弹支挤压油膜阻尼器试验器改进设计研究

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、工作原理、基本功能及其不足之处;提出了挤压油膜阻尼器试验器的改进设计方案并改进了现有试验器;在此基础上，进行了挤压油膜阻尼器动力特性试验，证明了改进设计方案有效。

关键词：挤压油膜阻尼器;动力特性;试验器;改进设计

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，并可以有效地減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。

因此，采用专门的试验手段和设备，对弹支挤压油膜阻尼器的动态特性进行分析和研究，有利于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 现有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和测试控制系统两大部分组成。

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。

2.2试验器的工作原理

试验器的具体工作原理如下：

1）被试系统理论固有频率f0

在无阻尼、无激励的自由状态下，被试系统的动力学平衡方程为：

由此可得被试系统的计算固有频率应为：

其中K、M分别为被试系统中弹支的静态刚度系数和惯性芯棒的质量;

2）被试系统激振力状态与振动响应状态参数

被试系统激振力状态与振动响应状态由图2.3所示的参数进行描述;各状态参数间存在以下关系：

芯棒质心横向位移响应相位角：

对于一个结构参数确定的被试系统，Fx、Fy、ux、uy、α、β是激振频率ω和观测时刻t的函数，而Fr、ur、Cu以及θ的值及其相互之间的关系则仅随激振频率ω的变化而变化;

3）等效旋转载荷的模拟能力

采用两个单向激振力等效模拟发动机的旋转载荷时，若激振力的幅值为F0，则F0对的模拟能力应为：

因此，激振力对发动机转子的不平衡载荷的模拟能力将随转子的转速而变化，且与转子转速的平方呈反比关系。

由于本试验器的激振器的极限输出能力为F0=400N，故此，激振力对不同转速下不平衡载荷的模拟能力将按照表2.1所示规律变化。

2.3 试验器的基本功能

试验器的基本功能在于对包含弹支挤压油膜阻尼器的被试系统进行动力特性试验分析，其要点如下：

1）被试系统为由激振装置、惯性芯棒、弹性支承器与挤压油膜阻尼器组成的单自由度振动系统，其理论模型为单质点振动模型;

2）由双通道波形发生器、两台单通道功率放大器组成激振载荷控制系统，对运动方向相互垂直的两台永磁激振器进行载荷控制，包括激振频率、激振力幅值和激振力的相位角等参数进行控制;

3）被试系统在方向相互垂直的两台永磁激振器激励下，在其自身运动平面内进行强迫振动;当两个激振器的激振载荷与激振频率一致、而相位相差90°时，其产生的两个激振力矢量将组成一个幅值恒定、方向角不断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;

4）试验过程中，能够对激振器产生的激振力矢量、被试系统在激振力激励下产生的振动加速度响应、被试弹支中弹条产生的应变响应等动态信号进行实时监测与记录;

5）通过对各种试验参数条件下所获动态信号的分析，可以揭示振动激励、被试系统、振动响应三者之间的影响关系及其变化规律，从而实现对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考核、分析与评估，并进而为发动机减振装置的研制与设计提供必要的试验依据。

通过改变被试系统的结构，该实验器能完成挤压油膜阻尼器在常温常压下不同试验参数（油膜间隙、油膜半径、油膜承载长度、激励等）的动态特性试验。然而，该试验器也有不完善之处，就是缺少一套稳定的供油系统，不能完成变油温油压下的动态特性试验。

3 挤压油膜阻尼器试验器的改进设计

根据所内对挤压油膜阻尼器试验器试验能力发展的迫切需求（如文献2所述），亟待了解挤压油膜阻尼器在不同油膜温度和油膜压力下的动力特性。因此，对现有的挤压油膜阻尼器试验器进行改进设计，为挤压油膜阻尼器在不同油膜温度和油膜压力下的动力特性试验提供试验器支持。

3.1 挤压油膜阻尼器试验器的改进方案

在本着简洁、经济同时又能滿足试验能力要求的原则下，结合现有可调动的试验设备资源，将一套独立的油源系统与现有弹支挤压油膜阻尼器试验器进行组合，作为其供油系统。该油源系统技术指标为油温：常温～130℃，油压：0～1MPa，其油泵和本地控制系统都集成在油源车上，与现有试验器组合方便简单。油源系统供油结构原理见图3.1。

油源系统和被试系统是通过如图3.2所示的油管接头相连接起来，油管接头一端是M8的螺纹管，与图3.3所示的挤压油膜阻尼器外环相连，另一端为M22的螺纹口，与油源系统的供油管相连。中间两个圆柱凸台分别安装压力传感器和温度传感器，监测油膜进口时的压力和温度。

由于进口油膜具有一定的压力，使滑油流量增大，则需对原有的储油槽进行扩孔排流，通过油管将其引回油箱。

由于油源系统是一套独立的控制系统，因此试验器在改进之后其工作原理和工作方式没有发生变化，只是试验器的基本功能在原有的基础上多了供油系统能为其提供在一定范围内变化的油温和油压。改进后挤压油膜阻尼器试验器整体外观图如图3.4所示。

3.2 试验器改进后的试验能力

为验证试验器改进是否有效，进行了相关的挤压油膜阻尼器动力特性试验。图3.5给出了挤压油膜阻尼器在恒定压力下不同温度的幅频特性曲线，图3.6则为恒定温度下不同压力的幅频特性曲线图。

试验过程中，油膜进口压力在0～1MPa之间变化和温度在常温～90℃之间变化都比较稳定，控制精度较高，滑油循环流动性也比较稳定。试验表明改进后的挤压油膜阻尼器试验器能够完成一定范围内不同油膜压力和油膜温度下的动力特性试验。

4 总结

本文首先介绍了现有挤压油膜阻尼器试验器的结构特点、工作原理、基本功能以及不足之处。然后，提出了试验器的改进方案，并改进了现有试验器。最终，顺利完成了挤压油膜阻尼器在不同油膜温度和油膜压力下的动力特性试验，验证了试验器改进方案的有效性，提高了现有挤压油膜阻尼器试验器的试验能力，为我所航空发动机的研制提供了试验器支持。

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 17-20，201.