挤压油膜阻尼器的应用研究
航空发动机挤压油膜阻尼器结构设计方法
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挤压油膜阻尼器原理
挤压油膜阻尼器原理
挤压油膜阻尼器是一种常见的机械阻尼器，它的原理基于液体
在受力作用下形成的油膜阻尼效应。
当挤压油膜阻尼器受到外部振
动或冲击力时，液体在摩擦面上形成油膜，从而产生阻尼效应，减
缓或抑制振动的传播。
具体来说，挤压油膜阻尼器包括一个内部装有液体（通常是油）的密闭腔体，当外部受力作用于腔体时，液体会在摩擦面上形成一
个薄的油膜，这个油膜会对振动或冲击力产生阻尼作用。
这种阻尼
作用是通过摩擦力和黏性力来实现的，当液体在摩擦面上流动时，
摩擦力会消耗振动或冲击力的能量，从而减缓或抑制振动的传播。
挤压油膜阻尼器的原理可以从流体力学和摩擦学的角度来解释。
从流体力学的角度来看，液体在摩擦面上形成的油膜可以减小摩擦
面的有效接触面积，从而降低了振动或冲击力的传播效率。
而从摩
擦学的角度来看，液体在摩擦面上的流动会产生摩擦力，这些摩擦
力会消耗振动或冲击力的能量，使其逐渐减弱。
此外，挤压油膜阻尼器还可以根据不同的设计和工作原理分为
多种类型，例如径向挤压油膜阻尼器和轴向挤压油膜阻尼器等，它
们在工程实践中具有广泛的应用，能够有效地减小机械系统的振动和冲击，提高系统的稳定性和可靠性。
总的来说，挤压油膜阻尼器的原理是利用液体在摩擦面上形成的油膜来实现阻尼作用，通过摩擦力和黏性力来消耗振动或冲击力的能量，从而减缓或抑制振动的传播，提高机械系统的稳定性和可靠性。
挤压油膜阻尼器及其在船用汽轮机上的应用展望
挤压油膜阻尼器及其在船用汽轮机上的应用展望李典来，姚 垒，余 磊，岑黎明（上海船舶设备研究所，上海 200031）摘 要：挤压油膜阻尼器技术广泛应用于航空发动机、燃气轮机等设备，可减小转子在越过临界转速时的振动，其发展和应用至今已有半个多世纪，并且在减振降噪方面取得了很大的成功。
由于高度的非线性动力学特性，传统的挤压油膜阻尼器易产生双稳态振动现象。
为了降低挤压油膜阻尼器的非线性动力学特性，出现了一系列新型结构的挤压油膜阻尼器，很好地改进了传统挤压油膜阻尼器的性能。
文章主要介绍了挤压油膜阻尼器的结构、发展历程和研究现状，并介绍了几种新型挤压油膜阻尼器，同时展望了挤压油膜阻尼器在船用汽轮机上的应用前景。
关键词：挤压油膜阻尼器；航空发动机；燃气轮机；减振降噪中图分类号：U664 文献标志码：A DOI：10.16443/ki.31-1420.2019.03.001 Squeeze Film Damper and Its Application Prospects inMarine Steam TurbineLI Dianlai, YAO Lei, YU Lei, CEN Liming(Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031, China)Abstract: The squeeze film damper, which has been widely used in such equipments as aero engine and gas turbine, can reduce the rotor vibration when crossing the critical speed. It has been developed and applied for more than half a century, and it has achieved great success in vibration and noise reduction. Due to the highly nonlinear dynamic characteristics, conventional squeeze film dampers are prone to bistable vibration. In order to reduce the nonlinear dynamic characteristics of the squeeze film damper, a series of new structure squeeze film dampers have been developed, which have well made up for the deficiency of the traditional squeeze film damper. The structure, development history and research status of the squeeze film damper are introduced in this paper, and several new squeeze film dampers are also introduced. Meanwhile, the application of the squeeze film damper on the marine steam turbine is prospected.Key words: SFD; aero engine, gas turbine; vibration and noise reduction0 引言旋转透平机械设备的振动问题一直是影响设备安全稳定运行的关键因素，过大的机械振动会严重影响设备的寿命、可靠性和总体结构的完整性。
故障转子挤压油膜阻尼器减振特性实验
$ 实验器及其系统介绍
实验器主要由驱动系统 % 电机和变频器 & ! 转子 ! 弹性支承 ! 挤压油膜阻尼器和润滑系统等组成 " 实物 图见图 %"实验 器 总 体 结 构 图 见 图 #' 采 用 变 频 器 控制高速电机 " 实验器可 实 现 $C$ $ $ $) 5 / *无级 调速 ' 盘 ! 和盘 = 分 别 用 于 模 拟 压 气 机 和 涡 轮 盘 " 盘上可加减螺栓改 变 转 子 系 统 的 不 平 衡 量 ( 挤压油 膜阻尼器位于具有 弹 性 支 承 的 一 端 ( 润滑系统可对 挤压油膜阻尼器的供油压力和流量参数进行调节 ' 测试 系 统 为 西 北 工 业 大 学 所 研 制 的 K L2M C % $ $ 发动机 转 子 高 速 动 平 衡 与 状 态 监 测 系 统 ' 传感器主要 包 括 光 电 传 感 器 % 德国 I < N 3 * < @" O A & ! 振动位移 传 感 器 % 德国 I ! 振动 B > < N 3 * < @" P : A $ B "& 速度传感器 % 美 国 M6Q". & ' 电 阻 应 变 计 为 I A $ B $ 中航工 业 电 测 仪 器 股 份 有 限 公 司 制 造 的 M R % # $ A $ " LL 型号的电阻应变计 '
关键词 挤压油膜阻尼器 (碰摩 (不对中 (转子 (减振特性 中图分类号 . # ! %9 C
引言
转 静 碰 摩 故 障 是 航 空 发 动 机 的 典 型 故 障 之 一' 为追求高推重比和低油耗 " 转! 静子之间的间隙设计 得越来越小 % 尤其 是 涡 轮 间 隙 & " 由此增大了碰摩故 障发生的可能 性 ' 碰 摩 一 旦 发 生 " 将使转子振动加
磁控挤压油膜阻尼器转子系统动力特性试验研究
中 图 分 类 号 ： Ｈ１ ３ Ｔ １ 文 献标 识码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ０ ４４ ２ （０ ７ ０ —１ ７０ １ ０ —５ ３ ２ ０ ）２０ ０ —５
区会 产生 严 重 的不 稳定 ， 如 果 能够 限 制盘 的旋 转 但
引 言
挤 压 油膜阻 尼器是 航 空发动机 转 子系统 中广 泛 应用 的减振 结构 。但 由于其 动力特 性 不能进 行在 线 控制， 在有 些情 况 下 ， 但 不 能 控制 转 子 系 统 的振 非 动 ， 而会 激起更 加强 烈的振 动 。 了实现对 传统 挤 反 为 压油膜 阻尼器 动 力 特性 的控制 ， 已提 出 了 多种 挤 压 油膜 阻 尼 器 的新 结 构［ 引， 这 些 阻 尼 器 要 么 结 构 １ 但 ￣
Ｎｉｏａｓｎ及 Ｔｉ ｙ等 分 别 研 究 了 径 向 电 涡 流 轴 ｋ ｌｊｅ ｃ ｈ 承 ［ ］发现 径 向电涡流 轴承 不仅 需要施 加很 高 的 电 ７， 流 才可 以使 转子 悬 浮 ， 而且 本 身 还存 在 着 潜 在 的不 稳定 问题 。 ｒｄ ｒ ｋ等 、 ｉｅｍａ Ｆ ｅ ｅｉ ｃ Ｋｌ ｒ ｎ和 Ｄ ｒ ｗ 等从 ｇ ａｌ ｏ
维普资讯
第 ２ 卷第 ２ Ｏ 期 ２０ ０ ７年 ４月
振 动 工 程 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｂ ａｉｎ Ｅ ｇｎ ｅ ｉ ｇ ｏ ｒ ａ ｆＶｉｒ ｔ ｎ ｉ ｅ ｒｎ ｏ
Ｖｏ ． ０ Ｎｏ ２ １２ ．
Ａｐｔ ２０ ． ０７
磁 控挤 压油膜 阻 尼器支 撑 的多盘柔 性转 子系统 的动 力特 性 以及新 型磁 控挤 压油膜 阻尼器 对转 子 系统 的 振 动进 行控制 的能 力 。
挤压油膜阻尼器结构和原理
挤压油膜阻尼器结构和原理
挤压油膜阻尼器是一种常见的工业设备，它的结构和原理对于理解其工作原理和应用具有重要意义。
首先，让我们来看一下挤压油膜阻尼器的结构。
挤压油膜阻尼器通常由外壳、转子、定子、轴承和油膜等部件组成。
外壳是整个阻尼器的外部包裹结构，用于固定内部部件。
转子和定子则是阻尼器的关键部件，它们之间的相对运动产生了摩擦力，从而消耗了机械能。
轴承则用于支撑转子和定子的运动。
油膜是挤压油膜阻尼器的核心部件，它形成了转子和定子之间的油膜摩擦，起到了阻尼和减振的作用。
其次，挤压油膜阻尼器的工作原理是基于油膜的形成和运动。
当转子和定子相对运动时，油膜会在它们之间形成，并且由于油膜的黏性和剪切力，它会对转子和定子的运动产生阻尼作用。
这种阻尼作用可以将机械能转化为热能，从而达到减振和阻尼的效果。
此外，挤压油膜阻尼器还可以通过调节油膜的厚度和粘性来实现对阻尼效果的控制，从而适应不同的工况和要求。
总的来说，挤压油膜阻尼器的结构和原理是相对复杂的，但通
过对其结构和工作原理的深入理解，我们可以更好地应用和维护这一重要的工业设备。
希望以上内容能够对你有所帮助。
弹性环挤压油膜阻尼器支撑下的柔性转子系统动力学分析
第２２卷第１期２０２４年１月动力学与控制学报J O U R N A L O FD Y N AM I C SA N DC O N T R O LV o l ．２２N o ．１J a n ．２０２４文章编号:１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２４Ｇ２２(１)Ｇ０４３Ｇ００９D O I :１０．６０５２/１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２３Ｇ０２２㊀２０２３Ｇ０２Ｇ０６收到第１稿,２０２３Ｇ０３Ｇ０６收到修改稿．∗国家自然科学基金资助项目(１２１７２３０７,１２１０２４４４),N a t i o n a lN a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a (１２１７２３０７,１２１０２４４４)．†通信作者E Ｇm a i l :１８１０４２y y＠１６３．c o m 弹性环挤压油膜阻尼器支撑下的柔性转子系统动力学分析∗赵先锋１㊀杨洋１†㊀王子尧２㊀路宽３㊀曾劲１㊀杨翊仁１(１．西南交通大学力学与航空航天学院,成都㊀６１００３１)(２．中国航空发动机研究院,北京㊀１０１３０４)(３．西北工业大学力学与土木建筑学院,西安㊀７１００７２)摘要㊀弹性环挤压油膜阻尼器(E l a s t i c r i n g s q u e e z e f i l m d a m p e r ,E R S F D )具有良好的支撑作用和减振效果,但由于其结构和流场耦合行为极为复杂,使得已有的物理模型难以完整表现出E R S F D 的力学特性．为了进一步探究E R S F D 的力学机理,本文借助有限元仿真平台,采用双向流固耦合的计算方法,剖析弹性环与油膜之间的相互作用,获取E R S F D 中油膜压力的分布规律．在此基础上,利用最小二乘法进一步拟合出E R S F D 等效刚度㊁等效阻尼与转子轴颈扰动位移的映射关系,并将其分别引入柔性转子系统动力学模型中．通过数值计算研究了E R S F D 支撑下柔性转子系统的振动响应,分别给出了不同转速下转子系统的响应分岔图㊁轴心轨迹等．同时,通过对比分析,进一步揭示了E R S F D 所诱发出的转子系统丰富的非线性动力学行为,有助于对E R S F D 轴承支撑特性的理解．关键词㊀弹性环挤压油膜阻尼器,㊀转子系统,㊀双向流固耦合,㊀动力学特性中图分类号:O ３１３文献标志码:AD y n a m i cC h a r a c t e r i s t i c s o f F l e x i b l eR o t o r S y s t e mS u p p o r t e db yE l a s t i cR i n g S q u e e z eF i l m D a m pe r ∗Z h a oX i a n f e n g １㊀Y a n g Y a n g １†㊀W a n g Z i y a o ２㊀L uk u a n ３㊀Z e n g J i n １㊀Y a n g Yi r e n １(１．S c h o o l o fM e c h a n i c s a n dA e r o s p a c eE n g i n e e r i n g ,S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ,C h e n g d u ㊀６１００３１,C h i n a )(２．C h i n aR e s e a r c h I n s t i t u t e o fA e r o ＧE n g i n e ,B e i j i n g㊀１０１３０４,C h i n a )(３．N o r t h w e s t e r nP o l y t e c h n i c a lU n i v e r s i t y ,S c h o o l o fM e c h a n i c s ,C i v i l E n g i n e e r i n g an dA r c h i t e c t u r e ,X i a n ㊀７１００７２,C h i n a )A b s t r a c t ㊀E l a s t i cr i n g s q u e e z ef i l m d a m p e r (E R S F D )h a sa g o o ds u p p o r t i n g an dv i b r a t i o nr e d u c t i o n e f f e c t ．H o w e v e r ,d u e t o i t s c o m p l e x s t r u c t u r e a n d f l o wf i e l d c o u p l i n g b e h a v i o r ,e x i s t i n gp h y s i c a lm o d e l s a r ed i f f i c u l t t o f u l l y d e m o n s t r a t e t h em e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fE R S F D．T of u r t h e re x pl o r e t h e m e Ｇc h a n i c a lm e c h a n i s mo fE R S F D ,t h i s p a p e r a n a l y z e s t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e n e l a s t i c r i n g an do i l f i l m w i t h t h e a i do f f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n p l a t f o r ma n db i d i r e c t i o n a l f l u i d Ｇs t r u c t u r e c o u p l i n g ca l c u l a t i o n m e t h Ｇo d ,a n dob t a i n s t h e d i s t r i b u t i o n l a wo f o i l f i l m p r e s s u r e i n t h eE R S F D．O n t h i s b a s i s ,t h em a p p i n g r e l a Ｇt i o n s h i p b e t w e e n t h e e q u i v a l e n t s t i f f n e s s a n d e q u i v a l e n t d a m p i n g o f E R S F Da n d t h e d i s t u r b a nc ed i s p l a ce Ｇm e n t of t h e r o t o r j o u r n a l i s f u r t h e r f i t t e db y u s i ng th e l e a s t s q u a r em e t h o d ．T h e n t h e e q ui v a l e n tm o d e l i s f u r t h e r i n t r o d u c e d i n t o t h e d y n a m i cm o d e l o f t h e f l e x i b l e r o t o r s y s t e m．T h e v i b r a t i o n r e s po n s e o f f l e x i b l e r o t o r s y s t e ms u p p o r t e db y E R S F D i s s t u d i e db y n u m e r i c a l c a l c u l a t i o n ,a n d t h e r e s po n s e b i f u r c a t i o nd i a Ｇg r a ma n dw h i r l i n g o r b i to f t h er o t o rs y s t e m u n d e rd i f f e r e n ts pe e d sa r ec o n d u c t e d ．A t t h es a m et i m e ,动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２４年第２２卷t h r o u g hc o m p a r a t i v e a n a l y s i s,t h e r i c hn o n l i n e a rd y n a m i cb e h a v i o r so f r o t o r s y s t e mi n d u c e db y E R S F D a r e f u r t h e r r e v e a l e d,w h i c h i s h e l p f u l t ou n d e r s t a n d t h e s u p p o r t i n g c h a r a c t e r i s t i c s o fE R S F D．K e y w o r d s㊀e l a s t i c r i n g s q u e e z e f i l md a m p e r,㊀r o t o r s y s t e m,㊀b i d i r e c t i o n a l f l u i dＧs t r u c t u r e c o u p l i n g,㊀d y n a m i c c h a r a c te r i s t i c s引言弹性环挤压油膜阻尼器(E R S F D)充分结合挤压油膜阻尼器(S F D)减振特性和支承弹性特点,被广泛应用于航空发动机转子系统中[１]．对于传统的挤压油膜阻尼器而言,当转子涡动较为严重时,极易诱发油膜振荡㊁振动突跳等不利现象,对转子系统的平稳运行产生不良影响[２]．相较于此,弹性环挤压油膜阻尼器在油膜间隙中引入了附加的弹性环结构,并且弹性环内外侧均具有交错分布的弧形凸台,能够将轴承外环与轴承座之间的间隙分割成多个独立的油膜区域,有效避免油膜振荡的发生．其中,靠近轴承座的部分称其为外油膜,而与之相反的称其为内油膜．当润滑油受到挤压产生油膜力时,该作用力会传递到弹性环上,继而引起结构变形．同时弹性环变形亦会引起油膜间隙发生变化,导致油膜力发生改变．由此可以发现,弹性环挤压油膜阻尼器中存在典型的双向流固耦合现象．国内外学者对E R S F D进行了广泛研究．周明等[３]基于流体动压理论,提出了弹性环挤压油膜的减振机理．X u等[４]利用有限元法研究了E R S F D渗油孔的分布对油膜阻尼特性的影响,探讨了油膜力与孔口位置在轴向和圆周方向的关系,结果表明:孔口分布可以调节阻尼系数．周海仑等[５]采用双向流固耦合原理及动网格技术,计算了内外层油膜的压力,开展了凸凹台数量㊁几何尺寸和油膜间隙对油膜动力特性的影响规律．李岩等[６]研究了配合关系对油膜阻尼器减振特性的影响,实验结果表明:弹性环内凸台为过盈配合时可能会导致阻尼器减振失效．王震林等[７]基于厚板理论建立了弹性环的运动方程,采用分时迭代方法将弹性环－油膜的控制方程进行耦合求解,结果显示:刚度主要与弹性环厚度有关,阻尼主要取决于凸台高度．江志敏等[８]采用流固耦合技术模拟二维E R S F D,发现在导流孔处流速较大,并探讨了E R S F D的减振机理以及与传统S F D在减振机理上的行为差异．该结果表明:E R S F D油膜压力呈现出与油腔间隔相关的阶梯状分布．C h e n等[９]研究一种带E R S F D的螺旋锥齿轮传动动力学模型,发现了E R S F D支承具有良好的减振效果．此外,围绕E R S F D支撑下的转子系统动力学特性研究亦取得了一定的研究进展．针对组合支撑的转子结构,罗忠等[１０]进行系统性评述,阐明了不同支承的力学特征．P a n g等[１１]利用平均法分析了E R S F D轴承参数与转子系统分岔行为的潜在关联．何洪等[１２]对E R S F D支承的增压转子动力特性进行研究,分析弹性环阻尼器交叉刚度的影响甚小．H a n等[１３]基于半解析法求解E R S F D支承下转子系统动态特征,揭示了油膜特性和突加激励对其影响规律．杨洋等[１４]建立了双盘转子模型,研究不平衡故障下碰摩非线性行为．曹磊等[１５]研究了E R S F D支承下转子的临界转速,证实影响临界转速的最大因素体现在凸台处的接触状态．李兵等[１６]实验探究了弹性环凸台高度㊁供油条件㊁滑油温度和不平衡量等条件下E R S F D的动力学特性,结合转子振动响应,发现弹性环凸台高度较小时,系统的减振特性更为理想．张蕊华等[１７]提出了一种挤压油膜阻尼器的刚度分析方法,采用将油膜刚度和外环进行串联得到其等效刚度．熊万里等[１８]基于N a v i e rＧS t o k e s方程动网格技术,发展了一种计算E R S F D轴承刚度和阻尼的新方法．综上所述,关于E R S F D支撑下柔性转子系统非线性动力学特性的研究尚不充分．针对这一情况,本文首先借助A N S Y S WO R K B E N C H仿真平台对E R S F D进行双向流固耦合分析,辨识出不同轴颈涡动下E R S F D所提供的等效刚度和等效阻尼．在此基础上,将其引入至柔性转子中,进行系统级非线性动力学特性研究,给出不同运行工况下系统的非线性动力学特性．通过对比线性支承和非线性支承,对比分析E R S F D引发的非线性动态特征．研究结果以期为转子系统的结构设计和故障诊断提供一定的技术支持．４４第１期赵先锋等:弹性环挤压油膜阻尼器支撑下的柔性转子系统动力学分析１㊀弹性环挤压油膜阻尼器双向流固耦合分析１．１㊀E R S F D 结构建模根据表１给出的某转子系统中弹性环挤压油膜阻尼器(E R S F D )结构参数,利用S O L I DWO R K 进行精细化实体建模,如图１所示．其中,弹性环上依次分布了内外交错的凸台,将油膜形成错落有致的内外两层,且内外层油膜之间通过导流孔连接．表１㊀E R S F D 结构参数表T a b l e １㊀S t r u c t u r e p a r a m e t e r s o fE R S F D结构参数数值内外凸台数８导流孔数８轴颈半径/mm２１．５弹性环厚度/mm １．５渗油孔直径/mm１阻尼器外圈半径/mm ２３．４阻尼器轴向长度/mm １５弹性环凸台高度/mm ０．２弹性环弹性模量/G P a ２１０弹性环材料密度/k g /m ３７８５０润滑油材料密度/k g /m ３１１００润滑油动力黏度/P a ．S０．０２７图１㊀E R S F D 结构示意图F i g ．１㊀S c h e m a t i c d i a gr a mo fE R S F Ds t r u c t u r e 为获取弹性环挤压油膜阻尼器的支承力学特性,采用双向流固耦合方式进行数值分析,其计算流程图如图２所示．首先将E R S F D 实体模型导入至WO R K B E N C H 中进行切块化网格划分,并结合弹性环结构区域和油膜分布区域进行相关界定,依次定义为S O L I D 和F L U I D 区域．为反映结构和流体之间实时的相互作用,利用T R A N S I E N TS T R U C T U R E 和C F X 进行耦合计算．在当前时间步下,分别对弹性环变形和油膜压力收敛性进行判断,将收敛后结果在耦合系统中进行数据实时交换,并进行总体收敛性判断．倘若结果收敛,则进入下一个时间步计算,否则重复上述计算直至收敛．图２㊀双向流固耦合计算流程图F i g ．２㊀C h a r t o f b i d i r e c t i o n a l f l u i d Ｇs t r u c t u r e c o u p l i n g ca l c u l a t i o n (a)弹性环边界条件(b)油膜边界条件图３㊀E R S F D 流固耦合边界条件F i g ．３㊀E R S F Df l u i d Ｇs t r u c t u r e i n t e r a c t i o nb o u n d a r y co n d i t i o n s 在E R S F D 运行过程中,将弹性环内凸台与转子轴颈进行紧密接触处理,两者接触面上具有相同的运动形式,并且忽略轴颈与内凸台的摩擦效应．５４动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２４年第２２卷同时,外凸台与阻尼器外壳之间的摩擦亦不予考虑．弹性环边界条件设置如下:(１)弹性环轴向方向施加远程位移约束,限制其轴向和绕三个轴的转动;(２)流体和固体接触面建立流固耦合面,在该面上进行数据传递;(３)弹性环外凸台处施加固定约束;(４)由于转轴受到不平衡激励的作用,轴颈的运动形式以涡动形式为主,不考虑转轴本身的自转,所以施加周期位移激励,以模拟轴颈涡动,其具体表示形式如下:x i n＝e i n s i n(ωt)y i n＝e i n c o s(ωt)(１)其中,x i n㊁y i n分别为x,y方向位移,e i n表示轴径激励幅度,ω表示转子运行转速．此外,在流体域中边界条件相关设置如下:(１)外层油膜壁面固定;(２)油膜两端进行密封处理; (３)设立相对应的流固耦合面,用于进行流体与固体的数据交换;(４)在内层油膜与轴颈接触处施加相同的位移激励,如图３所示．１．２㊀网格无关性验证本节通过网格无关性来验证所建立的有限元模型的正确性,网格无关性保证网格对结果影响较小．由于润滑油黏度较大,流体模型采用层流模型,残差小于１０－４认为收敛,边界条件如上节所述．轴颈激励幅值为０．０２mm,时间步长为０．０００１s进行计算,得到结果如图４．发现网格数超过２０万时对结果影响较小,因此下面的计算采用此套网格．图４㊀最大内,外层油膜压力随网格数量变化规律F i g．４㊀V a r i a t i o n l a wo fm a x i m u mi n n e r o i l f i l m p r e s s u r ew i t h t h em e s hn u m b e r s１．３㊀E R S F D流场及压力分析基于上述双向流固耦合处理,本节着重关注E R S F D流场及压力分布情况．如图５所示的油膜流动矢量图,其中油膜从挤压处流向非挤压处,且在导流孔处出现了较大流速．(a)油膜流场速度云图(b)油膜流场剖面图图５㊀E R S F D中油膜流场分布图F i g．５㊀O i l f i l mf l o wf i e l dd i s t r i b u t i o n i nE R S FD图６㊀不同偏心量下内层油膜力随时间变化规律F i g．６㊀T i m e v a r y i n g l a wo f i n n e r o i l f i l mf o r c e u n d e rd i f fe r e n t e c c e n t r i c i t i es图７㊀不同偏心量下外层油膜力随时间变化规律F i g．７㊀T i m e v a r y i n g l a wo f o u t e r o i l f i l mf o r c e u n d e rd i f fe r e n t e c c e n t r i c i t i e s根据双向流固耦合系统的稳态响应,进一步分析E R S F D中内外层油膜压力分布和弹性环变形６４第１期赵先锋等:弹性环挤压油膜阻尼器支撑下的柔性转子系统动力学分析情况．对周期内每时刻内外层油膜压力分布进行面上积分,得到油膜力随时间变化．由图６和图７可知,随着轴颈激励幅度的增加,油膜力波动愈发明显,当达到一定程度时容易出现油膜失稳现象．对一个周期内的油膜压力取平均,可以得到不同激励幅度下的油膜力．如图８所示,当偏心量较小时,E R S F D 油膜力与偏心量呈线性关系,而随着偏心量的增加,两者之间的非线性映射关系逐渐显著,这也意味着当转子系统转速提升到一定程度时,转子支承边界不是理想的线性边界而是更为复杂的非线性边界．对比内外层油膜压力,可以发现在小偏心量情况下,内外层油膜压力较接近,而随着偏心量的增加,内外层油膜压力的差别也将凸显．由于在大偏心量下,外层油膜受挤压的面积更大,且弹性环的位移对外层油膜影响更大．图８㊀内外层油膜力在不同偏心量下的变化规律F i g．８㊀V a r i a t i o no f i n n e r a n do u t e r o i l f i l mf o r c eu n d e r d i f f e r e n t e c c e n t r i c i t i es图９㊀不同偏心量下油膜压力分布及弹性环变形程度F i g ．９㊀O i l f i l m p r e s s u r e d i s t r i b u t i o na n d e l a s t i c r i n g de f o r m a t i o nu n d e r d i f f e r e n t e c c e n t r i c i t i e s ㊀㊀为了进一步分析内外层油膜压力分布和弹性环变形随轴颈激励幅度的变化规律,依次令激励幅度分别为:e i n ＝０．０１mm ㊁e i n ＝０．０３mm 和e i n ＝０．０６mm．由图９可知,随着轴颈激励幅度的增加,内外层油膜压力逐渐变大,且最大压力随轴颈位移变化是一种非线性关系．同时,对比内外层油膜压力可以发现,内层油膜的最大压力始终小于外层油膜的最大压力,说明弹性环对内层油膜挤压较大,其次内外层最大压力之间存在一定角度,这是因为弹性环的内外侧凸台交错分布将内外层油膜分隔开来导致．此外,流场采用端封处理,从而内外层油膜压力分布在轴向的分布基本是不变的,这亦说明端封的边界条件是有效的．由于内凸台与轴颈具有相同的涡动位移激励,因此位于内外凸台之间的环７４动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２４年第２２卷位移最大且呈非对称分布．１．４㊀E R S F D等效刚度和等效阻尼拟合本节利用最小二乘法,对前节获取的双向流固耦合仿真结果进行拟合处理,以此获取E R S F D等效刚度和等效阻尼随轴颈偏心量变化的表达式．结合E R S F D结构特点,由于外层油膜被弹性环分开,且弹性环与轴颈的接触面积较小,故采用弹性元件和阻尼元件串联的方式,刚度大小是利用力与位移的比值确定．对于阻尼不考虑弹性环阻尼,只考虑油膜的阻尼,利用如下表达式计算:C＝Fe i nω(２)其中C表示油膜阻尼,F表示油膜力．分析不同偏心量下系统的等效刚度和等效阻尼,如表２所示．显然,随着偏心量的增加,E R S F D 等效刚度和等效阻尼均逐渐增大,且呈现非线性变化现象．表２㊀不同偏心量下E R S F D等效刚度和等效阻尼T a b l e２㊀E q u i v a l e n t s t i f f n e s s a n de q u i v a l e n t d a m p i n g o fE R S F D w i t hd i f f e r e n t e c c e n t r i c i t i e se i n(mm)K e(MN/m)C e(N s/m)０．０１３．９７９１３９．４２１０．０２４．１０４１４３．７０１０．０３４．２１９１４７．７８６０．０４４．３５８１５２．６６５０．０５４．５１５１５８．２０４０．０６４．７３７１６４．５１４利用最小二乘法,对表２中的离散数据进行拟合处理．可进一步得到E R S F D等效支撑力表达式为:K e＝－１．４１３ˑ１０２２e４i n＋２．５８４ˑ１０１３e２i n＋㊀３．９８ˑ１０６(３)C e＝４．０９７ˑ１０１３e３i n－１．４５ˑ１０９e２i n＋㊀４．２７ˑ１０５e i n＋１３５．３(４)其中,K e和C e分别表示E R S F D的等效刚度和等效阻尼,e i n表示第i个轴颈的径向位移,可表示为:e i n＝x２i＋y２i(５)其中x i,y i分别是第i个轴承出横向和竖向位移,进一步油膜力可以写为:F x＝K e x i c o sα＋C e x i c o sαF y＝K e y i s i nα＋C e y i s i nα{(６)其中c o sα,s i nα计算表达式为:c o sα＝x i e i ns i nα＝y i e i nìîíïïïï(７)２㊀双盘悬臂转子系统动力学特性分析２．１㊀转子系统动力学建模图１０给出了E R S F D支撑下的双盘悬臂转子系统,其中左右转盘分别表示压气盘和涡轮盘,且压气盘存在不平衡故障．图１０㊀弹性环挤压油膜阻尼器支撑下的双盘悬臂转子F i g．１０㊀S c h e m a t i c d i a g r a mo f d u a lＧd i s c c a n t i l e v e r r o t o rs y s t e ms u p p o r t e db y E R S F D将柔性转轴采用欧拉－伯努利梁单元进行有限元离散[１４],其中每个梁单元包含２节点,且每个节点包含４个自由度．根据结构特性,将结构分为３个转轴单元和２个转盘单元．考虑到转盘刚度远大于转轴刚度,将压气盘和涡轮盘均视为集中质量块,分别安装在转轴对应节点上．因此,转盘质量矩阵和陀螺矩阵分别表示成: M d＝m d００j déëêêùûúú(８) J d＝０００j péëêêùûúú(９)其中,m d表示转盘质量;j d表示转盘赤道转动惯量;j p表示转盘极转动惯量．根据双盘悬臂转子系统节点划分特点,进行整体结构组装．同时,在对应约束位置处,分别引入线性支撑和E R S F D支撑进行分析．同时,将压气盘不平衡激励纳入广义激励中,继而得到转子系统振动方程,如式(１５)所示．M u ＋C u ＋K u＝Q(１０)其中,M表示转子系统质量矩阵;C表示转子系统８４第１期赵先锋等:弹性环挤压油膜阻尼器支撑下的柔性转子系统动力学分析阻尼矩阵,其中包含陀螺矩阵;K表示转子系统刚度矩阵,M,C,K为１６ˑ１６的矩阵;Q表示转子系统广义激励,为１６ˑ１的矩阵．２．２㊀转子系统动力学特性分析本节采用数值仿真的方式得到双盘悬臂转子系统压气盘横向响应分岔图,如图１１所示,其中横轴是转速ω/(r a d/s),纵轴是压气盘的横向振动位移x p(m)．所采用的结构参数如表３所示．表３㊀转子结构参数表T a b l e３㊀S t r u c t u r e p a r a m e t e r s o f r o t o r结构参数数值转轴外径/mm２１．５转轴内径/mm１１．５弹性模量E/G P a２００转盘外径/mm１０６．２转盘厚度/mm２４轴段单元长度L１/mm１４０轴段单元长度L２/mm５０１．１轴段单元长度L３/mm１０１．９转子材料密度/k g/m３７８５０不平衡量/mm０．０３在转速满足ωɪ[３００r a d/s,１０００r a d/s]时,对比分析线性支承和E R S F D支承下转子系统的动态响应差异,其中线性支承下,轴承刚度为３．８３ˑ１０６N/m．由图１１(a)可知,在线性支撑条件下,双盘悬臂转子系统在不同转速下始终呈现规则的周期１运动．同时,双盘悬臂转子系统在ω＝４６０r a d/s时发生一阶共振．采用相同的结构参数,在相同支撑位置处,将线性支撑替换为E R S F D．由此可以进一步得到转子系统横向响应分岔图,如图１１(b)所示．由于E R S F D使用引入了非线性支撑边界,使得转子系统动态响应中出现明显的非线性现象．当转速较低时,转子系统做规则的周期运动．当转速升至ω＝５９０r a d/s时,转子系统进入拟周期运动．随着转速的进一步提高,由于边界非线性的引入,转子系统响应中发生了明显的滞后跳跃现象．当转速进一步增加时,转子系统由复杂的拟周期运动再次回归到规则的周期运动．此外,由于支撑非线性的引入,转子系统一阶临界转速改为ω＝６３２r a d/s．对比图１１(a)和图１１(b),从响应幅值上来说,E R SＧF D能够极大减小转子的振幅,因此E R S F D的使用,可能减轻碰摩的发生．(a)线性支撑边界(b)E R S F D支撑边界图１１㊀双盘悬臂转子系统响应分岔图F i g．１１㊀B i f u r c a t i o nd i a g r a mo f d u a lＧd i s c c a n t i l e v e r r o t o r s y s t e m(a)转子轴心轨迹(b)转子频谱图图１２㊀线性支撑下转子系统在ω＝６００r a d/s时振动响应F i g．１２㊀V i b r a t i o nb e h a v i o r o f r o t o r s y s t e m w i t h l i n e a rs u p p o r t a tω＝６００r a d/s９４动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２４年第２２卷(a)ω＝６００r a d/s(b)ω＝７２０r a d/s图１３㊀E R S F D支撑下转子系统在不同转速下轴心轨迹F i g．１３㊀W h i r l i n g o r b i t o f r o t o r s y s t e m w i t hE R S F Ds u p p o r ta t d i f f e r e n t r o t a t i o n a l s p e e d s为了进一步对比分析线性支撑和E R S F D支撑下双盘悬臂转子系统在不同转速下的振动响应差异,选取ω＝６００r a d/s和ω＝７２０r a d/s绘制压气盘轴心轨迹和频谱图,如图１２,１３所示．在线性支撑下,转子系统轴心轨迹呈现出规则的圆形,且频谱图中仅有单一的激励频率．而在E R S F D支撑下,转子系统的轴心轨迹由复杂的花瓣形构成,呈现典型的拟周期特征．此外,在ω＝７２０r a d/s时,转子系统轴心轨迹呈现出非规则的椭圆形状．３㊀结论本文以弹性环挤压油膜阻尼器(E R S F D)为研究对象,采用双向流固耦合的方式数值分析了不同轴颈激励幅度下内外层油膜压力分布情况和弹性环变化规律．随后,通过最小二乘法进一步拟合出E R S F D的等效约束刚度和等效约束阻尼．在此基础上,将其引入至双盘悬臂转子系统中,对比分析线性支撑和E R S F D支撑下系统动力学响应差异．相应地,主要结论可概述如下:(１)通过对E R S F D油膜流场分布分析,发现导流孔处存在明显的高流速集中现象,且从油膜挤压处沿着油膜表面进行内外层流体交换．(２)随着扰动激励幅度的增加,内外层油膜压力均明显提高且存在明显的油膜振荡现象,同时外层油膜刚度始终大于内层油膜刚度．(３)相比于线性支撑条件,E R S F D支撑下双盘悬臂转子系统出现明显的非线性振动现象,如共振滞后和跳跃现象等．同时,对比相同转速下系统的振动幅值,E R S F D起到了明显的振动抑制效果．参考文献[１]Z HA N G W,D I N G Q．E l a s t i c r i n g d e f o r m a t i o na n d p e d e s t a l c o n t a c t s t a t u s a n a l y s i s o f e l a s t i c r i n gs q u e e z e f i l m d a m p e r[J]．J o u r n a l o fS o u n da n d V iＧb r a t i o n,２０１５,３４６:３１４－３２７．[２]崔颖,罗乔丹,邱凯,等．涨圈密封挤压油膜阻尼器流场与阻尼特性[J]．航空动力学报,２０２１,３６(１２):２４７４－２４８１．C U IY,L U O Q D,Q I U K,e ta l．F l o wf i e l da n dd a m p i n g c h a r a c te r i s t i c s of p i s t o n r i ng s e a l e d s q u e e z ef i l m d a m p e r[J]．J o u r n a l o f A e r o s p a c e P o w e r,２０２１,３６(１２):２４７４－２４８１．(i nC h i n e s e) 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挤压油膜阻尼器精华版报告
挤压油膜阻尼器专利态势报告1技术范围及技术关注点通过与中航商发技术专家沟通，最终将该工程的技术范围界定为：限定航天领域，具体应用于滚动轴承与支承结构。
2技术整体态势分析挤压油膜阻尼器近几年国内外都呈现上升趋势。
挤压油膜阻尼器的主要原创国是美国日本和中国，其中美国和中国都在近几年开展迅速。
3主要技术专利布局国内国内外国内外与中国专利布局相似，主要技术布局点在非油膜阻尼器结构，这个技术中包括橡胶减振器、硅油减震器、曲轴扭转减振器、液压减震器、磁流变扭振减振器等。
其次布局技术点式挤压油膜阻尼器结构，这个技术下的二级技术又以内外环结构为专利申请的高地。
4主要申请人分析4.1主要申请人排名国外主要申请人：联合工艺、通用、霍尼韦尔中国主要申请人：通用、航空工业集团、斯奈克玛来华主要申请人：通用、斯奈克玛国外的主要申请人中联合工艺和霍尼韦尔在华专利布局较少，而通用公司布局较多，是国内主要需要关注的竞争对手。
4.2主要申请人的专利布局国内外中国国内外大局部公司的专利布局的方式和总体布局较为一致。
都是在非油膜阻尼器上，值得注意的是通用公司的全球专利布局的热点除了非油膜阻尼器的结构还有挤压油膜阻尼器中的端封形式，但是其国内布局来看，端封形式的专利未来华，主要来华的专利还在于非油膜阻尼器结构。
5技术路线端封形式的技术路线要点：➢端封技术开展较早，至少在1970年就已出现相关专利，以O型环密封为代表；✓联合航空公司的O型环密封件的专利技术✓O型环密封技术在上世纪70-90年代期间较为流行✓O型环密封的使用寿命有限➢上世纪80年代，活塞段类型的动态密封件端封技术的短暂出现✓活塞段端封技术的缺点：✧需要极高的加工精度，导致本钱较高✧安装复杂✧因未校准漏油而使其阻尼并不总是能完全控制✓上述缺点使该端封技术并未得到长久开展➢上世纪90年代后，在传统O型环密封技术上又逐渐开展出多种形式✓双环形壁形式✓活塞环形式✓环形弹性密封件形式✧2000年Techspace Aero的环形弹性密封件端封技术的专利申请，具有较为重要意义➢2000年之后，端封技术得到进一步开展✓单边端面密封✧2021年ROLLS-ROYCE公司申请的单边端面密封的专利技术✓弹性密封环✧2021年GE公司在传统挤压油膜阻尼器外环上增加弹性密封环➢总结专利中所表达的大致开展脉络：O型环密封→活塞段密封→双环形壁密封→活塞环密封→环形弹性密封→单边端面密封→弹性密封环内外环结构的技术路线要点：➢针对与内外环结构技术相关的目标专利的分析结果来看，该技术开展时间相对来说较晚；✓2004年出现的多孔环技术✧端部密封环周边设计均匀分布的几个出油孔隙，能周向均匀出油，保证滑油正常流动➢2021年，传统挤压油膜阻尼器外环上增加弹性密封环✧省去弹性支座，获得节省本钱、减轻重量的效果➢近几年，江苏理工学院为挤压油膜阻尼器的内外环结构中引入“磁〞的技术✓弹性环+永磁✧内外环径向充磁+同性相斥→提高径向支承刚度，提供较大阻尼能力✓浮动磁环✧内外环径向充磁+同性相斥+浮动磁环→改善刚度与阻尼随着转子偏心率的增大而呈现出的强非线性特性的现象➢区别于传统的整环形式的分段式内外环结构✧两个半环形的阻尼器分体对接✧减弱流体激振力，使转子转动稳定，延长压缩机使用寿命6重点专利重点专利要点解析：➢挤压油膜阻尼器结构✓内外环结构✧✧CN104220706A〔挡圈轴向拦挡住轴承外圈以限定轴承外圈的轴向行程，廉价和简单制造或装配〕✧WO2021079788A1〔轴承单元的改良，其包括在轴向方向上延伸的轴承壳体，布置在轴承壳体内且具有支撑环的轴承座以及具有外轴承环的轴承〕✧JP2021203504A〔挤压膜阻尼器轴承插入圆柱形旋转轴和轴承之间或轴承和固定外表之间〕✧✓油槽形式✧CN103477099A〔油膜位于轴承外环与轴承座之间，使轴承外环在油膜中可自由转动〕✧CN102705427A〔支承周向加工镂空纹路，并在结构、纹路中流通润滑油〕✧CN102062145A〔内圈外表上设置环形槽以及排油槽〕✓端封形式✧GB2459268A〔单边的端面密封的封严方式〕✧US5197807〔圆环面的两端槽内的挡油环中空并打孔，使其内部充满滑油〕✧US5344239〔阻尼器外端两处环形涨圈封严结构〕✧US5251985〔弹簧圈式密封代替传统的活塞环密封〕✧US5228784〔复合阻尼O形环密封件〕✧US5188375〔活塞环密封件利用在环结构中的策略性定位的流体孔实现压力分布控制〕✧US5058452〔轴旋转组件实现可调节挤压膜阻尼器〕✓油膜参数✧US4669893〔通过定尺寸的孔，控制形成于气缸和支撑件间封闭环形容积中阻尼液体的体积流量〕✓其他✧CN103459867A〔轴承座径向开槽用以放置弹性元件〕✧CN103842668A〔在油膜间隙的周向，与重力方向相反的方向，扩大间隙以减小阻尼〕✧EP1375941A1〔设置两套独立的滑油通路，既润滑轴承系统，又实现滑油回收再利用〕✧US20070086685A1〔自包含阻尼液体和加压气体的挤压膜阻尼系统〕✧US5320214〔双段，双压力，周向油歧管同心地围绕挤压膜空间〕✧US4992024〔挤压膜阻尼腔设置多个径向堆叠的垫片〕➢挤压油膜阻尼器与相关组件间的配合✓与弹性支承之间的配合✧GB2216609A〔增加与油膜阻尼器的油膜相邻的非旋转部件之间的间隙，以便明智地增加它们之间的油量，以获得与机械支撑弹簧相对的油膜弹簧力〕✓与转子之间的配合✧US20210294917A1〔支撑转子组的轴承组件，各向异性支撑件接合轴承组件和支撑壳体，挤压膜腔限定在各向异性支撑件和支撑壳体之间〕✧US5067825〔挤压膜阻尼器进料和密封机构，其允许润滑剂在挤压膜区域中轴向流动，而不会在阻尼器轴颈周围产生压力的总体圆周变形〕✧US4527912〔控制动态不平衡转子振动的挤压膜阻尼器，其阻尼系数在转子振动位移的整个范围内保持根本上恒定〕✓其他✧WO2021204633A1〔轴承座与油槽间设置波纹弹簧，与弹支一起形成双弹簧并联支承〕✧US20060083448A1〔为轴承组件外圈的部件和外部支撑结构之间的挤压膜阻尼器接口提供了紧凑的柔性定心支撑〕➢控制与监测方法✓供油控制✧US5207511〔挤压油膜两端开一个圆形的槽，使油膜压力分布均匀〕✧WO2021088634A1〔轴承外圈座内开洞以省去传统挤压油膜阻尼器所具有的局部供油管路〕✧US5149206〔挤压膜阻尼器中的滚动偏心控制环构件用作压力致动移动阀元件，实现旋转压力波的控制以及油循环的改良〕✧US5071262〔间隔开的活塞环来密封阻尼器流体，活塞环附近和内侧提供大的周向充气通道或凹槽〕✧US4782919〔在高频止回阀上串联布置止回阀〔低频型〕并位于供油泵和高频止回阀之间〕✧US4775248〔用于将油递送到流体阻尼器的多个供油系统的结合〕✓主动控制✧US7798720〔设置带有弹性元件的供油回路，调节使油膜阻尼器中回路中的油压可变〕✧US7517152〔两个柔性波纹管室形成阻尼室，第一压力源施加到阻尼室以调节阻尼，第二压力源被施加到柔性波纹管室，以改变阻尼器的刚性〕✧WO1991009232A1〔改变润滑剂流能控制阻尼和动态刚度〕➢内外环结构/油膜参数✧US20060083449A1〔改良的端部密封环，周向设计均匀分布的几个出油孔隙〕➢弹性环✧✧CN103225669A〔构造：内外环径向充磁且同性相斥，内外环之间有波纹式弹性环；作用：提供径向刚度，结构紧凑〕✧EP2224103A2〔设置：外环上增加弹性环以省去弹性支座；作用：制造维护本钱低，提供径向刚度〕✧EP1167788A1〔构造：U形弹性环；作用：提供轴向刚度，而一般弹性环只提供径向刚度〕✧WO2021071563A1〔设置：弹性元件设置在位于径向凹部的底部和支撑活塞的底部之间的轴承壳体中的凹部内；作用：结构简单，提供径向刚度〕✧JP5574939B2〔设置：固定到阻尼器轴承主壳体上的密封部件，作用：抑制狭缝的侧开口部中油的泄漏，装置简化和重量减轻〕✧JPH06300037A〔设置：覆盖振动外表和支撑外表之间的间隙的弹性膜；构造：弹性膜形成波纹管状折痕；作用：简单结构，防止油泄漏〕✧JPH09112549A〔设置：由橡胶构件和弹簧钢弹性接合构成的密封构件；作用：安装和拆卸简单，便于维护〕✧JPH07119743A〔设置：各弹性膜介于阻尼器支撑部和阻尼器可动部之间在其两侧，每个弹性膜的两个端部插入槽的内部；作用：结构简单，防止漏油〕✧JP1992000013A〔设置：在滚动轴承的外圈上形成作为油通道的圆形槽，并且在轴承壳体的与推力接收局部别离的端部与壳体固定构件之间的接触面上提供弹性件；作用：提高阻尼效果和强度，提高可生产性，降低制造本钱〕➢非油膜阻尼器结构✧CN103307101A〔由弹性支承、金属橡胶环和电磁阻尼器构成的混合式阻尼器〕✧➢阻尼器的安装方式✧EP1942291A1〔用于电机的转子安装组件〕。