李兵，程定春，江志敏

（1.北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，北京100191；2.四川成發(fā)航空科技股份有限公司，成都610503；3.中國燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500）

彈性環(huán)式擠壓油膜阻尼器-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力特性試驗(yàn)研究

李兵1，程定春2，江志敏3

（1.北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，北京100191；2.四川成發(fā)航空科技股份有限公司，成都610503；3.中國燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500）

彈性環(huán)式擠壓油膜阻尼器（ERSFD）將減振與調(diào)頻功能融為一體，既保留了擠壓油膜阻尼器（SFD）的優(yōu)點(diǎn)，又改善了SFD的油膜非線性特性，具有較好的應(yīng)用前景。以數(shù)值分析為輔、試驗(yàn)手段為主，分析了ERSFD-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在彈性環(huán)凸臺高度、供油條件、滑油溫度和不平衡量等因素影響下的動力學(xué)特性，并綜合各因素的影響結(jié)果，得出了試驗(yàn)的三種彈性環(huán)凸臺高度中，彈性環(huán)凸臺高度較小的ERSFD支承下，轉(zhuǎn)子的動力特性較為理想。

擠壓油膜阻尼器；彈性環(huán)；轉(zhuǎn)子；動力特性；支撐剛度；流固耦合

1　引言

俄羅斯研究人員將彈性環(huán)與擠壓油膜阻尼器（SFD）相結(jié)合，發(fā)展出了彈性環(huán)式擠壓油膜阻尼器（ERSFD），并成功應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)。ERSFD中彈性環(huán)將油腔分為內(nèi)外油腔，既充分發(fā)揮了SFD減振效果明顯、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低等突出優(yōu)點(diǎn)，又改善了其油膜剛度的高度非線性，具有更好的減振性能，并在俄制航空發(fā)動機(jī)中得到廣泛使用［1］。

國內(nèi)學(xué)者對ERSFD減振機(jī)理進(jìn)行了大量研究。周明等［2-4］通過建立ERSFD油膜壓力場的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行求解，初步分析了ERSFD的減振機(jī)理。洪杰等［5］基于有限元擠壓油膜理論，對ERSFD的彈性環(huán)支承剛度、油膜壓力場分布和油膜阻尼等特性進(jìn)行了研究。曹磊和高德平等［6-7］從彈性環(huán)的剛度特性、ERSFD油膜力特性和ERSFD轉(zhuǎn)子動力特性三個方面，對ERSFD的減振機(jī)理進(jìn)行了研究，并分析了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速特性。呂曉光等［8］建立了擠壓油膜阻尼器-滑動軸承-柔性轉(zhuǎn)子非線性系統(tǒng)的動力學(xué)模型并求解，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和分叉行為進(jìn)行研究?？嫡佥x等［9］提出了考慮外層油膜剪切效應(yīng)的彈性環(huán)式擠壓油膜系統(tǒng)的新的三維動力學(xué)模型。

上述研究大多基于理論基礎(chǔ)，為更直接研究ERSFD的減振機(jī)理，本文考慮ERSFD中彈性環(huán)與油膜的流固耦合作用，從數(shù)值和試驗(yàn)兩方面，對ERSFD-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力特性進(jìn)行分析。

2　ERSFD-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)數(shù)值分析

2.1前支點(diǎn)的非線性分析

對于前支點(diǎn)，其支承剛度非線性主要來自軸承和ERSFD油膜非線性特性。在ERSFD設(shè)計(jì)中，凸臺高度設(shè)計(jì)過低，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)只能在較小的不平衡量下才能正常工作，不平衡量一旦超過允許值范圍，將導(dǎo)致ERSFD剛度呈非線性趨勢突增，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不穩(wěn)定工作；凸臺設(shè)計(jì)過高，其油膜阻尼會大大降低，使得ERSFD作為阻尼器的作用變小，阻尼孔處流體高速流動產(chǎn)生的沖擊力會影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)產(chǎn)生非線性，導(dǎo)致整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動變大。此外，供油壓力、溫度及端面密封情況，均會帶來一定的非線性影響。

2.2ERSFD的剛度特性

通過建立ERSFD流固耦合有限元模型，對ERSFD的剛度進(jìn)行分析計(jì)算。模型由流體模型和結(jié)構(gòu)模型通過流固耦合邊界條件連接在一起。

2.2.1彈性環(huán)只受機(jī)械載荷時的剛度

彈性環(huán)僅在機(jī)械載荷作用下，對其使用帶厚度的平面應(yīng)力單元進(jìn)行有限元二維計(jì)算。取彈性環(huán)的整圈模型，建立兩個剛性的圓圈分別模擬軸承外環(huán)和軸承座內(nèi)環(huán)。對外環(huán)固支，在內(nèi)環(huán)上施加X方向δ=0.2 mm的強(qiáng)迫位移模擬最大振幅，求得X方向的支反力F，再由公式K=F/δ計(jì)算得到剛度。從表1中可看出，只考慮機(jī)械載荷時，彈性環(huán)剛度隨凸臺高度的增加而逐漸變大，使得前支點(diǎn)剛度隨凸臺高度的增大而增大。

2.2.2ERSFD剛度

通過流固耦合方法計(jì)算，可得到ERSFD在軸頸渦動強(qiáng)迫位移和流體壓強(qiáng)共同作用下，彈性環(huán)的變形情況及彈性環(huán)內(nèi)、外凸臺處與軸承座和剛性支座接觸產(chǎn)生的接觸力，進(jìn)而得到ERSFD在相應(yīng)偏心距下的剛度。

表1　只考慮機(jī)械載荷下彈性環(huán)剛度計(jì)算結(jié)果Table 1 Stiffness of elastic ring under mechanical load

表2　流固耦合作用下彈性環(huán)式擠壓油膜阻尼器剛度計(jì)算結(jié)果Table 2 Stiffness of elastic ring under the fluid-solid coupling effect

圖1　不同載荷下的彈性環(huán)變形Fig.1 Deformation of elastic ring under the different loads

從表2和圖1可看出，流體對彈性環(huán)的變形影響較大，ERSFD在考慮流固耦合作用下，其剛度隨著軸頸偏心距的變化呈現(xiàn)出非線性變化；剛度與凸臺高度間不存在線性關(guān)系，0.5 mm凸臺高度下ERSFD剛度隨載荷變化較線性，其剛度特性表現(xiàn)最好。

2.3轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對剛度的敏感度

試驗(yàn)轉(zhuǎn)子共有兩個支點(diǎn)，后支點(diǎn)為鼠籠彈支，其剛度K2=3.07×107N/m；前支點(diǎn)為ERSFD和鼠籠彈支。通過改變前支點(diǎn)支承剛度K1，分析線性支承下轉(zhuǎn)子對前支點(diǎn)剛度的敏感度。

由圖2中計(jì)算結(jié)果分析，轉(zhuǎn)子一階、二階臨界轉(zhuǎn)速隨K1的增大而變大，二階臨界轉(zhuǎn)速與K1呈線性變化，K1變化對一階臨界轉(zhuǎn)速影響較大。轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速對K1變化的敏感度逐漸減弱，K1越大，轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速變化率越小。

圖2　轉(zhuǎn)子動力特性對前支點(diǎn)支承剛度的敏感度Fig.2 The sensitivity results of rotor dynamic characteristics for the stiffnessK1

3　試驗(yàn)分析

3.1試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)轉(zhuǎn)子及設(shè)備見圖3。通過改變彈性環(huán)凸臺高度、供油條件等，獲取試驗(yàn)轉(zhuǎn)子不平衡量分別為0（≯3 g·cm）、20 g·cm、50 g·cm、80 g·cm四個等級載荷下轉(zhuǎn)子動力響應(yīng)的影響規(guī)律，并以此分析ERSFD凸臺高度、供油條件和滑油溫度對轉(zhuǎn)子動力特性的影響。

圖3　臨界轉(zhuǎn)速模擬試驗(yàn)器Fig.3 The tester of critical speed

3.2ERSFD無油狀態(tài)轉(zhuǎn)子的動力特性

從圖2、圖4可以看出，第一個臨界峰值在8 000 r/min附近，與理論計(jì)算僅考慮鼠籠剛度時轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速基本一致；前支點(diǎn)的剛度為鼠籠與彈性環(huán)的并聯(lián)剛度，當(dāng)不平衡量增大時，彈性環(huán)變形增加，保持接觸狀態(tài)的凸臺數(shù)目減少，彈性環(huán)剛度對支點(diǎn)剛度的貢獻(xiàn)減少，前支點(diǎn)的剛度減小，故隨著不平衡量的增大，一階峰值轉(zhuǎn)速隨之呈減小趨勢。凸臺高度越低，相應(yīng)的一階峰值頻率越低，前支點(diǎn)剛度也越小，但采用0.5 mm凸臺高度彈性環(huán)，有利于調(diào)整前支點(diǎn)剛度在合理范圍內(nèi)，且隨著不平衡量變化平緩，一階峰值頻率變化也較平緩。圖5所示轉(zhuǎn)子振動響應(yīng)也證實(shí)了理論計(jì)算的正確性。

圖4　轉(zhuǎn)子一階峰值頻率隨不平衡量的變化Fig.4 The first order peak frequency of rotor vary with unbalance

圖5　轉(zhuǎn)子不平衡量為20 g·cm時前支點(diǎn)處的振動響應(yīng)Fig.5 Vibration response atK1（20 g·cm）

3.3不同供油溫度下轉(zhuǎn)子的動力特性

從圖6（a）中結(jié)果可以看出，在ERSFD彈性環(huán)之間充滑油時，三種凸臺高度的ERSFD支承下，轉(zhuǎn)子一階峰值頻率均表現(xiàn)出一定的非線性特性，但頻率波動范圍較小。與圖6（b）相比較可以看出，隨著滑油溫度的變化，0.2 mm、0.5 mm凸臺高度的ERSFD支承下，轉(zhuǎn)子一階峰值頻率較為穩(wěn)定，具有較好的動力特性；而0.8 mm凸臺高度的ERSFD支承下，轉(zhuǎn)子一階峰值頻率變化較大，動力特性較差。與圖4相比較可以看出，在彈性環(huán)之間充滿滑油時，轉(zhuǎn)子一階峰值頻率增加，說明轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，油膜剛度的存在使得整個前支點(diǎn)的剛度增加。對于ERSFD系統(tǒng)，控制其剛度的關(guān)鍵因素是彈性環(huán)的剛度和油膜剛度，而這兩者又相互影響：不平衡量增大，軸頸偏心率增大，彈性環(huán)變形增大，凸臺接觸數(shù)量較少，彈性環(huán)剛度減小；油膜剛度增加，但油膜剛度增加相對彈性環(huán)剛度減小占優(yōu)，故支點(diǎn)剛度總體上呈上升趨勢，所以導(dǎo)致轉(zhuǎn)子一階峰值頻率增大。

圖6　臨界轉(zhuǎn)速隨不平衡量的變化曲線Fig.6 The curve of critical speed vary with unbalance

表3給出了不同凸臺高度彈性環(huán)支承下，前支點(diǎn)在不同滑油溫度下的振幅?？梢?，0.2 mm、0.8 mm凸臺高度對應(yīng)的前支點(diǎn)振幅隨溫度的升高而變大，0.5 mm凸臺高度對應(yīng)的前支點(diǎn)振幅相對變化較小，ERSFD具有較好的阻尼效果?；蜏囟冗^高會使其粘度顯著下降，一方面會導(dǎo)致潤滑和冷卻效果不佳，另一方面會減弱擠壓油膜阻尼器的減振效果，但相比于無油狀態(tài)，可以看出充油后ERSFD的阻尼效果。另外，試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)凸臺高度較低時，不平衡量增大到一定值，彈性環(huán)會產(chǎn)生碰摩，ERSFD的非線性會激增。

表3　轉(zhuǎn)子不平衡量為20 g·cm時前支點(diǎn)的振幅Table 3 The amplitude ofK1（20 g·cm）

4　結(jié)論

本文考慮了ERSFD中彈性環(huán)與油膜的流固耦合作用，通過理論分析與試驗(yàn)得出如下結(jié)論：

（1）ERSFD中不充油時，前支點(diǎn)剛度隨凸臺高度在一定范圍內(nèi)增加而變大。

（2）凸臺高度較低時，ERSFD中油膜特性表現(xiàn)占優(yōu)，凸臺高度較大時，彈性環(huán)剛度特性表現(xiàn)占優(yōu)。本文研究中，凸臺高度為0.5 mm的彈性環(huán)，能有效改善油膜的非線性特性，在該凸臺高度的ERSFD支承下，轉(zhuǎn)子的動力特性及其阻尼效果最佳。

（3）試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，利用流固耦合模型對ERSFD進(jìn)行數(shù)值分析具有較好的準(zhǔn)確性。

（4）ERSFD中滑油溫度過高會使其粘度顯著下降，減弱擠壓油膜阻尼器的減振效果，但對一階臨界轉(zhuǎn)速影響相對較小。

［1］聞邦椿，顧家柳，夏松波，等.高等轉(zhuǎn)子動力學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999：270—272.

［2］周明，李其漢，晏礪堂.彈性環(huán)式擠壓油膜阻尼器減振機(jī)理研究（1）—彈性環(huán)式擠壓油膜阻尼器減振機(jī)理模型［J］.燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，1998，11（4）：19—23.

［3］周明，李其漢，晏礪堂.彈性環(huán)式擠壓油膜阻尼器減振機(jī)理研究（2）—彈性環(huán)式擠壓油膜阻尼器油膜力特性的求解［J］.燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，1999，12（1）：30—33.

［4］周明，李其漢，晏礪堂.彈性環(huán)式擠壓油膜阻尼器油膜力特性研究［J］.燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，1998，11（3）：17—23.

［5］洪杰，鄧吟，張大義.彈性環(huán)式擠壓油膜阻尼器動力設(shè)計(jì)方法［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，32（6）：649—653.

［6］曹磊，高德平，江和甫.彈性環(huán)式擠壓油膜阻尼器減振機(jī)理初探［J］.振動工程學(xué)報(bào)，2007，20（6）：584—588.

［7］曹磊，高德平，江和甫.彈性環(huán)擠壓油膜阻尼器-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速特性［J］.推進(jìn)技術(shù)，2008，29（2）：235—239.

［8］呂曉光，趙玉成，盧紀(jì).擠壓油膜阻尼器-滑動軸承-柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力響應(yīng)分析［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2007，24（3）：46—49.

［9］康召輝，任興民，王鷙.彈性環(huán)式擠壓油膜系統(tǒng)新的三維動力學(xué)模型［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2009，31（6）：892—895.

Experiment study on dynamic characteristics of elastic ring squeeze film damper rotor system

LI Bing1，CHENG Ding-chun2，JIANG Zhi-min3
（1.School of Energy and Power Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China；2.AVIC Chengdu Engine（Group）Co.LTD，Chengdu 610503，China；3.China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China）

Elastic ring squeeze film damper（ERSFD）integrates the functions of damping and frequency modulation（FM）.It not only retains the advantages of squeeze film dampers（SFD），but also improves the film nonlinear characteristics of SFD，which has good application prospects.Based on means of trials，supplemented by numerical analysis，the dynamic characteristics of ERSFD-rotor system were analyzed under the influence of different factors，including an elastic ring bossed height，fuel conditions，the oil temperature and unbalance.Synthesizing from the outcomes of rotor dynamic characteristics affected by different factors，it is found that the dynamic characteristics of the rotor system are better supported by smaller elastic ring bossed height among three elastic ring boss heights.

squeeze oil film damper；elastic ring；rotor；dynamic characteristics；supporting stiffness；fluid-solid coupling

V231.96

A

1672-2620（2015）04-0019-04

2014-11-04；

2015-08-10

李兵（1988-），男，四川射洪人，碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)楹娇瞻l(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度振動。