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.

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
Ξ
RETROSPECT AN D PROSPECT TO THE RESEARCH ON SQUEEZE FI LM DAMPER BEARING (SFDBAN D ON DY NAMIC CHARACTERISTICS
OF ROTATING MACHINER Y ROTOR —SFDB SYSTEM
夏南ΞΞ1孟光1,2
(1.上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室,上海200030(2.佛山大学思源研究所,佛山528000
XI A Nan 1MEN G Guang 1,2
(1.State K ey Laboratory o f Vibration ,Shock and Noise ,Shanghai Jiaotong Univer sity ,Shanghai 200030,China
(2.Siyuan Institute ,Foshan Univer sity ,Foshan 528000,China
摘要简要介绍挤压油膜阻尼器轴承及其基本分类,介绍各种挤压油膜阻尼器轴承的动力学特性研究和建立阻尼器流体动力模型与挤压油膜力的进展情况,总结了支承在挤压油膜阻尼器轴承上的旋转机械转子系统的动态响应特性和稳定性的研究结果及对这类强非线性的转子—阻尼器支承系统的非线性响应特性研究的进展情况,并对该类减振结构的未来发展进行了展望。

关键词转子动力学挤压油膜阻尼器轴承油膜惯性力回顾与展望中图分类号TH113T B535.1O328
Abstract Squeeze film dam per bearing (SFDB is now widely used in aeroengine and other rotating machineries due to its advantages of obvious is olating effect ,sim ple
structure ,small space and easy manu facturing.In this paper ,different kinds of SFDB and the research results on the dynamic characteristics of these SFDB and on the m odels of fluid dynamic and squeeze film force were introduced.The research achievements on the dynamic response characteristics and stability of the rotating machinery rotor supported on SFDB were reviewed.Als o the progressing on the nonlinear responses analysis of such strong nonlinear rotor —dam per support system was introduced.The future development of and research on the SFDB was prospected.
K ey w ords R otordynamics;Squeeze film d amper bearing;F luid inertia force ;R etrospect and prospect Correspondent :MENG Guang ,E 2mail :gmeng @mail
,Fax :+862212629322212804
The project supported by the National Defense Pre 2Research Project and the University K ey T eacher Support Program of China.Manuscript received 20010128,in revised form 20010412.
1引言
自从第一篇有关转子动力学的论文由Rankine [1]
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。

随着航空业和机械工业的发展,航空涡轮发动机、大功率汽轮发电机及离心压缩机的核心部件都是由轴承支承的高速转子组成。

1919年Jeffcott 的分析表明,当转子的转速大于临界转速时,转
子系统仍能保持稳定。

然而实际应用中,当旋转机械在高转速区运转时,会出现振幅与噪声较大,转子轴和转子的进动非协调及系统动力不稳定等问题,相应转子轴易出现疲劳断裂。

由于转子、转子轴和轴承系统的寿命决定了整台机器的寿命,因而转子系统也是决定产品性能、可靠性和总体结构完整性的重要因素。

工程上常采用下面几种方法达到减小转子振动幅值的
目的:(1平衡转子;(2使工作转速区远离临界转速范围;(3采用性能更好的轴承支承;(4附加外阻尼。

由于工程实际中转子很难进行完全平衡,而改变临界转速往往要改变结构的支承形式,因而采用高性能轴承和外阻尼是一种非常有效的手段。

如在航空发动机上成功地采用挤压油膜阻尼器轴承(squeeze film dam per bearing ,SFDB ,将外阻尼施加到转子支承系统,减少
了系统的共振幅值和外传力。

挤压油膜阻尼器轴承作为一种新型减振阻尼器,具有结构简单、占用空间少、制造容易、减振效果显著等特点,因而应用范围越来越广泛,尤其在航空发动机上已成为一种典型设计。

挤
压油膜阻尼器轴承的结构很简单(见图1,它只是将
滚动轴承或滑动轴承的外环与轴承座间的过盈配合改
机械强度
Journal of Mechanical Strength
2002,24(2:216~224
ΞΞΞ夏南,女,1972年2月生,汉族。

博士。

主要从事转子动力学和机械动力学的研究与开发。

20010128收到初稿,20010412收到修改稿。

本文得到国防预研项目和教育部高等学校骨干教师资助计划项目的资助。

(a同心型(aCentralized SFDB
(b非同心型(bUncentralized SFDB
1.供油
2.密封
3.转轴
4.滚动轴承
5.挤压油膜
6.定心弹簧
1.Oil supply
2.Seal
3.R otating shaft
4.R olling element bearing
5.Squeeze film
6.Centralizing spring
图1挤压油膜阻尼器轴承结构简图
Fig.1S tructure diagram of SFDB
为适当间隙的间隙配合,在间隙中充以流动的润滑油,在外环上过盈配装一个套作为阻尼器的内环,限制这一内环的转动,使其只能平动,从而挤压间隙内的滑油,形成油膜,即构成挤压油膜阻尼器轴承。

Hamburg 与Parkins on[2]最早发表了一篇有关挤压油膜阻尼器轴承的报告,指出既有阻尼又有弹性地安置滚动球轴承在控制转子振动响应方面是有效的。

该滚动轴承外环与鼠笼环相连,后者用螺钉与机匣固定,该外
环与静止的支承结构间用一薄油膜隔开形成挤压油膜轴承,该油膜层称为“供压减振表面”(oil2feed snubbing surface。

最初进行转子—SFDB系统研究的学者出于分析问题的方便,往往把转子中心的稳态运动简化为一种绕着轴承几何中心的圆周协调运动。

这种倾向导致制造商将挤压油膜阻尼器轴承与预载相连,使转子的运动始终是绕间隙圆中心的圆周运动。

1963年C ooper[3]发表的报道指出,利用机械装置对阻尼器的运动轨迹进行任何限制都将破坏阻尼器的有益作用。

随后许多学者针对是否包含机械限制装置的转子—SFDB模型及其变异结构开展了多方面的研究。

现代工程中常使用的挤压油膜阻尼器轴承有两大类(见图1,一类是同心型挤压油膜阻尼器轴承,该种阻尼器中包含有定心弹簧,定心弹簧与阻尼器并联以提供静载能力,同时也具有调整系统临界转速的作用。

另一类是非同心型挤压油膜阻尼器轴承,该种阻尼器没有定心弹簧,故没有静载能力。

这种结构避免了同心型SFDB中定心弹性元件易出现疲劳的弊端,但该结构在未转动时轴承外环沉在底部,随着转速的提高,动压润滑油膜迅速建立,转子轴被迅速抬起,由于没有支承弹簧与转子的重力相互抵消,该种结构的响应较易出现非协调。

随着转子动力学理论、流体动力润滑理论和现代非线性理论的发展,对转子—SFDB系统的动力学分析
的广度和深度也得到提高。

当今对于转子—SFDB系统研究的重点主要在以下几个方面。

2转子—SFDB系统动力特性研究
对转子—SFDB系统进行研究的高潮出现在80年代。

由于挤压油膜呈现高度的非线性,而影响转子—SFDB系统的线性和非线性因素较多,因而如何建立精确的转子—SFDB系统的动力学模型,使其既能较为切实地表达实际模型的各种特性,又不会因阶数过高或非线性过强而难以分析和计算便成为进行转子特性分析的一个重要问题。

早期对于转子—SFDB系统的各项动力学特性都不太了解,因此各方面的研究多以实验为基础,通过实验数据寻找实际结构的数理模型。

最初提出的数学模型中采用一个线性弹簧及一个阻尼元件模拟具有同心弹簧的挤压油膜阻尼器轴承[4]。

通过在实验中改变供油情况和阻尼器轴承油膜间隙,观察各种情况下阻尼系数的变化。

实验表明,增加油量和改变阻尼器轴承油膜径向间隙,将导致有效阻尼系数的增大,而去掉密封会使阻尼系数大大减小。

H.H olmes等[5~9]人通过实验获得SFDB挤压轨迹的时—空特性,得到考虑空穴时同心型SFDB的线性阻尼系数,并在随后的实验中利用振动法确定阻尼力系数。

通过在水平和垂直平面上加以振动载荷,以模拟旋转不平衡力的作用。

其所测得的阻尼系数在低偏心率情况下与理论结果能较好地吻合。

通过进一步分析又获得线性阻尼系数的可靠范围。

在具体分析的过程中通过引入与振幅有关的阻尼系数来综合非线性的影响,他们较早采用短轴承,π油膜模型表示SFDB的油膜特性,并对该种非同心型SFDB支承的刚性转子的非线性方程进行求解,指出在不平衡负载下,油膜产生油楔抵消了部分负载分量。

轴承参数B是挤压油膜阻尼器轴承的一个重要参数(B=μRL3(m bωc c3,R和L为阻尼器轴承半径和有效承载长度,μ为滑油动粘度,c为阻尼器轴承径向间隙,ωc为峰—峰临界转速,m b 为等效后的阻尼器轴承的质量,当转子轴承参数B较小时稳定轨迹不易达到,此时最大外传力超过最大负载的值,因而B值的选择很重要,外阻尼的提高对抑制失稳有益。

实验中发现不稳定常发生于系统临界的2、3倍处,内阻尼相对于外阻尼对系统的稳定性的影响较小。

G unter 等[10]在转子—SFDB系统的实验与理论分析方面也做了大量的工作。

他们首先分析了考虑基础柔度、轴承质量与轴内摩擦的推广型Jeffcott转子的运动微分方程,在不考虑陀螺力矩的基础上计算了该系统的稳定性,指出该类系统的不稳定通常是由衬套或联轴节的内摩擦引起,其所表现出的非协调运动是一种自激现象,柔性支承降低了转子的临界转速及系统出现不稳
第24卷第2期夏南等: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217
定的门槛值,而当柔性支承处的阻尼增大的时候,转子的稳定性得到提高[11]。

通过解含线性刚度及线性阻尼的运动方程,计算阻尼柔性滚动轴承对转子响应的影响。

计算表明,若支承具有足够的阻尼,则转子在临界处会具有较好的动态特性,对于一个定量的支承刚度存在一个最佳的阻尼值,阻尼值不能过大。

在后来的计算中,他们考虑了支承质量的影响[12],并推导了非线性阻尼支承的多质点柔性转子运动方程,求其瞬态响应,在该方程中转子激励为不平衡度、外摩擦、加速度特性和轴承密封装置处的非线性力。

随后在对获得的响应进行瞬态分析时发现,对于复杂的动力系统,在进行计算中出现了数值不稳定。

基于短轴承理论,他们[13,14]还推导了有空穴和无空穴阻尼器的等效刚度和等效阻尼,计算表明当进动为圆运动时,无空穴阻尼器的等效刚度为零,而阻尼系数比有空穴的大一倍。

联立阻尼器方程与转子方程发现,若要得到稳定的运动和较低的传递率,转子的偏心应较小。

后续的文章发现,无并联弹性支承的挤压油膜阻尼器轴承能有效地衰减施加负荷的作用。

引起非协调涡动的原因是不规则负荷产生的非线性油膜力。

上述工作也推广到对有限长挤压油膜阻尼器轴承的研究,在该研究中油膜力通过变分法获得。

计算结果表明,在大不平衡度的
情况下,阻尼器的垂直预载对减小外传力是合适的。

Betman在高速垂直的转子台上实验后指出,油膜空穴限制了阻尼器的最高转速,在有空穴的情况下轴颈位移剧烈增大,非协调涡动也较大[15,16]。

晏砺堂教授等对同心型挤压油膜阻尼器轴承系统的研究表明,阻尼器的采用能帮助弹性支承获得最佳阻尼,阻尼器在减小不平衡度引起的振动的同时还可以减小其他激励源引起的机匣振动[17]。

Hibner D.H.的文章[18]对支承于多个粘性阻尼轴承上的SFDB系统进行的稳定性理论和实验分析表明,在某些轴承处系统并未产生正阻尼,此时转子出现低频进动,当对应较高临界转速和阻尼压力时,系统产生了自激现象。

K irk G.R.[19]对转子由于叶片丢失而产生的突加不平衡效应进行了分析,说明突加不平衡后转子振幅有所增大,有时系统的响应由协调变为非协调,在某些情况下可引起自激不稳定。

Hahn E.J.[20]等对有定心弹簧支持的SFDB系统进行分析发现,如果供油压力太大,该转子的运动微分方程应进行相应的修正才能符合实际结果。

Zhao J. Y.等[21,22]对支承于偏心SFDB上的刚性转子的不平衡响应进行分析,将转子的不平衡响应用三角序列代替,序列中的系数由聚合法求得。

计算结果表明,对于小的静态偏心与不平衡量,系统的非同步响应可以忽略,此时响应为偏置椭圆。

当不平衡和静态偏心量提高时,非同步程度增大,在共振区转子产生自对中效应,当不平衡增加时,自对中效应增大,当静偏心变大时,自对中效应减小。

为防止出现双稳态所产生的大振幅和较小的轴承参数引起的系统响应不稳定,他们还提出一种改善型SFDB,该种SFDB是在传统的SFDB的外环上再加上弹簧(第二支承,该弹簧可看成具有无质量、常刚度、常阻尼系数的特点。

对于支承在该种类型SFDB上的刚性转子,在较大的转动速率下,系统抵抗双稳态的能力和第二支承与定心弹簧刚度比、支承的阻尼系数等参数有关。

该种阻尼器在不平衡量较大的情况下,也能有效地防止双稳态的出现。

Han Ming2 da等[23]利用传递矩阵与模态综合法相结合,分析复杂转子—SFDB系统的稳态和瞬态动力特性,用子结构与传递矩阵法相结合计算临界转速,并计算了在不同突加不平衡、径向间隙、转动速度下SFDB的抗振和抗突加不平衡的能力。

冯心海等[24~26]对航空涡轮发动机进行大量的动力计算。

对实际模型采用能量法并结合影响系数法求得SFDB系统的稳态响应、突加不平衡和加速响应的特性。

孟光等[27~32]对Jeffcott转子—SFDB系统的油膜机理、系统响应特性、非线性特性分析、加速度响应、突加不平衡响应特性等
方面进行了较为全面的研究,提出使系统在获得最小振幅的同时也得到了较好的传递率的参数组合。

稳定性分析的结果表明,挤压油膜阻尼器轴承的高度非线性决定了其响应线性化的难度,结构参数对于SFDB的总特性的影响是非常明显的,根据不同的使用目的选择不同的SFDB结构参数组合,能更有效地达到减振的目的。

由于转子—SFDB系统利用直接积分法获得响应稳态解较为费时,许多学者极力想找到一个既能满足精度要求,又能缩短计算时间的方法,E l2Shafei等[33]基于最小均方近似原理,对SFDB的偏心椭圆轨迹用等效线性化方法获得系统等效的时变阻尼系数,该系数是转动参数的非线性函数,又相应求得了等效的非线性力,通过迭代计算得到刚性转子—SFDB系统的不平衡响应。

X ie Huajun[34]分析了盘的弹性对于系统性能的影响,采用数值分析与谐波平衡法相结合的方法得出,在高转速比区盘的柔度对系统的动力行为影响较大,使系统产生附加临界转速。

R oberts J.B.[35]对大位移和静偏心下非线性SFDB系统特性进行了实验研究。

EI2 Shafei[36]针对航空发动机进行的分析表明,双转子轴间的阻尼器可达到吸振和减小传递率的作用,从而提高了转子—轴承系统的稳定性。

无论理论分析还是实验结果都表明,Jeffcott转子在一阶临界处可能失稳,他们将该现象归因为油膜涡动的方向性,即油膜的正向涡动不能带走能量,此时系统不稳定,而油膜反向涡动时系统是稳定的,当油膜不产生涡动时系统也是稳定的。

在反向识别技术方面,Zhang J.X.[37,38]等直接对转子—SFDB系统的运动微分方程中的各项变量数据
218机械强度2002年
用窗函数法进行处理,并分析了系统的径向运动和圆心轨迹,利用处理过的数据模拟SFDB系统对该模拟系统中的未知参数进行识别,得到了较为满意的结果,由此可认为频域法可以有效地识别非线性系统中的线性未知参数。

他还进一步考虑了流体动力、惯性与阻尼对非线性油膜力的影响,在该模型中,利用多项式中的线性参数代表径向位移的变化,求得系统的广义状态向量,利用可变滤波器对非线性模型进行参数识别。

在考虑供油压力和转速变化对系数的影响下,将获得的结果与润滑理论中得到的相关值进行比较,得到不同间隙比下流体静态力的分布,并发现当运动接近
间隙圆中心时,瞬态项惯性力比对流项惯性力的作用要大。

由于SFDB油膜中非线性力是油膜厚度和粘度的函数,为了减小SFDB动力学模型的阶数, Esm onde[39]等采用不同粘度的润滑油,通过对随机激励下系统的线性和非线性力进行辨识,去掉了影响较小的参数分量,达到了减小模型阶数的目的。

3挤压油膜流体力学模型的建立与改进
这一部分包括研究挤压油膜力的表达形式、挤压油膜中油膜惯性力的表达式、负压的作用[40,41]
现象、二相流结构[42]、非牛顿流体及湍流的作用、油膜压力边界的变化等问题及在这些情况下的油膜力模型对转子—SFDB系统特性的影响。

为了得到符合实际情况的油膜力表达式,Jones[43]等人在排除重力的影响下测得了压力谱图,并通过积分得到流体油膜力。

分析结果显示,短轴承理论更适合于圆周向供油阻尼器,对于进油口供油并有端封的阻尼器,假设响应轨迹为同心圆时得到的实验结果与理论结果一致,但对响应轨迹为偏置轨道的情况,理论计算与实验结果不太相符[43~46]。

Thomsen等[47]采用垂直转子设备测量外传力、轨道半径及相位角,从而确定阻尼系数,实验表明在小油膜间隙、低偏心率的情况下得到的阻尼系数与2π油膜模型假设下获得的结果很相似。

T onnesen[48]在改变油膜间隙、承载区长度、油粘度及外力值的情况下,通过测量支承处阻抗从而推算阻尼系数,发现当油膜范围在0和2π之间变化时,对于大气供油和有端封的情况,实验结果接近π油膜假设下得到的结果。

H ori等假设在负压处油压为0 (对于油膜空穴的该种处理可避免由连续油膜介质假设使计算中出现的人为转子不稳定,在用长轴承假设进行的分析中发现,轴颈相对轴承中心偏心的增大,可使转子轨道趋于稳定[49]。

Lu y ong[50]建立了二维平面挤压油膜模型,对于大偏心SFDB系统计算的结果表明,系统预测响应结果是频率、初始偏心与幅值的函数。

San Andres[51]考虑了挤压油膜承载表面和进油槽的动力流作用,分析了中心供油槽对SFDB动力响应的影响,基于短轴承、小振幅、圆假设得到阻尼与惯性系数的修正项,分析表明,有槽的阻尼器在低频段的行为类似单承载阻尼器,转动频率、流体惯性和槽流体体积压力对系统的动力特性有
影响。

San Andres[52,53]还对无端封SFDB系统的实验结果和理论计算进行比较,从测量的压力分布中得出油膜力与涡动速度、润滑油的粘度成正比,空穴对于油膜力的产生有重要作用。

通过对阻尼系数进行比较,分析了系统的涡动频率、径向振幅、外压对SFDB响应的影响及SFDB的耗能机理。

他们还在转速为5000r/min和低压的情况下测量了油膜压力区分布和流体油膜力,及当流体惯性较小时SFDB实验中油膜力的阻尼特性[54]。

Arauz G. L.[55]对SFDB中压力分布进行实验研究,当取径向间隙为0.38mm时,观察到无端封和部分端封SFDB动压力与响应受涡动速度及润滑粘度的影响,有端封SFDB比无端封SFDB有更大的切向力,随着涡动频率的升高,切向阻尼线性提高。

当转速较低时,流体惯性力可忽略不计,在高频和高粘度时都发现频率的升高限制了径向阻尼的升高,润滑粘度升高时径向力减小。

Wang
Y.H.[56]等对SFDB中承载区形状对于系统性能影响的研究结果表明,改变阻尼器承载区的轴向几何形状,可以明显改变不平衡响应,适当设计承载区的形状可减少刚度和阻尼系数的变化,减少非线性阻尼力的非线性度和双稳态的产生。

相对来说,进油孔进油比端部进油更不易产生跳跃。

Zhao J.Y.等[57,58]对供油孔供油的SFDB系统瞬态特性的研究表明,采用通过进油孔供油的SFDB,转子轴颈在孔附近的位移较大,而随着孔数目的增加,阻尼器轨迹趋向于圆,相比供油槽供油方式,该种方式对应的不平衡值的门槛后移。

具有阀的孔进油阻尼器具有较好的性能,与等效的槽进油阻尼器相比,具有更好的进油能力及更好地避免跳跃现象的产生的能力。

以往经典的油膜特性分析中常忽略油膜惯性力的影响,认为其作用非常小。

近年来发动机向着大功率、高推比、高转速的方向发展,不仅使得转子—SFDB系统的转速不断提高,也采用了低粘度润滑油及较大间隙,因此油膜惯性力的影响越来越大。

T ecza[59]等在实验中遇到一个转子动力学分析中没有的临界转速,并将其的出现归因于流体惯性力。

由此可见流体惯性力对转子—SFDB系统的影响是不可忽略的。

San Andres 和Vance[60]利用平均动量法近似,获得考虑流体惯性效应的SFDB 系统中的转子的稳态响应,他们将流体惯性力效应的大小用Reynolds数进行衡量,挤压油膜阻尼器轴承中雷诺数的定义为流体密度、转速、间隙平方的乘积除以流体的绝对粘度(Re=ρωc c2/μ,该雷诺数表明了流体惯性力的影响程度。

大型涡轮机械的雷诺数可从1~20,在现代航空发动机中,配有SFDB
第24卷第2期夏南等: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219
的转子运转时其雷诺数往往大于1,呈现出较强的稳定性,因而在不考虑油膜惯性力分析中,得到的第一、二阶临界处的跳跃现象很难在实际中发现[61]。

第一个研究流体动力润滑轴承中流体惯性力的是Smith[62],其利用特定的Reynolds方程获得径向轴承的惯性力系数,并认为在油膜轴承中流体惯性效应使转子产生附加质量,这种效应对于支承在较宽轴承上的短刚性转子影响较大。

Reinhardt与Lund[63]在小Reynold数下用扰动法获得径向轴承的油膜力系数,并画出了油膜惯性力系数随轴颈偏心变化的曲线,指出流体惯性力的引入是对径向轴承的阻尼系数和刚度系数进行修正。

S zeri[64]通过对整个油膜区惯性力求平均,获得了挤压油膜阻尼器轴承的油膜力系数。

Rein2 hardit和S zeri等对于短轴承模型得到的油膜力的结果是非常一致的,但其中Smith的方法计算较为简单,并对长、短轴承都给出了简单的渐近分析表达式。

最初分析流体惯性力的文章为了简化分析过程,都忽略了对流项的作用。

Crandall和E l2Shafei[65]通过对SFDB中以单元流形式存在的惯性力进行能量与动量的近似分析发现,采用Ragrange’s能量近似理论得到的惯性力与通常使用的阻尼器Reynold数范围内的惯性力较为一致,并利用能量近似法获得短、长轴承的惯性力表达式。

计算结果表明,惯性力除了与径向、切向、向心、哥氏加速度成正比外,还与一个附加的非线性项有关。

由于长SFDB中的附加质量较大,流体惯性力对长轴承的影响更大。

R ogers R.J.[66]对径向轴承中有限长度的非线性流体力模型进行了研究。

Zhang J.[67]利用简化的二维Navier2Stokes方程推导了短圆柱轴承SFDB 系统的惯性力系数,其获得的结果与T ichy和E l2Shafei得到的相似,只是由于在挤压油膜的厚度范围内采用不同的平均方法,因而得到的常数系数不同。

该常数系数可分为瞬态惯性项与对流惯性项两类,当SFDB的偏心率增大的时候,对流惯性项的作用表现的较为明显。

Zhang J.[68]还分析了考虑油膜惯性力时Jeffcott转子—非同心型SFDB系统的稳态响应轨迹,指出当系统具有较大的重力参数W与较小的轴承参数B时惯性力的作用表现较为明显,而当不平衡量变化较大时惯性力的作用变化。