楊竹安 崔東澤 王小峰

關(guān)鍵詞：葉片振動(dòng);氣膜阻尼;開放式;振動(dòng)特性;試驗(yàn)研究

1概述

航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)問題是發(fā)動(dòng)機(jī)疲勞損傷故障的常見原因，由振動(dòng)引起的故障占發(fā)動(dòng)機(jī)總故障的60%以上，而葉片振動(dòng)引起的故障又占總振動(dòng)故障的70%以上。為此，必須進(jìn)行葉片減振設(shè)計(jì)，以解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)疲勞損傷問題，從而有效延長(zhǎng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的維修周期，降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)成本。氣膜阻尼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工、且能夠?qū)Χ嚯A振動(dòng)進(jìn)行有效抑制，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片抑振方面具有較廣闊的應(yīng)用前景。

本文建立帶氣膜阻尼結(jié)構(gòu)的平板模型，采用非接觸式激光測(cè)振系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，通過分析氣膜阻尼結(jié)構(gòu)的抑振性能，獲得了氣膜阻尼參數(shù)對(duì)其抑振效果的影響規(guī)律，為氣膜阻尼技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

2帶氣膜阻尼平板結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行振動(dòng)分析時(shí)，帶氣膜阻尼結(jié)構(gòu)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片可簡(jiǎn)化為帶氣膜阻尼結(jié)構(gòu)的懸臂平板模型，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在平板上覆蓋一吸振薄板，在平板與吸振薄板之間形成一個(gè)很薄的氣膜，當(dāng)平板受到外部激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)覆蓋的吸振薄板振動(dòng)。二者會(huì)擠壓氣膜內(nèi)的空氣快速運(yùn)動(dòng)，由于空氣為黏性流體，通過慣性運(yùn)動(dòng)和黏性耗散振動(dòng)能量，從而產(chǎn)生阻尼效應(yīng)。

3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

針對(duì)帶氣膜阻尼結(jié)構(gòu)的平板模型開展試驗(yàn)研究，分析氣膜阻尼結(jié)構(gòu)的抑振效果和影響因素。

3.2試驗(yàn)設(shè)備

帶氣膜平板尺寸參考文獻(xiàn)[8]的結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)，材料為TC4，設(shè)計(jì)不同安裝位置和不同結(jié)構(gòu)尺寸的帶氣膜阻尼平板模型。

采用RC-3000振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)為試驗(yàn)平臺(tái)，通過非接觸式激光測(cè)振系統(tǒng)測(cè)量并記錄平板的振動(dòng)響應(yīng)，如圖2所示。采用鋁合金板狀?yuàn)A具進(jìn)行夾持，為保證測(cè)量精度，鋁合金板狀?yuàn)A具的共振頻率遠(yuǎn)大于待測(cè)平板的共振頻率。

4試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1氣膜阻尼抑振性能分析

圖3為實(shí)心平板與帶氣膜阻尼平板振動(dòng)性能比較。圖中，實(shí)心平板的第1階固有頻率為60Hz左右，第2階固有頻率為380Hz左右。

由圖可知，氣膜阻尼對(duì)平板的各階振動(dòng)均有較好的抑制效果。帶氣膜阻尼平板的共振振頻率相比于實(shí)心平板發(fā)生了后移;對(duì)比圖3（a）（b）：平板振幅越大，氣膜阻尼的抑振性能就越強(qiáng)。

4.2安裝位置對(duì)平板抑振效果的影響

圖4（a）為不同安裝位置的帶氣膜阻尼平板，圖4（h）為激振加速度20m/s2時(shí)，氣膜安裝位置對(duì)平板振動(dòng)的計(jì)算結(jié)果。

由圖4（b）可知，氣膜安裝在不同位置，均能有效地抑制平板振動(dòng)。由于實(shí)心平板自由端的振幅最大，當(dāng)氣膜安裝在靠近平板自由端處，其抑振效果最好。此外，氣膜阻尼也表現(xiàn)出半主動(dòng)抑振的性能，即平板振動(dòng)越劇烈，抑振效果越好。帶氣膜阻尼安裝位置離平板自由端越遠(yuǎn)，帶氣膜阻尼平板1階共振頻率越高。

在平板相同位置安裝不同長(zhǎng)度的氣膜，由圖5可知，氣膜長(zhǎng)度為80mm時(shí)，其抑振效果最為明顯，因此，氣膜存在最優(yōu)長(zhǎng)度，超過或小于該長(zhǎng)度都會(huì)降低氣膜阻尼的抑振效果。此外，氣膜長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其1階共振頻率后移現(xiàn)象越明顯。

4.4氣膜厚度對(duì)平板抑振效果的影響

采用文獻(xiàn)[11]中的簡(jiǎn)化模型推導(dǎo)得出的能量耗散方程，與本文的試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下阻尼比與氣膜厚度的關(guān)系圖6所示。

在氣膜厚度為0. 2mm到0.8mm范圍內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果較為吻合。當(dāng)氣膜厚度為0. 2mm時(shí)，阻尼比與氣膜厚度的平方成反比。

采用Levenberg-Marquarch算法對(duì)圖（8）數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合，發(fā)現(xiàn)阻尼比與氣膜厚度符合負(fù)的冪指數(shù)（Allometric-1）模型：

a、b均為常數(shù)，其中a在理論分析與試驗(yàn)分析中差異不大。而冪指數(shù)b則有較大不同，理論分析中為2.4，試驗(yàn)分析中為1.9。這一差異是因?yàn)椋豪碚摲治龅贸龅氖抢硐霔l件下的阻尼比，試驗(yàn)的影響因素較多會(huì)產(chǎn)生一定誤差。

5結(jié)論

通過對(duì)帶氣膜阻尼結(jié)構(gòu)的平板的試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

（1）氣膜阻尼對(duì)平板的各階振動(dòng)均有良好的抑制效果。同時(shí)也表現(xiàn)出半主動(dòng)抑振特性，即：平板振動(dòng)越劇烈，氣膜阻尼的抑振作用越明顯。

（2）對(duì)于帶氣膜阻尼的平板，氣膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)如長(zhǎng)度、厚度、安裝位置以及平板的振動(dòng)頻率都會(huì)影響氣膜阻尼的抑振效果。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可結(jié)合實(shí)際工況選擇氣膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及安裝位置，可得到最優(yōu)的抑振效果。

（3）通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，阻尼比與氣膜厚度符合負(fù)的冪指數(shù)模型。

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