新型擠壓油膜阻尼器的研究

新型擠壓油膜阻尼器的研究

1彈性環(huán)式擠壓油膜阻尼器ersfd飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，負(fù)荷復(fù)雜，工作環(huán)境差，在工作中可以承受各種激勵(lì)因素的作用。其中十分嚴(yán)重的激振源是由轉(zhuǎn)子不平衡量引起的同步激振，它在所有的發(fā)動(dòng)機(jī)中都不同程度地存在。如果采用高速多平面等精密的動(dòng)平衡嚴(yán)格控制不平衡量，可以減小轉(zhuǎn)子過臨界的振幅。但轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)的平衡度隨時(shí)都有可能被破壞，即使在剛開始時(shí)平衡得很好的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，隨著工作時(shí)間的增加其平衡度也會(huì)下降。在長(zhǎng)期使用的發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于熱彎曲和材料丟失將使不平衡量更加劇烈。轉(zhuǎn)子在接近或通過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，不平衡力的影響將使得轉(zhuǎn)子系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)。所以，在平衡的基礎(chǔ)上改善支承系統(tǒng)對(duì)不平衡量的敏感性，達(dá)到振動(dòng)控制的目的，以改善轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)動(dòng)力特性。當(dāng)前廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的擠壓油膜阻尼器(SFD)屬于振動(dòng)被動(dòng)控制，該技術(shù)具有減振效果明顯、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低等突出優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)的SFD還存在一些缺點(diǎn)，如：油膜剛度的高度非線性特性導(dǎo)致的雙穩(wěn)態(tài)、鎖死和非協(xié)調(diào)進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象，這些現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)過大甚至碰摩、疲勞，限制了SFD的使用和適用范圍。為了發(fā)揮傳統(tǒng)SFD的優(yōu)點(diǎn)并改善SFD油膜剛度的高度非線性特性，俄羅斯研究出了一種新型的擠壓油膜阻尼器。這種新型的擠壓油膜阻尼器稱為彈性環(huán)式擠壓油膜阻尼器(ERSFD)，它將彈性環(huán)與SFD有機(jī)地結(jié)合了起來。ERSFD結(jié)構(gòu)最早用于俄羅斯的АЛ-31Φ發(fā)動(dòng)機(jī)上，但在其他國(guó)家還未見有發(fā)動(dòng)機(jī)采用過這種結(jié)構(gòu)，所以有關(guān)這方面的報(bào)道很少。本文在大量的理論和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)該種支承阻尼器的減振機(jī)理進(jìn)行了初步探索。2彈性環(huán)和封油膠圈彈性環(huán)式擠壓油膜阻尼器是將彈性環(huán)置于軸頸表面與軸承座之間并充油，形成內(nèi)外兩個(gè)油腔。彈性環(huán)的凸臺(tái)將內(nèi)外油腔分割成多個(gè)小油腔，凸臺(tái)間的環(huán)段上打有滲油孔連通內(nèi)外油腔。阻尼器的兩端裝有封油膠圈。ERSFD的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。3besfd壓力控制方程3.1油動(dòng)力粘度及內(nèi)油膜初始間隙的確定根據(jù)參考文獻(xiàn)，高度為h的微元柱的沿周向(X向)和軸向(Z向)的體積流量分別為：式中：h為油膜厚度；p為油膜壓力；η為滑油動(dòng)力粘度；U為周向速度且U=-2RΩ，R為油膜半徑，Ω為軸頸渦動(dòng)頻率。對(duì)于內(nèi)油膜h=C+r(θ)+ecosθ，外油膜h=C-r(θ)，其中C為油膜初始間隙，r(θ)為彈性環(huán)變形量，e為軸頸偏心率。將油膜用差分網(wǎng)格離散，通過流體微元控制單元體邊界的體積流量應(yīng)滿足下述流量控制方程：式中：Q0為由內(nèi)油腔流向外油腔的體積流量，Qi為通過單元體邊界的體積流量。3.2軸向邊界條件的選取周向邊界條件為Renolds邊界條件。根據(jù)有無端面封油膠圈和滲油孔可以選取不同的軸向邊界條件。有封油膠圈類似于傳統(tǒng)SFD長(zhǎng)軸承理論的邊界條件，無封油膠圈類似于傳統(tǒng)SFD有限長(zhǎng)軸承理論的邊界條件。4固支梁模型彈性環(huán)凸臺(tái)處的間隙很小，其整體的橢圓變形很小，可將凸臺(tái)之間的環(huán)段視為固支-固支梁(如圖2所示)。根據(jù)材料力學(xué)公式有：當(dāng)x<a時(shí)，當(dāng)x=a時(shí)，當(dāng)x>a時(shí)，上面幾式中：E為材料的彈性模量，I為截面慣性矩，將環(huán)段用有限元模擬，根據(jù)以上諸式可以求得環(huán)段的柔度矩陣，結(jié)合油膜壓力控制方程就可以對(duì)問題進(jìn)行求解。5有滲油孔的ersfd根據(jù)不同的邊界條件，將ERSFD分為四種：(1)無封油膠圈，無滲油孔的ERSFD;(2)無封油膠圈，有滲油孔的ERSFD;(3)有封油膠圈，無滲油孔的ERSFD;(4)有封油膠圈，有滲油孔的ERSFD。四種ERSFD的油膜壓力分布分別見圖3～圖6。6有封油膠圈的情況下，各滲心率對(duì)于ersfd在參數(shù)一致的情況下將ERSFD的油膜力特性與傳統(tǒng)SFD的油膜力特性進(jìn)行對(duì)比，如圖7、圖8所示。從圖中可以看出：ERSFD等效剛度的非線性程度較SFD有很大的改善，在較大的偏心率范圍都呈現(xiàn)線性特性；在無封油膠圈的情況下，有無滲油孔對(duì)ERSFD的等效剛度和等效阻尼影響不大；在有封油膠圈的情況下，等效剛度和等效阻尼明顯高于無封油膠圈的情況；在有封油膠圈的情況下，有滲油孔的ERSFD表現(xiàn)出更好的線性剛度特性，但等效阻尼隨偏心率的變化不大。由此可見，有封油膠圈和滲油孔的ERSFD不僅能夠很好地改善油膜剛度的非線性特性，還能提供較大的阻尼以減小振動(dòng)。7結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)ersfd剛性和衰減的影響7.1孔徑和滲油孔的油由圖9和圖10可見，隨著孔徑的增加，等效剛度降低，而等效阻尼增加。這是由于隨著孔徑的增加，流過滲油孔的油增多，減小了油膜壓力的增加，從而降低了油膜剛度；但同時(shí)通過滲油孔的油帶走了更多的振動(dòng)能量，因而阻尼增加。但從剛度降低或阻尼增加的絕對(duì)值來看，降低或增加的幅值都不是很大，孔徑最終的大小還要視彈性環(huán)高周疲勞的要求而定。8高周疲勞儲(chǔ)備系數(shù)的確定彈性環(huán)工作時(shí)，受到脈動(dòng)油膜壓力的作用，必須考慮其高周疲勞壽命。下面給出高周疲勞壽命設(shè)計(jì)的步驟：(1)根據(jù)凸臺(tái)的高度確定彈性環(huán)最大可能的變形量；(2)通過接觸應(yīng)力計(jì)算，確定最大應(yīng)力的大小和發(fā)生的位置；(3)通過Goodman曲線，確定最大許用交變應(yīng)力；(4)計(jì)算高周疲勞儲(chǔ)備系數(shù)，一般選取2作為最小允許的高周疲勞儲(chǔ)備系數(shù)。對(duì)于彈性環(huán)的高周疲勞壽命設(shè)計(jì)，前人已經(jīng)做了大量工作，俄羅斯的專家給出了彈性環(huán)設(shè)計(jì)的參數(shù)表。9彈性環(huán)作用下，轉(zhuǎn)子軸頸偏偏干系統(tǒng)由以上分析可了解ERSFD的減振機(jī)理：彈性環(huán)將傳統(tǒng)SFD的油腔分割為多個(gè)較小的油腔，在不平衡力的作用下，轉(zhuǎn)子軸頸偏離中心擠壓彈性環(huán)，在各小油腔形成小的擠壓油膜；隨著不平衡力的增加，油膜壓力增大，彈性環(huán)變形增加，相當(dāng)于從動(dòng)地增加了內(nèi)油膜間隙，減小了外油膜間隙，這樣就降低了內(nèi)油膜壓力，升高了外油膜壓力，直至系統(tǒng)穩(wěn)定。正是這種復(fù)雜的流固耦合作用改善了油膜剛度的非線性，獲得了較大的油膜阻尼。10凸臺(tái)高度對(duì)等效剛度和等效阻尼的影響ERSFD能很好