠笼弹支左右两侧的两个传力板的左上方45°和右上方45°方向各安装一个加速度传感器（见图3.9所示），将加速度传感器安装在45°方向原因是加速度传感器方向必须与激振力方向平行。由于左右两侧有两个传力板，每个板上有两个传感器，再对同一方向的位移导纳进行平均;所以每次试验都可以得到2条位移导纳曲线，试验后可分别命名为左位移导纳，右位移导纳。弹支挤压油膜阻尼器动力特性试验具体方法如下：

1）在未通油的情况下，使用激振器对芯棒施加激振力，在固定的激振力大小的情况下，逐步增加激振频率，在试验中测的各个频率下的加速度大小，通过积分计算，求出其位移，并得到在不同频率下的位移导纳—频率图和相位角—频率图。

2）对被试系统提供滑油，控制滑油温度不变，改变滑油压力，在固定的激振力大小的情况下，逐步增加激振频率，在试验中测的各个频率下的加速度大小，通过积分计算，求出其位移，可得到不同压力下的位移导纳—频率图和相位角—频率图。

3）控制滑油压力不变，改变滑油温度，在固定的激振力大小的情况下，逐步增加激振频率，在试验中测的各个频率下的加速度大小，通过积分计算，求出其位移，可得到不同温度下的位移导纳—频率图和相位角—频率图。

4）控制滑油压力和温度不变，改变激振力大小，逐步增加激振频率，在试验中测的不同激振力下各个频率的加速度大小，通过积分计算，求出其位移，可得到不同激振力下的位移导纳—频率图和相位角—频率图。

5）完成步骤4后更换阻尼环，即改变油膜间隙和油膜承载长度，重复步骤1、步骤2和步骤3，可得到在该阻尼环对应油膜间隙和油膜承载长度下的位移导纳—频率图和相位角—频率图。

4 总结

本文介绍了弹支挤压油膜阻尼器试验器的基本构成及工作方式，阐述了弹支挤压油膜阻尼器动力特性试验的被试系统的设计及组成，重点分析了弹支挤压油膜阻尼器动力特性试验方法，为后续动力特性试验的开展提供了指导。

参考文献：

[1] 李彦 《弹支挤压油膜阻尼器试验器研制报告》，中国航空动力机械研究所，2005，11.

[2] 唐振环《某发动机高压转子挤压油膜阻尼器动力特性试验技术要求（10-SY-0305）》，中国航空动力机械研究所，2014，05.

[3] 杨秋晓，谭庆昌 《挤压油膜阻尼器试验台设计与试验分析》，工程与试验，2008，04.

[4]邓方杰 《挤压油膜阻尼器失效问题分析》，北京航空航天大学学报，2000，02.

[5]Changhu Xing，Frank Horvat，Minel J.Braun，Experimental Investigation Of The Development Of Cavitation In A Squeeze Film Damper. 2010 International Joint Tribology Conference October 17-20，20.