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(jì)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(dòng)力特性試驗(yàn)，證明了改進(jìn)設(shè)計(jì)方案有效。

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

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(jiǎn)單高效的轉(zhuǎn)子振動(dòng)阻尼裝置，帶有彈性支承器的擠壓油膜阻尼器（以下簡(jiǎn)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(guó)內(nèi)外多種發(fā)動(dòng)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子及整機(jī)振動(dòng)具有明顯的抑制作用，一般可以使發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)量減少60%以上，并可以有效地減少發(fā)動(dòng)機(jī)軸承以及整個(gè)承力系統(tǒng)的振動(dòng)載荷，從而有利于提高發(fā)動(dòng)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(dòng)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(jì)算或理論分析的方法對(duì)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(jì)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(dòng)機(jī)整機(jī)的振動(dòng)，反而可能導(dǎo)致更為嚴(yán)重的振動(dòng)問題，甚至引起轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，產(chǎn)生自激振動(dòng)，對(duì)發(fā)動(dòng)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(duì)彈支擠壓油膜阻尼器的動(dòng)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(dòng)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(jì)與研制的用于彈支擠壓油膜阻尼器動(dòng)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(duì)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(shí)也將為彈支擠壓油膜阻尼器設(shè)計(jì)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(cè)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(gè)被試彈性支承器和一個(gè)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(cè)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(duì)試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行控制、監(jiān)測(cè)、記錄和分析等。測(cè)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(lì)的自由狀態(tài)下，被試系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)平衡方程為：

由此可得被試系統(tǒng)的計(jì)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(dòng)響應(yīng)狀態(tài)參數(shù)

被試系統(tǒng)激振力狀態(tài)與振動(dòng)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(duì)于一個(gè)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(cè)時(shí)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(gè)單向激振力等效模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)載荷時(shí)，若激振力的幅值為F0，則F0對(duì)的模擬能力應(yīng)為：

因此，激振力對(duì)發(fā)動(dòng)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(duì)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(duì)包含彈支擠壓油膜阻尼器的被試系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)，其理論模型為單質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)模型;

2）由雙通道波形發(fā)生器、兩臺(tái)單通道功率放大器組成激振載荷控制系統(tǒng)，對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相互垂直的兩臺(tái)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(tái)永磁激振器激勵(lì)下，在其自身運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng);當(dāng)兩個(gè)激振器的激振載荷與激振頻率一致、而相位相差90°時(shí)，其產(chǎn)生的兩個(gè)激振力矢量將組成一個(gè)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)件對(duì)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(lì)下產(chǎn)生的振動(dòng)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(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄;

5）通過對(duì)各種試驗(yàn)參數(shù)條件下所獲動(dòng)態(tài)信號(hào)的分析，可以揭示振動(dòng)激勵(lì)、被試系統(tǒng)、振動(dòng)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(duì)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(dòng)力特性的考核、分析與評(píng)估，并進(jìn)而為發(fā)動(dòng)機(jī)減振裝置的研制與設(shè)計(jì)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(zhǎng)度、激勵(lì)等）的動(dòng)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(dòng)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(jì)

根據(jù)所內(nèi)對(duì)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(dòng)力特性。因此，對(duì)現(xiàn)有的擠壓油膜阻尼器試驗(yàn)器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，為擠壓油膜阻尼器在不同油膜溫度和油膜壓力下的動(dòng)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(jiǎn)潔、經(jīng)濟(jì)同時(shí)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(dòng)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(jiǎn)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(gè)圓柱凸臺(tái)分別安裝壓力傳感器和溫度傳感器，監(jiān)測(cè)油膜進(jìn)口時(shí)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(duì)原有的儲(chǔ)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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?，為我所航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制提供了試驗(yàn)器支持。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李彥 《彈支擠壓油膜阻尼器試驗(yàn)器研制報(bào)告》，中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，2005，11.

[2] 唐振環(huán)《某發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子擠壓油膜阻尼器動(dòng)力特性試驗(yàn)技術(shù)要求（10-SY-0305）》，中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，2014，05.

[3]楊秋曉，譚慶昌 《擠壓油膜阻尼器試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析》，工程與試驗(yàn)，2008，04.

[4]鄧方杰 《擠壓油膜阻尼器失效問題分析》，北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，02.

[5]Changhu Xing，F(xiàn)rank Horvat，Minel J.Braun，Experimental Investigation Of The Development Of Cavitation In A Squeeze Film Damper. 2010 International Joint Tribology Conference October 17-20，201.