新型挤压油膜阻尼器的研究

新型挤压油膜阻尼器的研究

1弹性环式挤压油膜阻尼器ersfd飞机发动机转向的结构复杂，负荷复杂，工作环境差，在工作中可以承受各种激励因素的作用。其中十分严重的激振源是由转子不平衡量引起的同步激振，它在所有的发动机中都不同程度地存在。如果采用高速多平面等精密的动平衡严格控制不平衡量，可以减小转子过临界的振幅。但转子支承系统的平衡度随时都有可能被破坏，即使在刚开始时平衡得很好的转子系统，随着工作时间的增加其平衡度也会下降。在长期使用的发动机中，由于热弯曲和材料丢失将使不平衡量更加剧烈。转子在接近或通过临界转速时，不平衡力的影响将使得转子系统产生剧烈的振动。所以，在平衡的基础上改善支承系统对不平衡量的敏感性，达到振动控制的目的，以改善转子系统的稳态和瞬态动力特性。当前广泛应用于航空发动机的挤压油膜阻尼器(SFD)属于振动被动控制，该技术具有减振效果明显、结构简单、可靠性高、成本低等突出优点。但传统的SFD还存在一些缺点，如：油膜刚度的高度非线性特性导致的双稳态、锁死和非协调进动现象，这些现象的发生会使转子系统振动过大甚至碰摩、疲劳，限制了SFD的使用和适用范围。为了发挥传统SFD的优点并改善SFD油膜刚度的高度非线性特性，俄罗斯研究出了一种新型的挤压油膜阻尼器。这种新型的挤压油膜阻尼器称为弹性环式挤压油膜阻尼器(ERSFD)，它将弹性环与SFD有机地结合了起来。ERSFD结构最早用于俄罗斯的АЛ-31Φ发动机上，但在其他国家还未见有发动机采用过这种结构，所以有关这方面的报道很少。本文在大量的理论和试验研究的基础上，对该种支承阻尼器的减振机理进行了初步探索。2弹性环和封油胶圈弹性环式挤压油膜阻尼器是将弹性环置于轴颈表面与轴承座之间并充油，形成内外两个油腔。弹性环的凸台将内外油腔分割成多个小油腔，凸台间的环段上打有渗油孔连通内外油腔。阻尼器的两端装有封油胶圈。ERSFD的结构示意图见图1。3besfd压力控制方程3.1油动力粘度及内油膜初始间隙的确定根据参考文献，高度为h的微元柱的沿周向(X向)和轴向(Z向)的体积流量分别为：式中：h为油膜厚度；p为油膜压力；η为滑油动力粘度；U为周向速度且U=-2RΩ，R为油膜半径，Ω为轴颈涡动频率。对于内油膜h=C+r(θ)+ecosθ，外油膜h=C-r(θ)，其中C为油膜初始间隙，r(θ)为弹性环变形量，e为轴颈偏心率。将油膜用差分网格离散，通过流体微元控制单元体边界的体积流量应满足下述流量控制方程：式中：Q0为由内油腔流向外油腔的体积流量，Qi为通过单元体边界的体积流量。3.2轴向边界条件的选取周向边界条件为Renolds边界条件。根据有无端面封油胶圈和渗油孔可以选取不同的轴向边界条件。有封油胶圈类似于传统SFD长轴承理论的边界条件，无封油胶圈类似于传统SFD有限长轴承理论的边界条件。4固支梁模型弹性环凸台处的间隙很小，其整体的椭圆变形很小，可将凸台之间的环段视为固支-固支梁(如图2所示)。根据材料力学公式有：当x<a时，当x=a时，当x>a时，上面几式中：E为材料的弹性模量，I为截面惯性矩，将环段用有限元模拟，根据以上诸式可以求得环段的柔度矩阵，结合油膜压力控制方程就可以对问题进行求解。5有渗油孔的ersfd根据不同的边界条件，将ERSFD分为四种：(1)无封油胶圈，无渗油孔的ERSFD;(2)无封油胶圈，有渗油孔的ERSFD;(3)有封油胶圈，无渗油孔的ERSFD;(4)有封油胶圈，有渗油孔的ERSFD。四种ERSFD的油膜压力分布分别见图3～图6。6有封油胶圈的情况下，各渗心率对于ersfd在参数一致的情况下将ERSFD的油膜力特性与传统SFD的油膜力特性进行对比，如图7、图8所示。从图中可以看出：ERSFD等效刚度的非线性程度较SFD有很大的改善，在较大的偏心率范围都呈现线性特性；在无封油胶圈的情况下，有无渗油孔对ERSFD的等效刚度和等效阻尼影响不大；在有封油胶圈的情况下，等效刚度和等效阻尼明显高于无封油胶圈的情况；在有封油胶圈的情况下，有渗油孔的ERSFD表现出更好的线性刚度特性，但等效阻尼随偏心率的变化不大。由此可见，有封油胶圈和渗油孔的ERSFD不仅能够很好地改善油膜刚度的非线性特性，还能提供较大的阻尼以减小振动。7结构参数对ersfd刚性和衰减的影响7.1孔径和渗油孔的油由图9和图10可见，随着孔径的增加，等效刚度降低，而等效阻尼增加。这是由于随着孔径的增加，流过渗油孔的油增多，减小了油膜压力的增加，从而降低了油膜刚度；但同时通过渗油孔的油带走了更多的振动能量，因而阻尼增加。但从刚度降低或阻尼增加的绝对值来看，降低或增加的幅值都不是很大，孔径最终的大小还要视弹性环高周疲劳的要求而定。8高周疲劳储备系数的确定弹性环工作时，受到脉动油膜压力的作用，必须考虑其高周疲劳寿命。下面给出高周疲劳寿命设计的步骤：(1)根据凸台的高度确定弹性环最大可能的变形量；(2)通过接触应力计算，确定最大应力的大小和发生的位置；(3)通过Goodman曲线，确定最大许用交变应力；(4)计算高周疲劳储备系数，一般选取2作为最小允许的高周疲劳储备系数。对于弹性环的高周疲劳寿命设计，前人已经做了大量工作，俄罗斯的专家给出了弹性环设计的参数表。9弹性环作用下，转子轴颈偏偏干系统由以上分析可了解ERSFD的减振机理：弹性环将传统SFD的油腔分割为多个较小的油腔，在不平衡力的作用下，转子轴颈偏离中心挤压弹性环，在各小油腔形成小的挤压油膜；随着不平衡力的增加，油膜压力增大，弹性环变形增加，相当于从动地增加了内油膜间隙，减小了外油膜间隙，这样就降低了内油膜压力，升高了外油膜压力，直至系统稳定。正是这种复杂的流固耦合作用改善了油膜刚度的非线性，获得了较大的油膜阻尼。10凸台高度对等效刚度和等效阻尼的影响ERSFD能很好