整体式挤压油膜阻尼器研究毕业设计开题报告.docx

学号：毕业设计（论文）开题报告论文题目：整体式挤压油膜阻尼器研究学院名称：机电工程学院 专 业：过程装备与控制工程学生姓名：导师姓名： 开题日期：2015年1月29日考核成绩审核小组成员以及职称姓 名职 称10一、题目背景和意义这次毕业设计的课题是：整体式挤压油膜阻尼器研究。自从第一篇有关转子动力学的论文由Rankine1发表以来，转子动力学作为动力学的一个独立分支得到了极大的发展。现代动力机械的发展呈现出大功率、高效率、高稳定性的发展趋势，而随着航空业和机械工业的发展，航空涡轮发动机、大功率汽轮大电机及离心压缩机的核心部件都是由轴承支撑的高速转子组成。而在高速转子系统中，振动的影响无疑是最大的。由于转子、转子轴和轴承系统的寿命决定了整台机械的寿命，因而转子系统也是决定产品性能、可靠性和结构完整性的重要因素2。在工程实践上，应用阻尼减振器不失为一种很好的办法。目前，在转子系统上应用最广泛的阻尼减振器就是基于挤压油膜应力设计的挤压油膜阻尼器（Squeeze Film Damper），简称SFD。SFD 减振技术于1962 年问世，英国Rolls Royce公司的 S.Cooper 发表了在实验研究方面的成就，没多久便在Conway发动机上得到了成功地使用，并取得了良好的减振效果。从此之后，SFD的研究和应用便获得了快速的发展3。SFD轴承作为一种新型减振阻尼器，具有结构简单、占用空间少、易制造、减振效果显著等特点，因而应用范围越来越广泛。该种阻尼器具有内外两层油膜, 由弹性环的凸台分割成多个油腔, 内外油膜通过弹性环上的渗油孔连通, 阻尼器端面带有封油胶圈, 防止滑油从端面大量泄漏。转子振动时, 通过挤压内外两层油膜, 获得阻尼从而减小振动4。但是，我们发现了SFD在应用中存在的许多问题。其中对SFD性能研究影响最大的就是转子-SFD系统非线性问题，而影响转子-SFD系统的线性和非线性因素较多，对SFD轴承结构的不断优化也是改善非线性问题的方法之一。本文将以工程应用为背景，对SFD发展过程中出现的不同结构的优劣性以及各种结构对SFD性能的影响做出对比举例，分析不同结构产生非线性的原因，分析非线性现象对SFD的影响。其中，以对最新的整体式挤压油膜阻尼器（ISFD）的研究为重点。挤压油膜阻尼器有同心型和非同心型两类。后者无定心弹簧, 阻尼器造价低, 占空间小,在相同工作条件下减振特性优于前者。但是, 这种阻尼器通常使得转子中心涡动轨道不是同心圆, 因而在理论处理上比较复杂5。二、国内外研究现状在对SFD的研究中，我们发现了以下几个比较重要的问题：1.双稳态现象双稳态现象是 SFD 支承的转子系统所具有的一个重要特征，它影响着转子系统的安全运行，许多学者对此现象进行了深入的研究，转子转速高过某一转速后，在同一转速下，可出现多个轴颈偏心率的值6。文献7、8采用协调圆响应的假设，对 SFD 稳态响应及双稳态响应的稳定性进行了分析，并得出了发生双稳态现象时的参数条件。文献9则分析了SFD的流体惯性力对系统双稳态响应的影响，并得出了结论：流体惯性力对系统在亚临界及超临界的双稳态情况下具有明显的抑制作用的。通过研究，我们已经得到了以下结论：1.带挤压油膜阻尼器转子如参数匹配不当或不平衡力较大, 容易出现双稳态现象；2 . 转子动力特性发生跳变时, 偏心率、传递率与落后相角均同时发生跳变；3 . 轴承参数过小或(和) 不平衡偏心比过大容易发生双稳态现象。同样B 值发生双稳态现象时, 不平衡偏心比U 越高, 升速时偏心率下跳的转速也越高；4适当选择轴承参数B 和控制转子不平衡量可在工作转速范围内避免出现双稳态现象具体设计中可通过适当选取阻尼器长度、间隙和弹性支承刚性来增大阻尼器轴承参数B10 。2.非线性现象转子动力学问题绝大多数是非线性问题。几十年前人们已经从油膜涡动现像中观察到了系统的非同步振动，到了80年代和90年代，非协调响应、双稳态响应和拟周期运动成为转子系统非线性动力特性的主要研究内容，尤其在对SFD的研究中发现了大量的非线性现象，人们注意到在一些情况下非线性系统与其线性化系统有着本质的差别11。非线性现象有以下几个研究方向：跳跃现象、双线性弹簧的非线性和空穴现象。对非线性的研究，首先借助Reynolds方程导出挤压油膜的压力分布,然后采用二系数法分析挤压油膜阻尼器的非线性特性。挤压油膜阻尼器所产生的油膜力是一个高度非线性的力由于客观存在着轨道偏置,刚度系数和阻尼系数都不是常值, 而是非线性变化的, 且随着轨道偏置和扁圆的加剧而变得愈加严重.理论分析和实例计算的结果都表明:它的刚度系数和阻尼系数都是非线性变化的, 是一个高度非线性的元件, 用二系数法对其进行线性化会产生很大的误差12。由于实际应用中非线性动力系统的复杂性，特别是对于高维系统，目前尚没有完善的计算分析方法，大多数有关非线性动力特性的文献都是在解析方法的基础上进行的。在非线性转子系统的动力特性分析中，轴承油膜力是主要的非线性因素，确定油膜力都采用长轴承或者短轴承、“”油膜边界假设，然后通过分部积分求出油膜力的解析表达式13。但在实际工程中，大多数非线性因素很难有解析表达式，而必须借助数值方法确定。同时，对于实际 SFD 多盘转子系统的研究很少看到，现有研究距离指导实际工程设计还有很多工作要做14。文献15通过油膜力数据库方法和短轴承理论在各种情况下对阻尼器非线性进行分析后得出各情况下非线性精度与特性。描述SFD力学特性的理论模型与实验结果相差甚大, 说明了现行的SFD 理论模型已不能很好地描述实际的SFD的动力特性SDF 内油膜是可压缩流体, 其物理特性是可变的16。3.主要结构及特性SFD自发展以来出现了以下几个主要结构：无定心弹支SFD(非同心型SFD)、O型环SFD、鼠笼支撑SFD、整体式支撑SFD(ISFD)。非同心型SFD由于由于没有定心弹支，故没有静载能力，它虽然避免了同心型SFD已出现疲劳的弊端，但该结构在未转动时轴承外环沉在底部，随着转速提高，转子轴迅速被抬起，由于没有支撑弹簧与转子重力相互抵消，易出现响应非协调2；O型环SFD的优点来源于它非常简单，易于制造，并且能够把阻尼器放进很小的外壳中。相对较低的径向空间要求，也使它成为机械领域内改造现有机械的首选方法.但是这个设计的不足之处在于，通过弹性材料，只能获得一定范围内的刚度。在材料差异、温度、频率和时间等因素对弹性材料性能的影响下，要准确的预测刚度是很困难的，同时O型环设计也容易发生蠕变；鼠笼支撑SFD广泛的应用于航空发动机中。大部分大型航空燃气轮机至少要使用一个这种阻尼器，在许多情况下，一个引擎要使用两到三个这种阻尼器。它的优点在于易于刚度建模，而且非线性程度比前述两种SFD要低。它的缺点在于鼠笼式成型定心弹支阻尼器通常需要它自身长度三到四倍的轴向空间来安装鼠笼式弹支，鼠笼式弹支也使得阻尼器端部密封的设计和组装复杂化。整体式支撑SFD作为最新的SFD结构，是以扇形区域分割油膜，阻尼器下半边区域的扇形所承受的转子自重，通过加工可以用于抵消转子自重引起的偏斜。这样的结构可以有助于吸收冲击载荷、高边缘载荷以及由于穿越临界速度和叶片损失导致的振动偏移。这种新型定心弹支挤压油膜阻尼器不需要占用轴承现有长度以外的轴向空间，且非线性得到了大幅降低17。由文献18可知对ISFD阻尼系数的预测和比较，且ISFD应用在喷气飞机引擎可以减少重量和长度，定位精确，且易于装备分散结构的检验和改造。4.油膜其他特性在特定模型下计算得出，模型的参数分析结果表明,流体惯性对油膜速度分布的影响随雷诺数的增大而增强; 油膜速度随偏心率的增大而增大19。采用ANYSY模拟出进口油压、进口油温、偏心距、轴颈转速对四瓦可倾瓦轴承油膜特性的影响。结果表明: 进口油压对油膜特性影响较小，进油温度、轴颈偏心距、轴颈转速对汽轮机可倾瓦油膜特性影响较大，故在运行中应严格监控这3个参数20。考虑惯性力后,转子系统的突加不平衡响应特性有明显的改善,突加不平衡后的瞬态振幅减小,瞬态过程缩短,且考虑惯性力后出现非协调响应的可能性减少,因而在有关挤压油膜阻尼器的分析中应考虑惯性力的影响21三、主要内容与待解决的问题1、前期准备：（1）上网查阅SFD相关文献，了解SFD的种类、各自优缺点、当前国内外对于SFD的研究方向与进展，为后续工作做铺垫；（2）书写开题报告，包括题目背景及意义、国内外研究现状、待解决的问题以及自己后续的计划；（3）查阅一篇与题目相近的外文文献，并对其进行翻译；（4）将自己所查阅的文献汇总，编写文献综述。2、ISFD动力特性分析运用理论和半理论分析的手段，结合阻尼器动态特性试验过程，对ISFD的工作原理及其理论分析方法开展进一步研究。通过计算机建模与分析计算，对ISFD动态过程进行模拟仿真。分析理论结果与试验结果误差，并对计算结果进行修正。四、设计方法与实施方案以雷诺方程为基础，利用长轴承理论Summerfeld 假设，推导出了轴承油膜力；采用短轴承近似理论Summerfeld 假设，进一步推导了ISFD油膜力。以ISFD转子为研究对象，对滑动轴承采用长轴承理论，对ISFD采用短轴承理论，以油膜假设为基础，建立了SFD-滑动轴承柔性转子的力学模型。用数值方法求解非线性微分方程，求得了系统的动力响应基于有限元法求解挤压油膜阻尼器的瞬态雷诺方程：采用伽辽金法将分解后的方程进行变分，运用有限元方法求解阻尼器的八个油膜动力特性系数。以某转子油膜阻尼器系统为对象，对比分析了阻尼器油膜动态特性数值解与短轴承模型近似解对转子系统动态特性的影响，计算得到转子挤压油膜阻尼器系统的幅频特性曲线，并与实验数据进行了比较。五、进度计划各阶段计划起止日期文献查阅、翻译、开题2015年1月12日2015年1月29日前期基础计算、计算机建模2015年3月8日2015年3月25日中期检查2015年3月25日模拟仿真、得出结果2015年4月1日2015年4月25日撰写论文并准备答辩2015年4月25日2015年5月20日六、参考文献1 Rankine W J , On the centrifugal force of rotating shaftsJ.Engineering , 1869 , 27：249-2532 夏南, 孟光. 对挤压油膜阻尼器轴承和旋转机械转子挤压油膜阻尼器轴承系统动力特性研究的回顾与展望J. 机械强度, 2002, (2):216-2243 Cooper, S., Preliminary Investigation of Oil Films for the Control of Vibration, Paper 2 8 , Lubrication and Wear Convention, Instn Mech Engrs (1963)4 曹磊, 高德平, 江和甫. 弹性环式挤压油膜阻尼器减振机理初探J. 振动工程学报, 2007, (6).5 冯心海, 傅才高, 许世安等. 非同心型挤压油膜阻尼器的试验和理论研究J. 航空动力学报, 1986, (1).6 晏砺堂, 刘方杰, 李其汉. 带定心弹支挤压油膜阻尼器刚性转子的稳态特性计算和实验研究J. 振动与冲击, 1982, (4).7 孟光，带定心弹簧的柔性转子挤压油膜减振轴承系统双稳态现象的非线性特性分析J.西北工业大学学报，1985，3（3）：371-384.8 孟光，非线性柔性转子同心型挤压油膜阻尼器系统稳态及双稳态响应的稳定性分析J，航空学报，1990，11（7）：333-340.9 郭银朝，挤压油膜阻尼器支承的柔性转子的双稳态响应特性J.振动工程学报，1997，10（1）：65-70.10 晏砺堂, 张世平, 李其汉等. 带挤压油膜阻尼器刚性转子的双稳态特性J. 航空动力学报, 1988, (2).11 Messal E E，Bonth ron R J.Subharmonic rotor instability due to elastic asymmetry. J. of Engr. for Industry，1972，94（1）：185-192.12 顾致平, 支希哲, 孟光. 挤压油膜阻尼器的非线性特性研究J. 力学与实践, 2003, (1):38-41.13 吕延军，虞烈，刘恒.基于 Reynolds 边界的滑动轴承动力学系数的计算及应用J.摩擦学学报，2004，24（1）：61-65.14 王继燕. SFD-滑动轴承转子系统动力学分析与优化D. 中国矿业大学, 201015 陈照波, 焦映厚, 陈明等. 挤压油膜阻尼器转子系统非线性动力特性分析J. 推进技术, 2001, (1):33-35.16 刘雍, 薛中擎, 朱均. 挤压油膜阻尼器内气穴现象的实验研究J. 实验力学, 1995, (3).17 Fouad Y. Zeidan , Luis San Andres , John M. Vance Design and application of squeeze film dampers in rotating machinery18 Santiago O, D S O, Santiago O D, et al. Imbalance response of a rotor supported on open-ends integral squeeze film dampersJ. Journal of Engineeri