李年祺

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

設(shè)備與自控

整體式擠壓油膜阻尼器結(jié)構(gòu)剛度的影響因素研究

李年祺

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

本文通過模擬實(shí)驗(yàn)和理論分析，重點(diǎn)討論了新型整體式擠壓油膜阻尼器在不同結(jié)構(gòu)下的剛度的變化規(guī)律，詳細(xì)探究了彈性支撐S環(huán)厚度、彈性支撐S環(huán)分布角度以及整體式擠壓油膜阻尼器整體厚度這3個變量的變化對阻尼器整體剛度的影響。

振動；阻尼器；整體式擠壓油膜阻尼器；非線性；剛度

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，化工生產(chǎn)、機(jī)械加工、裝備制造等領(lǐng)域都出現(xiàn)了高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。工業(yè)發(fā)展趨勢要求轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不斷增高，同時也對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的尺寸和結(jié)構(gòu)有了更加精細(xì)的要求。而高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中所面臨的最大問題就是穩(wěn)定性問題。當(dāng)下很多的轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速為柔性設(shè)計(jì)，即轉(zhuǎn)子系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速超過其臨界轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在接近和通過臨界區(qū)的時候會產(chǎn)生共振，對機(jī)組的正常運(yùn)行和操作人員的人身安全構(gòu)成很大威脅。所以，如何對機(jī)組的振動進(jìn)行有效控制具有很大的實(shí)際意義。

擠壓油膜阻尼器的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小、減震效果好，可解決通過臨界區(qū)域時的振動問題。通過減小轉(zhuǎn)子振動，可推遲自激振動失穩(wěn)的發(fā)生，借以提高失穩(wěn)轉(zhuǎn)速，避免轉(zhuǎn)子在工作范圍內(nèi)失穩(wěn)。擠壓油膜阻尼器一般安裝在轉(zhuǎn)子機(jī)械外罩和配合軸承之間，可以有效減小轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的整體振動?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，擠壓油膜阻尼器在被發(fā)明之后得到了廣泛的應(yīng)用，但人們也漸漸發(fā)現(xiàn)了它所存在的問題與不足，最主要的就是油膜力和剛度的非線性問題。由于非線性的大大增加而出現(xiàn)的雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象、階越現(xiàn)象等，都對實(shí)際生產(chǎn)使用有很大的危害。因此我們在使用過程中也在不斷完善阻尼器的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化阻尼器的性能，并根據(jù)不同的研究成果設(shè)計(jì)出了多種用于不同工況的擠壓油膜阻尼器。

1 擠壓油膜阻尼器原理

1.1 擠壓油膜阻尼器基本結(jié)構(gòu)

擠壓油膜阻尼器的設(shè)計(jì)原理就是把軸承與軸承座的配合改為間隙配合，并向該間隙供以具有一定壓力的潤滑油, 就形成了擠壓油膜阻尼器。轉(zhuǎn)軸在運(yùn)動中產(chǎn)生的不平衡力引起的軸頸運(yùn)動擠壓油膜環(huán)產(chǎn)生油膜力，利用該油膜力不僅可以把轉(zhuǎn)子托起,還能通過擠壓和剪切油膜來減振。擠壓油膜阻尼器通常通過油膜間隙處的進(jìn)油口或者環(huán)向油槽供油，并利用活塞環(huán)和橡膠O型環(huán)進(jìn)行端部密封。

1.2 擠壓油膜阻尼器分類

工業(yè)使用中，主要應(yīng)用了兩種擠壓油膜阻尼器，根據(jù)有無定心支撐具體分為同心型擠壓油膜阻尼器和非同心型擠壓油膜阻尼器。

同心型擠壓油膜阻尼器與非同心型最大的區(qū)別在于它多了一個定心的彈性支撐，因此具備以下幾個優(yōu)勢：一是由定心彈性支承提供靜承載能力；二是通過定心彈支的預(yù)加載荷作用可以使軸頸在靜載時保持良好的定心狀態(tài)，同時防止油膜環(huán)自轉(zhuǎn)。定心彈支最重要的作用就是可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速，通過施加外加剛度來改變轉(zhuǎn)子頻率。在使用過程中，主要發(fā)展出了鼠籠式彈性支撐、O型環(huán)彈性支撐、整體式彈性支撐等3類同心型擠壓油膜阻尼器支撐設(shè)計(jì)。

非同心型擠壓油膜阻尼器沒有定心的彈性支撐，所以阻尼器的軸頸在使用時是位于系統(tǒng)底部的。當(dāng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)速增加后，阻尼器才會慢慢到達(dá)工作位置。因此，非同心型擠壓油膜阻尼器的剛度會呈現(xiàn)出非常明顯的非線性現(xiàn)象，對工程使用是十分不利的。

1.3 非線性問題

非線性問題是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)問題中的一個主要問題。綜合來說，引起擠壓油膜阻尼器非線性的原因有很多，油膜自身特性、鋼性結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)下的系統(tǒng)剛度、密封方式的選取、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡等等都會引起非線性的問題。多穩(wěn)態(tài)的出現(xiàn)使我們無法準(zhǔn)確掌握系統(tǒng)的具體工作狀態(tài)，需要通過實(shí)驗(yàn)來決定實(shí)際生產(chǎn)中我們需要的是哪種穩(wěn)態(tài)。在擠壓油膜阻尼器的應(yīng)用中就出現(xiàn)了雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，因此導(dǎo)致阻尼器-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剛度和阻尼性能不穩(wěn)定。

2 模擬分析

2.1 模型建立

本文選取如圖1所示的應(yīng)用于高速轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺的整體式擠壓油膜阻尼器，探究了阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)與剛度的關(guān)系。運(yùn)用ANSYS有限元建模模擬分析，基于有限元法在變化的模型上施加規(guī)律變化的固定載荷，通過控制變量的方法得到阻尼器的不同結(jié)構(gòu)在相同受力情況下的受力-位移圖像，同時也可以求出阻尼器的剛度。

圖1 整體式擠壓油膜阻尼器結(jié)構(gòu)簡圖

由圖1可知，整體式擠壓油膜阻尼器通常是與軸承同時使用的，但在這次分析中，軸承對阻尼器自身的剛度沒有直接影響，所以在建模過程中不考慮軸承的作用。表1為該阻尼器的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 整體式擠壓油膜阻尼器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

運(yùn)用ANSYS建模時，根據(jù)阻尼器材料性質(zhì)，設(shè)定材料屬性時選擇線性彈性材料，彈性模量設(shè)置為2×106Pa,泊松比設(shè)置為0.3，密度7800kg·m-3。建模后利用網(wǎng)格劃分工具對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以獲取更加準(zhǔn)確的結(jié)果。對模型進(jìn)行分塊劃分，把模型分為內(nèi)、外環(huán)和單獨(dú)的S環(huán)結(jié)構(gòu)，分塊多次進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到數(shù)目足夠的單元數(shù)量，并對S環(huán)處網(wǎng)格進(jìn)行加密。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)后，網(wǎng)格劃分符合要求。

圖2 阻尼器建模網(wǎng)格劃分

整體式擠壓油膜阻尼器在工作時位于軸承與軸承座之間，所以施加的約束為外環(huán)表面的全約束。關(guān)于阻尼器負(fù)載施加的問題現(xiàn)在在學(xué)界還有比較大的爭議。這次試驗(yàn)采用的是靜載的方式，在阻尼器內(nèi)環(huán)表面施加連續(xù)均勻的壓力。由于整體式擠壓油膜阻尼器的剛度值在水平面（X方向）和垂直面（Y方向）內(nèi)有一定的差別，所以在施加負(fù)載時，分別在內(nèi)環(huán)內(nèi)表面的右半面和下半面加載，以此來研究阻尼器在X和Y方向上的剛度。根據(jù)工況需求，每組實(shí)驗(yàn)施加載荷從500N均勻增加至2000N，通過計(jì)算受力面積，得出連續(xù)的壓力值大小。

通過對整體式擠壓油膜阻尼器原始尺寸進(jìn)行模擬計(jì)算，得出阻尼器在X、Y方向上的剛度均為5×107N·m-1，與實(shí)際性能指標(biāo)一致，驗(yàn)證模型正確，可以用于后續(xù)計(jì)算分析。

2.2 數(shù)據(jù)模擬結(jié)果與分析

根據(jù)阻尼器實(shí)際尺寸和工作性能要求，控制阻尼器其他尺寸不變，分別以阻尼器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)S環(huán)厚度B、S環(huán)分布角度θ、阻尼器整體厚度T為研究變量，對變量在可用范圍內(nèi)依次取值，分析在相同載荷范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)尺寸改變與阻尼器剛度變化的關(guān)系。模擬結(jié)果見圖3～圖5。

圖3 S環(huán)厚度與阻尼器X、Y方向上剛度的關(guān)系

圖4 S環(huán)分布角度與阻尼器X、Y方向上剛度的關(guān)系

圖5 阻尼器厚度與阻尼器X、Y方向上剛度的關(guān)系

由圖3結(jié)果可以得到，當(dāng)整體式擠壓油膜阻尼器S環(huán)厚度發(fā)生變化時，阻尼器在X、Y方向上的剛度隨S環(huán)厚度的變化呈現(xiàn)出相似的線性變化規(guī)律。由圖4結(jié)果可以得到，當(dāng)整體式擠壓油膜阻尼器S環(huán)分部角度發(fā)生變化時，阻尼器的剛度呈現(xiàn)出明顯的非線性變化，且X、Y方向變化規(guī)律接近一致。但是由圖中曲線可以看出，當(dāng)S環(huán)分布角度在14°～20°時，阻尼器在X、Y方向上的剛度都具有一定的線性規(guī)律，選取該范圍內(nèi)的角度可以對阻尼器性能進(jìn)行較準(zhǔn)確的計(jì)算。由圖5結(jié)果可以得到，當(dāng)整體式擠壓油膜阻尼器整體厚度發(fā)生變化時，阻尼器在X、Y方向上的變化規(guī)律不一致，且都呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性響應(yīng)，所以要考慮在此范圍內(nèi)的非線性影響。

3 結(jié)論

1）整體式擠壓油膜阻尼器作為具有定心支撐的阻尼器，具有良好的阻尼減振性能，當(dāng)其結(jié)構(gòu)參數(shù)出現(xiàn)變化時，阻尼器的剛度性能也會隨之改變，且多呈現(xiàn)出線性與非線性結(jié)合的變化規(guī)律。通過模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們得到了剛度變化過程中線性變化的取值范圍，為阻尼器的制造和選型提供了理論依據(jù)。

2）當(dāng)整體式擠壓油膜阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化時，其剛度變化值與標(biāo)準(zhǔn)值5×107N·m-1相比較時，可以明顯得到結(jié)構(gòu)參數(shù)對剛度數(shù)值大小的影響。由結(jié)果可以看出，S環(huán)分布角度和阻尼器厚度在一定變化范圍內(nèi)可以提供更大的阻尼器剛度，所以在針對不同性能需求時，可以據(jù)此來選擇需要改變的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3）整體式擠壓油膜阻尼器作為應(yīng)對高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動的有效手段，其結(jié)構(gòu)簡單，尺寸較小且性能優(yōu)良，目前亟待解決的就是其工作過程中出現(xiàn)的非線性現(xiàn)象。而目前國內(nèi)對整體式擠壓油膜阻尼器的研究還處于起步階段，所以在未來的工業(yè)發(fā)展中，整體式擠壓油膜阻尼器將會有更大的應(yīng)用空間。

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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，湖南岳陽人，碩士，主要從事轉(zhuǎn)子振動及富氧燃燒相關(guān)方面的研究

2017-05-02